Том 1 (Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (PDF)), страница 4

Каждый вид отличен от другихи каждый воспроизводит себя в точности, давая потомство, которое принадлежитк тому же самому виду: родительский организм передает следующему поколениюинформацию, определяющую, с точностью до малейших деталей, характеристики,которые должен иметь потомок. Это явление — наследственность — образуеттот стержень, вокруг которого строится определение жизни: оно отличает жизньот других процессов типа роста кристалла, или горения свечи, или формированияволн на воде, в ходе которых производятся упорядоченные структуры, но единообразного типа связи между особенностями родителей и особенностями потомказдесь нет.

Подобно пламени свечи, живой организм должен потреблять свободнуюэнергию, чтобы создавать и поддерживать свою организацию; но в организме36Часть 1. Введение в мир клеткисвободная энергия питает чрезвычайно сложную систему химических процессов,происходящих при реализации наследственной информации.Большинство живых организмов представлено одиночными клетками; другие,такие как мы с вами, являются огромными многоклеточными сообществами, в которых отдельные группы клеток выполняют специализированные функции и связанымежду собой сложными системами связи.

Но во всех случаях, обсуждаем ли мыобособленную бактерию или сово­купность более чем 1013 клеток, которые образуюттело человека, организм полностью формируется за счет многочисленных деленийклеток и берет начало от одной-единственной клетки. Так что клетка исполняетроль транспортного средства для хранения и передачи наследственной информации,характеризующей вид (рис. 1.1). И, будучи хранителем и носителем этой информации, клетка включает в себя механизмы, позволяющие не только «добывать»из окружающей среды сырье, но и строить из него по своему образу и подобиюновую клетку, укомплектованную свежей копией наследственной информации.И такой способностью обладает не только клетка.1.1.1.  Все клетки хранят свою наследственную информациюв единообразном линейном химическом коде (ДНК)Компьютеры познакомили нас с понятием информации как измеряемой величины — миллион байтов (соответствующих приблизительно 200 страницам текста)умещается на дискете, 600 миллионов — на лазерном диске и так далее.

Нарядус этим, они убедили нас в том, что разнообразие при записи одной и той же инфор-Рис. 1.1. Наследственная информация в оплодотворенной яйцеклетке определяет природу целогомногоклеточного организма. а, б) Яйцеклетка морского ежа дает начало морскому ежу.

в, г) Яйцеклеткамыши порождает мышь. д, е) Яйцеклетка морской водоросли Fucus дает жизнь морской водоросли Fucus.(Снимок а — предоставлен David McClay; б — любезность М. Gibbs, Oxford Scientific Films; в — с разрешенияPatricia Calarco, из статьи G. Martin, Science 209: 768–776, 1980. © AAAS; г — любезность O. Newman, OxfordScientific Films; д и е — с позволения Colin Brownlee.)Глава 1. Клетки и геномы 37мации — далеко не идеальная форма для ее использования. Документ, которыйнаписан на компьютере одного типа, может оказаться недоступным для  чтенияна машине другого типа.

По мере того как компьютерный мир эволюционирует,диски и ленты, которые мы применяли для создания наших электронных архивов,скажем, лет 10 назад, на современных машинах становятся нечитаемыми. Подобнокомпьютерам, живые клетки обмениваются информацией, не прекращая эволюционировать и дифференцироваться, по оценкам ученых, на протяжении вот ужеболее чем 3,5 миллиардов лет. Едва ли кто ожидал, что все клетки хранят своюинформацию в одной и той же форме или что архивы клетки одного типа читаютсямеханизмами обработки информации, присущими клетке другого типа. Но оказалось, что это действительно так. Все клетки на Земле – не известно ни одногоисключения – хранят свою наследственную информацию в форме двухцепочечных(двунитевых) молекул ДНК — длинных неразветвленных спаренных полимерныхцепей, всегда образованных из одних и тех же четырех мономеров: A, T, C, G.

Этимономеры связаны в длинную линейную последовательность, которая кодируетгенетическую информацию точно так же, как последовательность единиц и нулей кодирует информацию в компьютерном файле. Мы можем взять часть ДНК из клеткичеловека и вставить ее в бактерию или, наоборот, взять часть бактериальной ДНКи вставить ее в клетку человека – и в обоих случаях информация будет успешночитаться, интерпретироваться и копироваться.

С помощью химических методовученые могут прочитать полную последовательность мономеров в любой молекулеДНК — вплоть до миллионов нуклеотидов — и таким образом расшифровать наследственную информацию, которую содержит любой организм.1.1.2.  Все клетки воспроизводят свою наследственнуюинформацию посредством матричной полимеризацииЧтобы постичь механизмы, которые лежат в основе жизни, необходимо понятьструктуру двухцепочечной молекулы ДНК. Каждый мономер в единичной цепиДНК — то есть каждый нуклеотид — состоит из двух частей: сахара (дезоксирибозы) с прикрепленной к нему фосфатной группой и азотистого основания, которымможет быть аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) или тимин (T) (рис.

1.2). Каждоесахарное звено связано со следующим через фосфатную группу, благодаря чемуобразуется полимерная цепь, состоящая из цепочки повторяющихся сахаро-фос­фатных звеньев с выступающими из нее основаниями. Полимер ДНК наращиваетсяпутем присоединения мономеров к одному из концов. К одной отдельно взятойнити ДНК они, в принципе, могли бы добавляться в любом порядке, потому чтокаждый мономер связывается со следующим одним и тем же способом – черезту часть молекулы, которая одинакова для всех звеньев. Однако в живой клеткедействует следующее ограничение: ДНК синтезируется не в виде свободной обособленной цепи, но на матрице, которой служит уже существующая нить ДНК.Основания, расположенные на существующей нити, связываются с основаниямисинтезируемой нити согласно строгому правилу, определяемому взаимно комплементарной структурой оснований: А связывается с T, а C связы­вается с G.

Такоеспаривание оснований удерживает новый мономер в соответствующем месте и темсамым обеспечивает правильный выбор следующего, одного из четырех, мономера, который должен быть добавлен к растущей цепи. Таким образом создаетсядвухцепочечная структура, состоящая из двух в точности комплементарных друг38Часть 1. Введение в мир клеткидругу последовательностей нуклеотидов: А, С, T и G. Обе нити закручиваютсяодна вокруг другой и образуют двойную спираль (см.

рис. 1.2, г).По сравнению со связями в сахаро-фосфатных мостиках, связи между парами оснований слабы, и это позволяет двум нитям ДНК расходиться без разрываих основных цепей. Каждая нить после этого может служить матрицей (толькочто описанным способом) для синтеза новой цепи ДНК, комплементарной своейРис. 1.2. ДНК и ее структурные звенья. а) Молекула ДНК построена из простых субъединиц, называемыхнуклеотидами; каждый нуклеотид состоит из сахарофосфатного звена с прикрепленной к нему боковойгруппой — азотистым основанием. Основания представлены четырьмя типами (аденин, гуанин, цитозини тимин), которые соответствуют четырем различным нуклеотидам, обозначаемым буквами A, G, C и T.б) Одноцепочечная ДНК состоит из нуклеотидов, соединенных между собой сахаро-фосфатными мостиками. Обратите внимание, что отдельно взятое сахарофосфатное звено нуклеотида асимметрично, чтопридает цепи ДНК определенную направленность, или полярность.

Эта полярность направляет молекулярные процессы, посредством которых заложенная в ДНК информация интерпретируется и копируетсяв клетках: информация всегда «считывается» в определенном порядке — так же как английский текстчитается слева направо. в) При матричной полимеризации последовательность нуклеотидов в существующей (родительской) цепи ДНК управляет последовательностью присоединения нуклеотидов в новойнити ДНК: T в одной нити спаривается с А в другой, а G в одной нити — с C в другой.