Посмотрим в микроскоп

КЛЕТКА называется основной единицей жизни. И справедливо, поскольку живые существа: растения, насекомые, животные и люди — все состоят из клеток. Много лет ученые изучают работу внутренних клеточных механизмов и раскрыли многие секреты молекулярной биологии и генетики. Давайте приглядимся к клеткам и рассмотрим, что наука открыла об этих удивительных микроскопических единицах жизни.

Под микроскопом

Клетки различаются по форме. Есть прямоугольные, есть и квадратные. Встречаются круглые клетки, яйцевидные и бесформенные. Амеба — одноклеточный организм — вообще не имеет определенной формы. Передвигаясь, она постоянно видоизменяется. Интересно, что о функции клетки часто можно судить по ее форме. Например, некоторые мышечные клетки длинные и тонкие, а совершая работу, они сокращаются. Нервные клетки, передающие сигналы внутри организма, имеют длинные отростки.

Различаются клетки и по размеру. Большинство из них настолько малы, что не видны невооруженным глазом. Чтобы получить представление о размерах средней клетки, посмотрите на точку в конце этого предложения. В этом едва заметном пятнышке поместятся около 500 клеток средней величины! Если такие масштабы кажутся мизерными, то что говорить о клетках бактерий, которые примерно в 50 раз меньше средних. А какая клетка самая большая? Желток страусиного яйца — одноклеточный «гигант» размером с теннисный мяч!

Поскольку большинство клеток не видны невооруженным глазом, ученые изучают их с помощью различных приборов, таких, как микроскопa. Но даже он не позволяет четко различить некоторые замысловатые детали. Так, электронный микроскоп способен увеличить клетку примерно в 200 000 раз — при таком увеличении длина муравья составила бы почти километр. И тем не менее какие-то детали клетки остаются невидимыми!

Такая техника позволила ученым увидеть, что клетка невероятно сложна. В своей книге «Пятое чудо» («The Fifth Miracle») физик Пол Дейвис говорит: «В каждой клетке неимоверное число мельчайших структур, которые, можно подумать, взяты непосредственно из какого-то технического справочника. Множество микроскопических пинцетов, ножниц, насосов, моторов, рычагов, труб, цепей и даже транспортных средств. Но клетка — это, конечно, не просто мешок с разными приспособлениями. Различные компоненты соединяются в исправно работающее целое, которое напоминает многоэтапную конвейерную линию».

ДНК — молекула наследственности

Первоначально человек, как и многоклеточные растения и животные, представляет собой одну-единственную клетку. Достигнув определенных размеров, клетка делится и образует две клетки. Затем делятся эти две и образуют четыре. Клетки по мере деления специализируются, становясь клетками кожи, мышечными, нервными и так далее. В ходе этого процесса многие клетки группируются и образуют ткани. Так, мышечные клетки соединяются и составляют мышечную ткань. А из различных видов тканей формируются органы: сердце, легкие, глаза и так далее.

Под тонким покрытием каждой клетки находится желеобразная жидкость, которая называется цитоплазмой. В цитоплазме расположено ядро, отделенное от нее тонкой мембраной. Ядро, которое управляет почти всеми процессами в клетке, служит ее центром управления. Внутри ядра размещена клеточная генетическая программа, записанная на дезоксирибонуклеиновой кислоте, или сокращенно ДНК.

Молекулы ДНК хранятся в клеточных хромосомах в виде туго скрученных спиралей. Наши гены, представляющие собой участки молекул ДНК, содержат всю информацию, необходимую, чтобы сделать нас такими, какие мы есть. «Генетическая программа, носителем которой является ДНК, делает каждое живое существо отличным от всех остальных живых существ,— объясняется в энциклопедии «Уорлд бук».— Благодаря этой программе собака отличается от рыбы, зебра — от розы, а ива — от осы. Она делает вас отличным от всех остальных людей на земле».

ДНК одной-единственной клетки заключает в себе ошеломляющий объем информации. Эти сведения заняли бы приблизительно миллион страниц формата этого листа! Поскольку ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одного поколения клеток к другому, эту кислоту можно сравнить с генеральным планом всей жизни. Но как выглядит ДНК?

ДНК состоит из двух скрученных нитей (цепей) и по форме напоминает винтовую лестницу. Эти две цепи связаны между собой комбинациями из четырех химических соединений — оснований. Каждое основание на одной цепи составляет пару с основанием на другой цепи. Эти пары образуют ступеньки крученой лестницы. Точное чередование оснований в молекуле ДНК определяет генетическую информацию, которую она несет. Говоря проще, от последовательности ступенек зависят практически все характерные черты вашей внешности, от цвета волос до формы носа.

ДНК, РНК и белок

Белки — самые многочисленные макромолекулы, встречающиеся в клетках. По оценкам, они составляют более половины сухого веса большинства организмов! Белки построены из блоков меньшего размера — из аминокислот. Некоторые из них вырабатываются организмом, другие мы получаем с пищей.

Белки выполняют много функций. Например, гемоглобин — белок, находящийся в красных кровяных клетках,— транспортирует в организме кислород. Антитела помогают организму давать отпор болезням. Другие белки, такие, как инсулин, способствуют усвоению пищи, а также регулируют различные функции клетки. Всего в нашем теле могут насчитываться тысячи видов белков. Лишь в одной клетке их бывает до нескольких сотен!

Каждый белок выполняет определенную функцию, заданную его геном на ДНК. Но как дешифруется заложенная в ДНК генетическая информация, необходимая для создания того или иного белка? На схеме «Как вырабатываются белки» показано, что генетическая информация, хранимая в ДНК, в первую очередь должна быть перенесена из клеточного ядра в цитоплазму, где расположены рибосомы, или «фабрики» по производству белков. Перенос информации осуществляет посредник — рибонуклеиновая кислота (РНК). В цитоплазме рибосомы «считывают» записанные на РНК инструкции и для получения определенного белка собирают аминокислоты в той или иной последовательности. Итак, между ДНК, РНК и образованием белков существует взаимозависимость.

С чего все началось?

Генетика и молекулярная биология привлекают ученых уже не одно десятилетие. Физик Пол Дейвис скептически относится к идее, что все создано Творцом. И все же он признает: «В общей системе каждой молекуле отведена конкретная функция и четко определенное место, что обеспечивает выработку нужных веществ. В клетке наблюдается оживленное движение. Для выполнения своих задач молекулы должны перемещаться по клетке, чтобы в нужном месте и в нужное время встретиться с другими молекулами. При этом никакое начальство не дает им указаний и не направляет их к местам назначения. Никто не следит за их работой. Молекулы просто делают то, что от них требуется: бросаются в разные стороны, наскакивают друг на друга, отскакивают, сливаются воедино. [...] Лишенные разума атомы каким-то загадочным образом действуют сообща и с безукоризненной точностью исполняют танец жизни».

Не случайно многие из тех, кто изучал работу внутренних механизмов клетки, приходят к выводу, что она создана некой разумной силой. Давайте посмотрим, почему они так считают.

[Сноска]

[Рамка/Схема, страница 5]

Заглянем в клетку.

Внутри каждой клетки есть ядро — центр ее управления. В ядре содержатся хромосомы, состоящие из туго скрученных молекул ДНК и белков. Наши гены располагаются на этих молекулах ДНК. Рибосомы, фабрики по производству белков, находятся в окружающей ядро цитоплазме клетки.

[Схема]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Клетка

Рибосомы

Цитоплазма

Ядро

Хромосомы

ДНК — лестница жизни

[Схема, страница 7]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Как ДНК реплицируется

Для удобства ДНК показана в «сплющенном» виде.

1. Прежде чем клетки поделятся, воспроизведя следующее поколение клеток, они должны реплицировать (скопировать) ДНК. В первую очередь белки помогают «расстегнуть» участки двойной цепи ДНК.

Белок

2. Затем, следуя строгому правилу спаривания оснований, свободные (доступные) основания в клетке вступают в связь с соответствующими им основаниями на двух первоначальных цепях.

Свободные основания

3. В итоге получается дубликат кода. Итак, когда клетка делится, каждая новая клетка получает точно такой же код ДНК.

Белок

Белок

Правило спаривания оснований ДНК:

А всегда с Т

А Т Тимин

Т А Аденин

Ц всегда с Г

Ц Г Гуанин

Г Ц Цитозин

[Схема, страницы 8, 9]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Как вырабатываются белки

Для простоты взят белок, составленный из 10 аминокислот. Большинство белков состоят из 100 с лишним аминокислот.

1. Особый белок «расстегивает» участок двойной цепи ДНК.

Белок

2. Свободные основания РНК вступают в связь с открытыми основаниями ДНК на одной цепи, за счет чего образуется цепь информационной РНК (и-РНК).

Свободные основания РНК

3. Новообразованная и-РНК отсоединяется и направляется к рибосомам.

4. Транспортная РНК подбирает аминокислоту и перемещает ее в рибосому.

Транспортная РНК

Рибосома

5. Рибосома скользит по и-РНК, и аминокислоты связываются в цепь.

Аминокислоты

6. Формируясь, белковая цепь складывается так, чтобы надлежащим образом выполнять нужную функцию. Затем рибосома освобождает цепь.

У транспортной РНК есть два важных окончания:

одно узнает и-РНК по коду,

другое несет нужную аминокислоту.

Транспортная РНК

Основания РНК используют У, а не Т, поэтому У спаривается с А.

А У Урацил

У А Аденин