|
|
|
|
|
|
||
Автор писал: "Острым ножом я отрезал тонкий-тонкий кусочек пробки, и, поместив его на черную пластинку, поскольку он сам был белым, а также осветив его при помощи плоско-выпуклого стекла, я чрезвычайно легко заметил, что весь он перфорирован и порист, подобно пчелиным сотам, однако, поры расположены не столь правильно. Тем не менее ему нельзя отказать в сходстве с пчелиными сотами. Эти поры, или клетки, были не очень глубоки, но состояли из большого числа меленьких отделений, разгороженных диафрагмами".
После открытия Гука многие ученые продолжили изучение клеток. Однако прошло почти два столетия, прежде чем они смогли убедиться, что именно клетки - главная составная часть всех живых организмов, что все живое на Земле, от высших животных и растений до бактерий*, состоит из клеток.
Так в 1833 г. английский ботаник Р.Броун, первооткрыватель хаотического теплового движения частиц (названного впоследствии в его честь броуновским), обнаружил наличие в клетках ядер. Это открытие было сделано им при исследовании под микроскопом срезов тропических орхидей. Броун заметил, что внутри каждой клетки имеется какая-то сферическая структура. Он назвал ее ядром.
Через пять лет после открытия ядра появился термин, определяющий содержимое клетки, - протоплазма*. В течение последующих лет ученые обстоятельно исследовали роль протоплазмы в живой клетке, но окончательно ее роль стала понятной только в наши дни.
Открытие Р.Броуна послужило ключом к установлению того, что все растения имеют клеточное строение. Дело в том, что часто оболочки клеток, особенно молодых, видны в микроскоп плохо. Другое дело - ядра. Легче обнаружить ядро, а затем уже оболочку клетки. Этим воспользовался немецкий ботаник М.Шлейден*. Он методично просматривал срезы самых разнообразных растений, искал в них ядра, а затем окружающие их оболочки. После пяти лет изысканий Шлейден убедительно доказал, что клеточную структуру имеют все органы растений.
Следом за М.Шлейденом другой немецкий ученый Т.Шванн* воспользовался способом своего предшественника для исследования клеточных структур животных тканей. Уже через год Шванн опубликовал результаты своего труда. Его основной вывод состоял в том, что все животные ткани также, как ткани растений, имеют клеточную структуру.
Дальнейшие исследования показали, что имеются организмы, состоящие из громадного числа клеток; организмы, состоящие из ограниченного числа клеток; организмы, у которых все тело состоит всего лишь из одной клетки, но бесклеточных организмов в природе не существует !
Наконец, в 1885 г. было установлено, что каждая клетка возникает только при делении предшествующей ей материнской клетки. Немецкий биолог Р.Вирхов сформулировал это в виде афоризма: "Каждая клетка - только из клетки".
Каждая клетка состоит из оболочки и ее наполнения, называемого протоплазмой. Последняя включает в себя цитоплазму и ядро. В свою очередь, цитоплазма представляет собой основное вещество клетки - гиалоплазму* и расположенные в ней клеточные структуры (рис. 1).
К ним относятся:
Оболочка клетки является двухслойной. У животных она тоньше, у растений толще, но и животные, и растительные клетки взаимодействуют между собой.
Рибосомы представляют собой самые мелкие включения цитоплазмы: их размеры заключены в пределах от 0,01 мкм до 0,015 мкм. Каждая рибосома, состоит из двух так называемых субъединиц: малой и большой. Рибосомы встречаются во всех без исключения живых клетках. Это их белковые* фабрики. Объединяясь по несколько штук, рибосомы образуют так называемые полирибосомы, или полисомы.
Митохондрии* часто называют энергетическими подстанциями клеток. В них синтезируются* вещества, запасающие химическую энергию. Толщина митохондрий колеблется от 0,2 мкм до 2 мкм, длина - от 0,5 мкм до 7 мкм. По форме они разнообразны: округлые, овальные, палочковидные, нитевидные. Оболочки митохондрий - двухслойные, складчатые, на них располагаются ферментные белки.
В некоторых клетках имеются сетчатые структуры, представляющие собой скопление пузырьков, маленьких вакуолей и цистерн. Форма пузырьков различна: шарообразная, утолщенная, вытянутая. Достаточно часто они располагаются параллельно друг другу и обычно соединяются с канальцами эндоплазматической сети. Эти пузырьки обнаружил в 1898 г. итальянский ученый К. Гольджи В дальнейшем подобные структуры были описаны для все клеток животных и растений и названы аппаратом Гольджи. Функции этого аппарата не выяснены окончательно до сих пор. Предполагают, что в них синтезируются клеточные секреторные вещества или скапливаются вещества, синтезируемые в цитоплазме (жиры, гормоны*, некоторые ферменты*, компоненты желчи и другие).
В растительных клетках имеются структуры, содержащие особый пигмент* - хлорофилл. Этот пигмент поглощает солнечную энергию и, используя ее, осуществляет синтез углеводов из воды и углекислого газа. Эти структуры называются хлоропластами. Форма хлоропластов различна: сферическая, яйцевидная, дискообразная, гантелеобразная. Это - самые крупные структуры клеток: их размеры достигают до 4-6 мкм. Хлоропласты клеток некоторых водорослей имеют форму ленты. В хлоропластах
Описанные клеточные структуры: рибосомы, полисомы, митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, хлоропласты - объединяют одним общим термином - органоиды*. Что касается ядра клетки, то оно окружено двухслойной мембраной, имеющей отверстия или поры, и в каждом из них имеется одно или несколько ядрышек. Поры соединены с канальцами эндоплазматической сети, что позволяет частицам гиалоплазмы* перемещаться внутрь ядра и, наоборот, из ядра.
Долгое время считалось, что между клетками дифференцированных организмов, то есть высших растений и животных, с одной стороны, и одноклеточных организмов (например, бактерий), с другой, больше различий, чем сходства. Действительно, в клетках высших организмов всегда четко просматривается ядро. В микробных же клетках увидеть ядро или похожие на него образования долго не удавалось. Но с развитием микроскопической техники удалось найти и в них структуры, подобные ядрам и так же, как ядра, несущие наследственную информацию. В них обнаружены также аналоги* митохондрий и рибосом. Таким образом, больших различий между клетками высших организмов и микроорганизмов не имеется.
Организмы, у которых ядра клеток четко оформлены и отделены от цитоплазмы ядерными оболочками, называют эукариотами. Организмы, у которых нет четко оформленных ядер, но в клетках имеются области, выполняющие функции ядер, называют протокариотами. К последним относятся бактерии, актиномицеты, синезеленые водоросли.
Клетки дифференцированных организмов отличаются по форме и нередко по своим функциям. Отличаются друг от друга, иногда довольно сильно, и клетки разных органов и тканей одного и того же организма. Но есть функции, присущие всем клеткам. Во всех клетках под контролем генетического аппарата осуществляется синтез белков*. Клетка, не синтезирующая белки, по сути дела мертва. Если клетка живет, то ее компоненты непрерывно меняются.
Основные виды веществ, из которых состоят и животные, и растительные клетки известны. Цитоплазма, ядро и оболочка клеток состоят преимущественно из белков, липидов, углеводов (сахаров и полисахаридов), витаминов, гормонов, органических кислот и других сложных органических соединений. В их состав входят также простые по своему химическому строению вещества, в частности, соли.
Для осуществления внутриклеточных процессов необходима энергия. В живых клетках энергетический обмен идет постоянно. Клетки обладают важнейшим для их жизни свойством - запасать и тратить энергию.
Каждая клетка существует в постоянном контакте с окружающими клетками или с окружающими организм веществами. Жизнь клетки, по существу, заключается в поглощении веществ извне, преобразовании этих веществ в нужные для ее жизни компоненты, передаче их в другие клетки, запасании их внутри данной клетки, а также выведении некоторых из них из организма. Этот обмен веществ тесно переплетен с энергетическим обменом. Он происходит под контролем генетического аппарата клеток, и следовательно, связан с обменом информацией.
На всех стадиях развития клетки осуществляется регулирование ее жизнедеятельности. Известно много способов регуляции жизнедеятельности клетки, включая генетическую регуляцию внутриклеточных процессов. Регуляция нужна и для обеспечения важнейшей функции живой клетки - свойства раздражимости, т.е. способности отвечать на воздействия, которым подвергается клетка извне.
Клетки способны не только изменять в ответ на внешние раздражения свой энергетический обмен, обмен веществ, строение, но и самоизлечиваться от повреждения их генетического аппарата и даже от повреждений внутриклеточных структур. Для этого в клетках имеются восстанавливающие ферменты. Последние синтезируются под контролем специальных генов*.
Особый интерес представляет способ размножения клеток. Ведь поколения растений и животных рождаются, умирают, сменяются, но их виды живут тысячелетия. При этом они сохраняют в основных чертах свои признаки неизменными. Каждое растение или животное оставляет после себя потомство, и этот процесс повторяется снова и снова. Преемственность организмов создает бессмертие видов.
В середине XIX в. немецкий ботаник В.Гофмейстер обнаружил в ядрах клеток традесканции своеобразные структуры, напоминавшие изогнутые палочки. Не зная их истинного назначения, ученый зарисовал их, но об их назначении не догадался. А ведь это были хромосомы !
В дальнейшем в делящихся клетках были замечены некоторые особенности в движении хромосом. Во-первых, было обнаружено расщепление их во всех делящихся клетках на две одинаковые части. Во-вторых, оказалось, что во всех случаях хромосомы распределялись между дочерними клетками точно поровну. Стоило этому процессу нарушиться, и организмы, у которых клетки получали неравное число хромосом, заболевали и умирали. В-третьих, было установлено, что каждому из видов животных и растений свойственно свое число хромосом в ядрах клеток. Нашлись организмы, у которых половые клетки содержали всего по одной хромосоме. А у некоторых организмов число хромосом в одном ядре достигает трехсот. В настоящее время установлено, что хромосомный набор - одна из важнейших характеристик живых организмов.
Процесс деления ядра, называемый митозом, в настоящее время изучен достаточно хорошо. Все стадии митоза имеют свои названия (рис. 2). О неделящемся, покоящемся ядре говорят, что оно находится в интерфазе, то есть фазе, являющейся промежуточной между двумя последовательными делениями. В ядре, находящемся в интерфазе, содержатся длинные, очень тонкие нити. Они составлены из полимерных молекул нуклеиновых кислот*, окруженных молекулами так называемых гистонных белков. В конце интерфазы перед митозом молекулы нуклеиновых кислот удваиваются. Рядом с имеющейся нитью выстраивается вторая такая же нить.
Первая стадия деления ядра называется профазой*. На этой стадии зернышки интерфазного ядра начинают перемещаться, причем их движение постепенно увеличивает свою интенсивность. Они уплотняются и увеличиваются в размерах. Затем нити скручиваются, приобретая форму спиралей. Они постепенно укорачиваются, утолщаются, и приобретают вид хромосом. Иногда удается заметить, что они расщеплены продольно и состоят из двух половинок. К моменту формирования хромосом в ядре, во-первых, исчезает ядрышко (или ядрышки), во-вторых, растворяется оболочка, и ядро начинает соприкасаться с цитоплазмой всей своей поверхностью.
В метафазе* хромосомы разворачиваются и выстраиваются в плоскости, рассекающей ядро по экватору*. Эту плоскость называют экваториальной пластинкой. С двух полюсов клетки* к каждой хромосоме тянутся особые нити. Они присоединяются к хромосомам не как попало, а только в определенных местах, там, где находятся светлые колечки - центромеры*. Другие концы нитей собраны в полюсах клетки, где находятся тельца, называемые центросомами. Хотя хромосомы к моменту выстраивания в экваториальной пластинке уже разделились пополам на две сестринские хроматиды*, они нередко еще сцеплены в одной точке (центромере). К концу метафазы все движения на мгновение замирают. Затем все центромеры делятся пополам, и каждая из половинок хромосом* оказывается свободной, снабженной своей центромерой и своей нитью. При этом хроматиды уже являются фактически дочерними хромосомами.
Наступает следующая стадия - анафаза*. Нити, укорачиваясь, тянут хромосомы к полюсам. И как только они собираются вместе, анафаза заканчивается, а ядро вступает в последнюю стадию деления - телофазу. Эта стадия обратна профазе. Хромосомы начинают удлиняться, утончаться, образуются хроматиновые нити, перепутываются и формируют клубок. Ядро превращается в интерфазное. Каждая из половинок разделившегося ядра обособляется своей оболочкой, снова появляются ядрышки, а через некоторое время по центру клетки воздвигается перегородка. Телофаза завершается полным обособлением образовавшихся дочерних клеток.
Продолжительность митоза в клетках разных организмов различна: иногда около часа, иногда короче. В яйцах плодовой мушки дрозофилы митоз завершается всего за 9 минут, у других организмов он продолжается дольше, но редко длится дольше полутора часов. Самая длительная стадия - профаза.
Наука, изучающая наследственность и изменчивость организмов называется генетикой*. Первые эксперименты, доказавшие существование индивидуальных наследственных факторов - генов*, были проведены и опубликованы выдающимся чешским ученым Грегором Иоганном Менделем* еще в 1865 г. Но широкому кругу ученых эти опыты стали известны только в начале XX в., после того как многие биологи* повторили их на самых различных животных и растениях.
В настоящее время известно, что и в цитоплазме*, и в ядре всегда находятся так называемые нуклеиновые кислоты. 
Среди них различают дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. ДНК встречается преимущественно в хромосомах ядра клетки, а РНК - как в ядре, так и в цитоплазме. Молекулы РНК отличаются от молекул ДНК: они меньше и состоят из меньшего количества звеньев - нуклеотидов*. В составе молекулы ДНК содержатся остатки сахара дезоксирибозы, а молекулы РНК - остатки другого сахара - рибозы. Отсюда и название этих кислот. Кроме того, в РНК нет тимина, он полностью заменен другим, похожим на него азотистым основанием - урацилом.
Нуклеиновые кислоты являются сложными биополимерами*. Входящие в их состав мономеры* (мононуклеотиды) значительно сложнее, чем аминокислоты* или моносахариды (рибоза и дезоксирибоза). Различия ДНК и РНК в строении небольшие, но эти кислоты значительно различаются по своим свойствам и биологическим функциям.
Молекулы нуклеиновых кислот очень велики, они содержат десятки, сотни и тысячи отдельных звеньев - нуклеотидов. Их последовательность в цепи (то есть первичная структура нуклеиновой кислоты) еще не определяет всех ее свойств. Очень важна вторичная структура - форма, которую приобретает реальная молекула нуклеиновой кислоты. Вторичную структуру молекулы ДНК установили английские ученые Д.Уотсон и Ф.Крик в 1958 г. Они же создали ее модель. Теперь она общепринята и называется моделью Уотсона-Крика.
Оказалось, что молекула ДНК находится в природе обычно в форме двойной спирали: две нити ДНК обвивают друг друга подобно двум переплетенным проводам (рис.6). В удерживании этих нитей от раскручивания основную роль играют водородные связи. Здесь они возникают между гетероциклическими основаниями. Для их образования в одной цепи должно быть "большое" основание (пурин), в другой - "малое" (пиримидин); в одной должно быть аминосоединение, в другой - кетосоединение. Вследствие этих условий реально могут существовать лишь две пары мононуклеотидов: если один из них содержит аденин, то второй - тимин; если один содержит гуанин, то второй - цитозин. Эти пары обозначаются соответственно А--Т и Г--Ц (рис. 7). Таким образом, если в молекуле ДНК имеется участок АТТЦАГГТ, то в соответствующей (или, как обычно говорят, в комплементарной, т.е. дополняющей ее) цепи будет участок ТААГТЦЦА.
Комбинации указанных четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК, образуют так называемый генетический код. Последний представляет собой особый химический язык, на котором записывается наследственная информация.
Причем основным хранителем наследственной информации являются именно молекулы ДНК: они обеспечивают способность живого вещества* к воспроизведению абсолютно точных копий. В процессе самовоспроизведения две полинуклеотидные нити, связанные в молекуле ДНК водородными связями, отходят друг от друга, и каждая из них становится основой (матрицей) для будущей новой молекулы. Благодаря притоку нуклеотидов из цитоплазмы каждая матрица строит дополнительную полинуклеотидную цепь и превращается в двухспиральную молекулу ДНК, полностью повторяющую химическое строение исходной материнской молекулы.
Основой жизни животных и растительных клеток являются белки*. Это - сложнейшие органические соединения, состоящие из большего или меньшего количества аминокислот*. Белки выполняют различные функции, и они достаточно разнообразны. Так, например, в мышечных волокнах содержится белок миозин, в эритроцитах - гемоглобин, в поджелудочной железе - инсулин и т.п. В обмене веществ в организме принимают участие белки, называемые ферментами. Синтез, т.е. образование белков происходит в цитоплазме клетки, а специфические особенности белков определяются генетической информацией, заключающейся в ДНК хромосом.
Синтез белков в цитоплазме происходит под контролем ДНК. В синтезе принимают участие молекулы трех различных видов рибонуклеиновых кислот. Одна из них, так называемая транспортная РНК, соединяется с активированными аминокислотами. Для активации используется энергия, которую вырабатывают в цитоплазме митохондрии*. Другая РНК, которую называют информационной, передает от молекул ДНК, находящихся в хромосомах, генетическую информацию о составе белка в рибосомы* цитоплазмы. На них и происходит собственно синтез белка. Третья РНК входит в состав рибосом и называется соответственно рибосомной. При синтезе белков реализуется теснейшая взаимосвязь между биохимическими* процессами в цитоплазме и ядре.
Синтез белков осуществляется рибосомами. Предварительно на каждом гене* в виде молекулы РНК синтезируется его копия. Эти копии, будучи особым образом "упакованными", через поры ядерной оболочки вытекают из ядра, попадают в цитоплазму* и соединяются с рибосомами, прикрепленными к канальцам эндоплазматической* сети. После того, как к ним подплывают молекулы РНК, несущие информацию от генов*, начинается синтез ферментов*. Готовые порции ферментов уходят в цитоплазму и там управляют реакциями*, протекающими в живой клетке*.
Каждый ген, т.е. каждый участок ДНК, управляет какой-то одной реакцией в цитоплазме клетки. Для этого под его контролем и синтезируется соответствующий фермент. Ферменты представляют собой белки. Их синтез происходит не в ядре, где находятся гены, а в цитоплазме. Ферменты являются исключительно сильными и специфическими катализаторами. Например, одна молекула фермента каталазы при нормальной температуре тела обеспечивает распад около 5 млн. молекул перекиси водорода в течение всего лишь одной минуты.
Удивительно высока специфичность ферментов, их "умение выбирать" определенные молекулы из ряда очень похожих. Фермент глюкозоксидаза окисляет лишь один определенный изомер глюкозы, не затрагивая не только других сахаров, но и других пространственных изомеров глюкозы. На одном из этапов биосинтеза белка происходит присоединение аминокислот к соответствующим макромолекулам. Осуществляющие эту реакцию особые ферменты безошибочно выбирают из 20 аминокислот* и из 20 очень сходно построенных макромолекул только нужные пары и соединяют их.
Белки - очень важный, но далеко не единственный вид биополимеров*. Биополимерами являются сахариды, составляющие основную массу растительного материала. Полисахариды, подобно белкам, построены из простых мономеров* - только роль мономеров* здесь играют не аминокислоты, а сахара (в первую очередь глюкоза). Две молекулы сахара путем отщепления молекулы воды соединяются, образуя дисахарид. Если соединяются между собой многие молекулы глюкозы, получится полисахарид, например целлюлоза, крахмал и гликоген. При этом может получиться длинная неразветвленная молекула (например, целлюлоза) или сильно разветвленная (например, крахмал или гликоген). В частности, из целлюлозы состоят оболочки растительных клеток.
Передача наследственной информации связана с процессом биосинтеза белков. Как было уже отмечено, строение синтезируемого белка предопределяется строением определенного участка соответствующей молекулы ДНК, которая находится в хромосоме клеточного ядра.
Предположим, что под влиянием каких-то факторов скрученная цепь молекулы ДНК начинает раскручиваться. Пусть она раскрутится сверху вначале на четыре звена. На освободившихся концах начинается построение вторых цепей. Рядом с А может оказаться лишь Т, рядом с Т -- А рядом с Ц -- Г и т.д.
Когда две цепи исходной молекулы ДНК полностью раскрутятся, и каждая из них дополнится вновь синтезированной цепью, (обвивающейся вокруг половины старой двойной спирали), получатся вместо одной две совершенно одинаковые двойные спирали: у каждой из них одна нитка образовалась из "старой" молекулы, другая синтезирована вновь. Таким образом, получается точная копия исходной молекулы ДНК.
Конечно, одного свойства самовоспроизведения еще недостаточно, чтобы ДНК могла определить передачу наследственных признаков. Последовательность мононуклеотидов в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемых организмом белках, в первую очередь в ферментах. Эту зависимость включения в белок той или иной аминокислоты от определенной последовательности нуклеотидов и называют генетическим кодом.
К его особенностям относится, прежде всего, то, что каждой аминокислоте соответствует определенная последовательность трех расположенных рядом нуклеотидов, так называемых триплетов нуклеотидов. Например, триплет ТТТ соответствует аминокислоте фенилаланину, триплет ГЦУ - аланину и т.д. Большинство аминокислот кодируется двумя-тремя сходными триплетами. Последние являются как бы сигналами начала или конца образования пептидной* цепи белка (фермента). Таким образом, все многообразие растений, животных и человека закодировано в очень длинных молекулах дезоксирибонуклеиновых кислот.
Таким образом, каждый ген состоит из молекулы ДНК, в которой закодировано строение соответствующей пептидной цепи (в частности, строение какого-то фермента). Каждой аминонокислоте соответствует определенный триплет нуклеотидов.
При синтезе новой молекулы белка протекает несколько процессов. Сначала на молекуле ДНК, как на матрице, синтезируется особая, более короткая (содержащая обычно несколько сотен мономеров) молекула РНК. Она выполняет роль передатчика информации, ее так и называют информационной и обозначают и-РНК. В отличие от скрученной из двух ниток ДНК она представляет собой длинную одноцепочечную молекулу. Образовавшееся молекула и-РНК несет на себе часть информации, хранящейся в длинной молекуле ДНК и закодированной четырьмя элементами: А, Г, Ц, У.
Длинная лента с закодированной записью поступает в рибосомы* клетки. Они состоят из белков* и нуклеиновых кислот*. Обычно и-РНК проходит последовательно через несколько рибосом, связанных вместе и называемых полисомами*. Последние представляют собой своего рода конвейеры, на которых происходит "сборка" белка из соответствующих "деталей" - аминокислот.
В процессе "сборки" рибосомы медленно вращаются. Перед этим в порядке подготовки аминокислоты взаимодействуют с особым веществом - аденозинтрифосфатом (АТФ). В нем все организмы накапливают энергию, а взаимодействующие с ним аминокислоты активизируются, превращаясь в аминоациладенилаты (ААА).
Активизированные аминокислоты под влиянием соответствующих ферментов вступают во взаимодействие с транспортными рибонуклеиновыми кислотами. Они обозначаются т-РНК. Существует более 20 видов различных т-РНК. Каждая из них содержит около 80 нуклеотидов*, способных присоединять лишь одну определенную аминокислоту и "транспортировать" ее к месту "сборки". Для некоторых аминокислот найдено по две и более т-РНК, но пока неясно различие их функций.
Роль рибосом заключается в том, что они помогают установить пространственное соответствие между участками и-РНК и т-РНК. Участок и-РНК, кодирующий одну аминокислоту, соединяется с соответствующим участком т-РНК. Если они совпадают, то присоединенная к т-РНК аминокислота присоединяется к цепи строящегося белка. Продвигаясь вдоль по цепи и-РНК, рибосома последовательно подставляет нужные т-РНК с аминокислотами, выполняя роль "контроля" генетической записи.
Транспортные РНК с присоединенными аминокислотами поступают в рибосому или полисому. Последние можно сравнить с автоматическим конвейером, на который поступают детали (аминокислоты, связанные с т-РНК) и технологическая карта (информационная РНК).
В рибосомах имеются участки, на которых каждая т-РНК останавливается и ждет момента, когда по сигналу и-РНК, то есть согласно "технологической карте", соответствующая аминокислота включается в создаваемую на рибосоме пептидную цепь. Эта цепь строится присоединением аминокислот по карбоксильным группам начатой цепи. Когда создание белковой молекулы завершено, в и-РНК появляется триплет УАА, кодирующий окончание биосинтеза заданного "технологической картой" белка. При этом белковая молекула выходит из рибосомы и свертывается присущим ей образом. На этом формирования белка заканчивается.
Удивительно, что все белки (в клетках микробов, растений, животных, человека) состоят в основном из 20 аминокислот. У всех их молекул есть общая часть. Она содержит по две реакционноспособные группы: аминогруппу NH2 и карбоксильную группу COOH. Обе они достаточно легко вступают в реакции. Путем отщепления одной молекулы воды от двух аминокислот получается более сложное соединение с характерной группировкой атомов*: -- CO -- NH -- (называемой амидной или пептидной).
В полученном соединении (дипептиде) тоже есть свободная аминогруппа и свободный карбоксид. При взаимодействии дипептида с аминокислотами и другими пептидами могут образовываются полипептиды - полимеры. Их характерная особенность состоит в том, что они построены из остатков аминокислот и содержат амидные (пептидные) связи.
Как обнаруженных в природе, так и синтезированных пептидов* известно достаточно много. В их состав входят десятки аминокислот. Например, гормон*, регулирующий деятельность надпочечников, содержит 39 остатков аминокислот.
По такому же принципу построены белки - это уже полипептиды сложного строения и большого молекулярного веса. В отличие от обычных полимеров, с определенной последовательностью мономеров* в цепи, все белки отличаются друг от друга последовательностью остатков различных аминокислот вдоль цепи. Последовательность, в которой соединяются между собой различные аминокислоты, называют первичной структурой белка (полипептида).
В настоящее время известны первичные структуры более 200 белков*. Некоторые из них содержат по нескольку сотен остатков аминокислот. Эти остатки, взаимодействуя между собой, образуют определенные пространственные структуры (например, спиральные). Образование водородных связей и определенные пространственные ограничения приводят к тому, что длинная полипептидная цепь легко свертывается в спираль. На каждые три витка такой спирали приходится около 11 аминокислот. В результате этого длинные цепи белков имеют вид толстых спиралей (рис. 2). Cуществуют и другие формы вторичной структуры белков.
Cпирали белков, взаимодействуя между собой, образуют очень сложный, но строго определенный по форме клубок. Размещение спиралей в таком клубке называют третичной структурой белка (рис. 3.5).
Иногда сложившиеся определенным образом громадные молекулы белка взаимодействуют между собой и как бы слипаются. Такое слипание белков называют четвертичной структурой. Существенно, что небольшие изменения во вторичной, третичной и четвертичной структурах белка меняют характер его биологического* действия.
Все это позволяет природе создавать самые разнообразные составляющие растений и животных.
Современные достижения в области исследования клеток и их функций связаны с так называемым клонированием - получением нового животного, но не обычным (половым) способом, а манипуляциями с одной единственной клеткой* животного-"родителя".
23 февраля 1997 года шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клеток взрослой овцы ее генетически идентичную копию - знаменитого теперь на весь мир ягненка Долли. Теперь это уже взрослая овца Долли. Фактически она не имеет отца - ей дала начало клетка, содержащая набор генов* матери.
Известно, что любая клетка взрослого организма (так называемая соматическая клетка) несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только половину генов, и при зачатии эти половинки (отцовская и материнская) соединяются. В результате получается новый организм.
Получение же нового животного из соматической клетки - это создание генетически тождественного существа в процессе, который называется клонированием.
Простейшее клонирование существует в природе и известно давно - это размножение бактерий* и амеб. Каждая из них производит несколько клеток, генетически идентичных ей самой и называемых клонами.
В 1960-х годах научились клонировать растения. Если растительную клетку лишить ее прочной оболочки и обработать ростовыми гормонами, то она начинает делиться, образуя сначала колонии клеток, а потом так называемый каллус - скопление делящихся клеток. Любая из них может дать начало новому растению. Если пересадить кусочек каллуса в почву, то вырастает растение, генетически идентичное материнскому.
Но неполовые клетки взрослого организма отличаются от половых не только тем, что они содержат двойной набор генов: это клетки, которые уже прошли специализацию, или дифференцировку. Каждая клетка взрослого организма имеет свойственную ей структуру и выполняет соответствующие функции. Например, клетка печени отличается от нервной клетки, а красная кровяная клетка - эритроцит - не имеет ядра, следовательно, и наследственного вещества - ДНК. Вполне очевидно, что получить новое животное можно далеко не из каждой клетки организма-предшественника. Как же удалось решить эту проблему шотландским ученым ?
 Рис. 3.7. Знаменитая на весь мир овца Доли, полученная путем клонирования |  Рис. 3.9. Схема клонирования растения |
Известно, что в дифференцированных клетках происходят изменения, причем и внешние, и внутренние. Например, у нервной клетки появляются отростки, по которым передается нервный импульс; у них же значительно изменяется ДНК - часть генов "выключается", другая часть продолжает выполнять свои функции. Такое "выключение" генов сопровождается химическими изменениями в ДНК. Наблюдаются и более глубокие, так называемые структурные, изменения. Например, в неполовых клетках по мере их деления укорачиваются концы хромосом, в результате чего клетка бесконечно делиться не может и в какой-то момент погибает.
 Рис. 3.10. Внесение чужеродной ДНК в " пустую " яйцеклетку |
 Рис. 3.11. Имплантация яйцеклетки овце-реципиенту |
Таким образом, между дифференцированной и недифференцированной клетками организма достаточно серьезные отличия. Работа шотландских ученых проделана именно на дифференцированной клетке взрослого организма.
Ключевым моментом в процессе клонирования было получение в лаборатории культуры эмбриональных клеток - недифференцированных клеток организма. Они размножаются "в пробирке" неограниченно долгое время, и их в любой момент времени можно пересадить животному-реципиенту.
Стволовые эмбриональные клетки овцы были получены в лаборатории за год до Долли. Ведь в такие стволовые клетки можно пересаживать разные гены, изменять их в нужном направлении, чтобы потом выращивать животных с "заказанным" генотипом. До работ Вильмута подобные эксперименты удавались только с мышами.
Ян Вильмут с сотрудниками проделали три серии генетических манипуляций на овцах. Вначале они пересадили генетический материал недифференцированных клеток эмбриона в "пустую" яйцеклетку овцы, то есть в клетку, из которой предварительно удалили ядро. Затем яйцеклетку имплантировали овце-реципиенту и с ее участием получили потомство - четырех ягнят. Затем получили трех ягнят из дифференцированных клеток зародыша овцы, пересаженных в яйцеклетку. И, наконец, используя клетку молочной железы беременной овцы, получили из нее культуру размножающихся в "пробирке" клеток. Генетический материал этих клеток поместили в яйцеклетку, которую пересадили овце-реципиенту. В результате всех этих манипуляций и появилась овца, названная именем Долли.
Прежде чем удалось получить жизнеспособный эмбрион, давший начало Долли, экспериментаторы израсходовали 236 яйцеклеток овец. Долли - единственное на сегодня млекопитающее, у которого нет отца, но зато три матери: овца, которая дала свой генетический материал, овца, от которой взяли яйцеклетку; и овца-реципиент, которая вынашивала знаменитого ягненка.
Получить генетически идентичную копию можно только от организма женского пола: в шотландском эксперименте ядра пересаживали в яйцеклетку, ибо именно цитоплазма яйцеклетки, то есть та часть клетки, которая не содержит ядра, и стимулирует развитие зародыша. Кроме того, и в самой цитоплазме яйцеклетки имеется некоторое количество генетического материала, передаваемого зародышу только от матери и обусловливающего материнскую наследственность. В сперматозоиде же такой ДНК нет.
Именно поэтому любое животное (а также и человек) получают генетической информации от матери больше, чем от отца.
Продолжающиеся эксперименты ученых разных стран позволяют надеяться, что техника клонирования животных будет со временем разработана детально, и в дальнейшем специалисты научаться размножать таким способом лучшие породы сельскохозяйственных животных. И тогда элитных коров, свиней, овец и других животных будут серийно воспроизводить на специальных фабриках.
Ученые надеяться, что клонированием удастся решить проблемы сохранения редких видов животных. Например, на Дальнем Востоке практически исчезли леопарды, а природные условия теперь там уже таковы, что их естественное размножение практически невозможно. Если шотландский эксперимент удастся развить, то, очевидно, можно будет даже восстанавливать вымершие виды, ведь в ископаемых останках их ДНК сохранилась. Возможно, они не будут идентичны тем, которые жили на Земле миллионы лет назад, полностью, но какие-то признаки можно будет восстановить.
Появление Долли поставило на повестку дня вопрос о допустимости распространения клонирвания на людей. Ян Вильмут высказался против этого. В Англии сочли нужным законодательно запретить подобные эксперименты. В США проблемой клонирования людей поручено заняться национальной комиссии по биоэтике.
Успех эксперимента с Долли позволяет надеяться, что теоретическая возможность клонирования людей существует, но воспользуется ли человечество этой возможностью - этот вопрос остается на сегодня открытым.