Наследственную информацию, определяющую развитие и вообще всю жизнедеятельность клетки, хранят молекулы особых веществ – нуклеиновых кислот. Название «нуклеиновая» происходит от латинского слова «nucleus», означающего «ядро». Дело в том, что у высокоразвитых клеток, имеющих много органов, наследственный материал упакован в ядро, которое можно сравнить со шкафом, а то и с сейфом. Согласитесь, что в шкафу или сейфе ценности будут сохраннее, верно? Молекулы нуклеиновых кислот, находящиеся в ядре, лучше защищены от повреждения, нежели их «сестры», плавающие в цитоплазме. А чем опасно повреждение молекулы, хранящей наследственную информацию? Изменением этой информации оно опасно. Молекулы нуклеиновых кислот могут восстанавливаться после повреждения (мать-природа дала им такую возможность), но любое восстановление чревато ошибками. С одной стороны, эти ошибки могут оказаться полезными, если приведут к возникновению каких-то полезных признаков, повышающих приспособленность организма к окружающей среде, а с другой – это еще бабушка надвое сказала, полезной окажется ошибка или же нет. Так что лучше не рисковать и хранить информацию в сейфе.
Клетки-эукариоты, наследственная информация которых упакована в ядро, в эволюционном отношении являются более молодыми, чем клетки-прокариоты, у которых ядер нет. Чем проще строение организма, тем он древнее – это общее эволюционное правило. Мы с вами, а также большинство живых организмов, кроме одноклеточных бактерий и близких к ним архей, относимся к эукариотам. Впрочем, вирусам совершенно безразлично, в каких клетках обитать – ядерных или безъядерных. Главное, чтобы был домик, а при нем – амбар с запасами всего необходимого.
Молекулы нуклеиновых кислот могут содержать остатки одного из двух сахаров – рибозы или дезоксирибозы. Разница между двумя сахарами небольшая – всего в один атом кислорода. «Дезокси-» переводится с латыни как «отсутствие атома кислорода», то есть дезоксирибоза – это рибоза без одного атома кислорода. От названия сахарного остатка образуются названия кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). С химической точки зрения разница между ДНК и РНК заключается в наличии или отсутствии одного атома кислорода в сахарном остатке. Не такая уж и большая разница, верно? Но с генетической точки зрения разница между ДНК и РНК огромна. Молекула ДНК – хранитель наследственной информации и организатор ее передачи по назначению. Да, и организатор тоже, поскольку именно в молекуле ДНК записан процесс считывания закодированной в ней информации. А молекулы РНК играют вспомогательную роль – служат матрицами для синтеза белков, проявляют ферментативную активность, занимаются транспортом белков внутри клетки. Но у многих вирусов РНК играет роль ДНК, то есть является хранителем наследственной информации. По типу хранилища вирусы подразделяются на РНК-содержащие и ДНК-содержащие. Подавляющее большинство вирусов содержат РНК.
Что конкретно понимается под словами «наследственная информация»? Это информация о строении всех клеточных белков и РНК, а также информация о системах регуляции их синтеза.
Молекулы ДНК и РНК состоят из повторяющихся блоков, которые называются нуклеотидами. Нуклеотиды можно сравнить с буквами, которыми записывается наследственная информация. Всего букв пять, три из них универсальные, то есть – содержатся и в молекулах РНК, и в молекулах ДНК, четвертая присутствует только в ДНК, а пятая – только в РНК. Посмотрите на себя в зеркало и представьте, что вся информация о вас, таком симпатичном, умном, совершенном во всех отношениях и абсолютно уникальном человеке, записана при помощи четырех букв.
Но этого вполне достаточно, ведь комбинация из четырех элементов дает десять тысяч вариантов, вдобавок эти четырехэлементные комбинации комбинируются друг с другом в различных сочетаниях, что дает невероятно большое, можно сказать – стремящееся к бесконечности, количество вариантов.
Молекулы ДНК не просто огромные, они гигантские. Число атомов в молекуле ДНК может доходить до десяти миллиардов. Природа стремится к компактности, поэтому гигантская молекула ДНК состоит не из одной, а из двух цепочек, которые закручены вокруг своей оси в спираль, образуя что-то вроде двойной пружины. Молекулы РНК гораздо меньше и, в большинстве своем, состоят из одной цепи.
Вам, наверное, доводилось слышать слово «хромосома». Хромосомой называется комплекс из молекулы нуклеиновой кислоты и нескольких молекул белка. В этом комплексе молекула нуклеиновой кислоты выступает в роли госпожи, а белковые молекулы – в роли обслуживающего персонала.
В «ядерных» клетках-эукариотах хромосомы, имеющие вид длинных тонких нитей, собираясь вместе, образуют ядро. Изначально этот термин был предложен для обозначения структур, выявляемых в клетках-эукариотах, но в последнее время все чаще говорят о бактериальных или вирусных хромосомах. Давайте договоримся, что мы слово «хромосома» вообще употреблять не станем, а станем просто говорить о молекулах ДНК и РНК. Сейчас мы упомянули о хромосомах только для того, чтобы это слово, встреченное в других источниках знаний, не ставило бы вас в тупик.
Участок молекулы ДНК или РНК, содержащий информацию об одном отдельном белке, то есть – об одном признаке организма, называют геном. Чем сложнее организм, тем большее количество генов содержится в его «досье», которое называется геномом. Геном человека содержит около 28 000 генов, а у крошки-цирковируса (вируса из семейства цирковидовых) – генов всего два. Кстати говоря, название семейства происходит не от слова «цирк», а от латинского слова «circus», означающего «круг». Дело в том, что одноцепочечная молекула ДНК этих вирусов замкнута в кольцо. В цирках же если и обитают какие-то вирусы, то это вирусы хорошего настроения, до изучения которых у вирусологов пока еще руки не дошли.
Считывание информации с молекулы нуклеиновой кислоты происходит довольно просто – по молекуле «ползет» молекула специально уполномоченного фермента, которая считывает информацию и на ее основании синтезирует молекулу белка или же РНК-матрицу для синтеза белковых молекул. На небольшой РНК-матрице удобнее производить молекулы белка, чем на огромной ДНК-матрице, опять же молекула ДНК, кодирующая данный белок, присутствует в клетке в единственном экземпляре, а РНК-матриц можно «наштамповать» сколько угодно.
В любой живой клетке на основе наследственной информации постоянно что-то да синтезируется.
Сказки про Кощея Бессмертного все помнят? «На море на океане есть остров, на том острове дуб стоит, под дубом сундук зарыт, в сундуке – заяц, в зайце – утка, в утке – яйцо, в яйце – игла, смерть Кощея». Игла – это ДНК, яйцо – клеточное ядро, заяц и утка обозначают цитоплазму, а сундук – это клеточная мембрана, которая ограничивает содержимое клетки и отделяет клетку от внешней среды. Есть клетки, не имеющие ядра и каких-либо клеточных органов, называемых органеллами или органоидами. Но без оболочки, внутренней среды и досье с наследственной информацией клетки быть не может.
Клеточная мембрана – это «умная» оболочка, которая пропускает в клетку нужные вещества и не пропускает ненужные или вредные. По-научному это явление называется избирательной проницаемостью.
Клеточные мембраны