Репликация ДНК и размножение клеток

Процесс биосинтеза белка – транскрипция и трансляция – это по сути реализация имеющейся в клетках генетической информации, направленная на рост клеток и межклеточных структур, в итоге – на построение тела организма.

Но, кроме синтеза белков, индивидуальное развитие включает размножение клеток, а через половые клетки – и размножение самих организмов. Для этого необходим механизм воспроизведения генетической информации. Копирование генетической программы осуществляется посредством репликации ДНК в цикле деления клетки (рис. 14).

Репликация (от латинского replicatio – повторение) означает процесс матричного синтеза молекулы ДНК, ведущий к ее самовоспроизведению (удвоению). Материнская молекула ДНК раскручивается и с помощью фермента ДНК-полимеразы достраивается по обнаженным цепям свободными нуклеотидами.

Как и при синтезе РНК, подбор парных нуклеотидов идет по принципу комплементарности: аденин – тимин, гуанин – цитозин. В результате происходит образование двух молекул ДНК, которые идентичны друг другу и, в то же время, повторяют материнскую молекулу. При этом каждая вновь образованная молекула содержит одну старую и одну новую цепочки нуклеотидов (полуконсервативный механизм).

Когда в 1953 г. Уотсон и Крик показали возможность копирования ДНК по принципу комплементарности, научная общественность была в шоке – настолько неожиданно прост и надежен оказался механизм наследственности!

Не столько сама структура ДНК, сколько вытекающий из нее механизм самокопирования представлял наибольший интерес в их открытии. В 1962 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик вместе с Морисом Уилкинсом (именно его рентгенограммы ДНК использовались для обоснования биспиральной модели) были удостоены Нобелевской премии.

Ядерная ДНК находится в составе хромосом (от греческих chroma – цвет, окраска и soma – тельце). Эти структуры хорошо окрашиваются специальными красителями и отчетливо видны во время деления клетки.

Каждая хромосома представляет одну гигантскую (до нескольких сантиметров длиной!), плотно свернутую молекулу ДНК, подразделенную на информационные участки – гены. Обычно полный комплект генов распределен в несколько хромосом разной величины, число которых строго специфично для каждого вида животных или растений (хромосомный набор, или кариотип вида).

У человека в разных хромосомах содержится от сотен до нескольких тысяч генов, а всего в хромосомном наборе человека имеется порядка 60 тысяч разных генов (соответственно, столько же видов белков функционируют в нашем организме).

Начиная от зиготы, во всех поколениях клеток имеется один и тот же набор хромосом, причем этот набор двойной, или диплоидный. Диплоидность возникает в момент оплодотворения – один хромосомный набор дает яйцеклетка, а второй – сперматозоид.

Так, у человека в каждой соматической клетке содержится 23 хромосомы от матери и 23 такие же (за исключением одной – половой хромосомы) от отца; всего диплоидный набор человека составляет 46 хромосом, или 23 пары хромосом.

Таким образом, каждый признак, то есть каждый белок, закодирован в клетке не одним, а двумя генами, от двух гомологичных (одноименных) хромосом. О преимуществах такого дублирования генов мы еще поговорим при рассмотрении полового размножения.

В цикле деления клетки в результате репликации ДНК в каждой хромосоме становится по 2 молекулы ДНК, а сами хромосомы приобретают вид Х-образных телец, так как состоят из 2 равных половинок – хроматид. Таким образом, число одинаковых генов в клетке временно становится равным четырем.

Далее проходит митоз – так называется процесс разделение хромосом на отдельные хроматиды (теперь они становятся самостоятельными хромосомами) и, далее, деление самой клетки надвое (см. рис. 14). В результате митоза в дочерних клетках воспроизводится исходный диплоидный набор хромосом, поэтому каждая дочерняя клетка обладает той же информацией о белках, что и материнская клетка.

Деление клеток приводит к увеличению их числа. В крупных организмах насчитываются миллионы, миллиарды и триллионы клеток. На этой основе возможна дифференциация клеток – появление структурно-функциональных различий между ними.

В дифференцированных клетках синтезируются разные РНК и белки, строятся разные рабочие структуры, в итоге клетки имеют разный вид и выполняют разные функции. У человека в различных органах и тканях насчитывают более 200 типов клеток: разнообразные нервные, мышечные, эпителиальные, кровяные, опорные и другие клетки.

Таким образом, индивидуальное развитие отдельной клетки или целого организма слагается из 2 процессов: размножения и роста.

Соответственно этому на молекулярном уровне процесс развитие включает 2 операции:

• репликация ДНК – копирование генотипа;
• синтез белков тела клетки или организма – построение фенотипа.

Так что все живые организмы представляют неразрывное единство фенотипа и генотипа, то есть сомы (тела) и программы ее развития (ДНК), передающейся по наследству (соматическая и наследственная плазма Вейсмана).

Теперь схему центральной догмы молекулярной биологии можно дополнить механизмом репликации ДНК, после чего она будет иллюстрировать всю молекулярно-биологическую сущность индивидуального развития (рис. 15).

Внимательный читатель заметит, что рассмотренная схема индивидуального развития отражает только его генетическую (внутреннюю) сущность. Но еще в начале мы сказали (устами самого памятливого школьника), что внешний облик организма – его фенотип – зависит не только от генотипа, но и от условий среды.

При этом «условия среды» понимаются в широком смысле: это все, что так или иначе влияет на работу генов. Запомним это важное положение и вернемся к нему при рассмотрении механизмов эмбрионального развития, а пока продолжим разговор о размножении, но от клеток перейдем к целым организмам.