Зачем клетке гены?

Если верить социологическим опросам, то многие люди до сих пор убеждены, что гены присутствуют только в генетически модифицированных (ГМО) организмах и продуктах, а в «обычных» — нет… Поэтому, прежде чем перейти к волнующей теме генетических нарушений в опухоли, давайте вспомним, как устроена живая клетка в человеческом организме и зачем ей нужны гены.

Клетка — элементарная единица живой материи (оставим споры о вирусах специалистам). В качестве минимального «атома жизни» она обладает, в той или иной степени, всеми признаками живой материи — растет, размножается (делится), обменивается веществом и энергией с окружающей средой и приспосабливается к ее изменениям. Существуют два основных типа клеток — «безъядерные» (прокариотические), например бактерии, и «ядерные» (эукариотические) — некоторые одноклеточные и все многоклеточные организмы. Нас, в контексте разговора о раке, будет интересовать главным образом второй — эукариотический — тип.

Одноклеточный организм похож на простейшее сельское домохозяйство Средневековья, которое обеспечивало себя буквально всем — от одежды и обуви до пропитания, а в обмен с «внешними» вступало только в случае крайней необходимости. (Например, крестьяне продавали часть припасов на городских рынках, чтобы на вырученные деньги купить у кузнецов железные инструменты, необходимые в хозяйстве.) Многоклеточному организму в качестве аналогии соответствует, скорее, современный индустриальный город. В мегаполисе у каждого жителя своя специальность, и водитель автобуса может не знать, как печется хлеб, а доктор — иметь весьма отдаленное представление об успехах современной астрономии. Такие же разные профессии бывают у клеток, и так же, как в человеческом обществе, процесс приобретения ими этих навыков называется «специализацией», или «дифференциацией». В теле человека насчитывается около 200 различных клеточных типов, и каждый выполняет свою функцию — эритроциты переносят кислород, клетки печени обеззараживают опасные вещества, нейроны проводят электрические импульсы.

Работая вместе, как рабочие на заводе, клетки определенного типа образуют ткани — нервную, мышечную, покровную и т. д. Ткани, в свою очередь, формируют органы, специализированные для выполнения определенных функций — например, легкие для дыхания, желудок для пищеварения. Так формируется иерархическая структура человеческого организма: тело — органы — ткани — клетки.

Живое начинается с разделения «я» и «не я» — клетка отделена тонкой мембраной, которая позволяет ей, с одной стороны, не раствориться в окружающем мире — так реализуется ее защитная, изолирующая функция, а с другой стороны, обеспечивает транспорт необходимых веществ — это свойство клеточной мембраны ученые назвали избирательной проницаемостью. Мембрана состоит из липидов (жиров) и белков. Липиды отвечают за изоляцию, белки — за перенос веществ (этим занимаются транспортные белки) и реакцию клетки на сигналы из внешнего мира (эту функцию берут на себя белки-рецепторы). Внутри мембраны содержится плотный, концентрированный раствор — цитоплазма — внутренняя среда клетки.

В клетках бактерий здесь же, в цитоплазме, плавает и ДНК, но у ядерных организмов, таких, как мы с вами, наследственная информация собрана в специальном клеточном отсеке, который называется ядром. На первый взгляд разница не слишком существенна, но в ней есть большой биологический смысл. У бактерий все этапы реализации биологической информации происходят одновременно. С активного гена считывается матричная РНК, и тут же на нее садятся рибосомы, готовые синтезировать нужный белок. В клетках ядерных организмов эти два процесса (транскрипция и трансляция) разделены во времени и в пространстве. Транскрипция (считывание РНК) происходит в ядре, а трансляция (синтез белка) — в цитоплазме. Это несколько замедляет процесс, но зато делает его гораздо более управляемым.

«Управление» или «регуляция» — два ключевых слова, которые постоянно будут встречаться вам на страницах книги. Эукариотические (ядерные) и прокариотические (безъядерные) клетки используют более-менее одни и те же молекулярные механизмы, однако лишь ядерные клетки оказались способны формировать многоклеточные организмы. Ключевым фактором подобного эволюционного успеха, скорее всего, стала способность этих клеток более точно регулировать протекающие в них молекулярные процессы.

Существование ядра — это лишь один из примеров реализации так называемого принципа компартментализации, лежащего в основе строения эукариотических клеток. С помощью сложного комплекса мембран внутреннее вещество клетки поделено на отсеки (компартменты), в которых, словно в изолированных колбах, происходят разные биохимические превращения. Такое «зонирование» также значительно повышает эффективность и управляемость работы человеческой клетки в сравнении, например, с бактериальной.

Прокариотическая клетка похожа на бедную школу старых времен, вроде той, что описана в романе «Джейн Эйр», — множество учеников разного возраста собраны в одном помещении и одновременно занимаются самыми разными предметами. В одном углу твердят французские глаголы, в другом решают арифметические примеры, в третьем учат стихи, и все отвлекают и перекрикивают друг друга. Незатратная, но и не слишком эффективная система. В ядерной клетке реакции упорядочены, как процесс обучения в современной школе, где второклассники учатся отдельно от пятиклассников, химией занимаются в химическом кабинете, а физические опыты ставят в кабинете физики.

Кроме ядра, в цитоплазме находятся разнообразные органеллы — «маленькие органы», которые позволяют клетке выполнять разные функции точно так же, как «настоящие» органы — печень, легкие, мозг — обеспечивают жизнедеятельность организма в целом. Переваривание белков в лизосомах похоже на процесс пищеварения, а сеть транспортных микротрубочек, обеспечивающих доставку молекул в разные части клетки, чем-то напоминает кровеносную систему организма. Но самыми важными органеллами (после ядра) являются, пожалуй, митохондрии. Это крупные органеллы, которые играют роль своего рода «тепловых электростанций». Они «сжигают» глюкозу и обеспечивают клетку энергией, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Одновременно митохондрии играют важную роль в регуляции запрограммированной клеточной гибели — апоптоза.

Если клетка — это строительный кирпичик организма, то органические молекулы — это, в свою очередь, стройматериал для клеток. Основные молекулы жизни — ДНК, РНК, белки — это огромные линейные полимеры, то есть молекулы-«цепочки», состоящие из нанизанных друг за другом небольших фрагментов — мономеров. Чтобы подчеркнуть размер биологических полимеров, их часто называют макромолекулами. Размер имеет значение! Химические и физические свойства больших молекул сильно отличаются от свойств их мономеров. Например, полисахарид целлюлоза — жесткий, нерастворимый, плохо перевариваемый полимер, составляющий основу древесины, — состоит из мономеров глюкозы — сладкой, легкорастворимой и питательной молекулы.

У ДНК и РНК мономерами являются органические молекулы — нуклеотиды, у белков — другие органические молекулы, аминокислоты (а точнее, аминокислотные остатки). Любой линейный полимер можно описать через последовательность составляющих его мономеров. Например: аланин — глицин — пролин — тирозин — аланин — серин (другая форма записи — AGPYAS) — это описание фрагмента белка. Порядок соединения аминокислотных остатков определяет, какую структуру будет иметь белок и какую функцию станет выполнять. Гены и молекулы РНК, в свою очередь, различаются нуклеотидными последовательностями.

Биополимеры можно сравнивать между собой и давать количественную оценку степени их сходства (или различия). Например, последовательности ААААC и ATAAC различаются между собой всего на одну букву (нуклеотид) из пяти, таким образом степень гомологии (сходства) этих двух полинуклеотидов составляет 80 %. Сопоставляя последовательности генов различных организмов, ученые получают данные о степени их родства. Чем больше сходство геномов, тем более близкими родственниками являются виды. При изучении раковых опухолей ученые таким же образом сравнивают ДНК раковых клеток и здоровых. Это помогает им обнаружить генетические причины болезни, подробнее о которых будет сказано дальше.

Аналогичный анализ позволяет делать обоснованные предположения о структуре и функциях малоизученных белков путем сопоставления их с хорошо изученными макромолекулами. Белки, у которых последовательности демонстрируют высокую степень гомологии (50 % и выше), как правило, обладают схожей структурой и свойствами.

Белки — главные «рабочие лошадки» живой клетки. В состав белков человеческого тела входит всего 20 аминокислот с различными свойствами — маленькие и массивные, «кислые» и «щелочные», водорастворимые и «жирные», но количество возможных трехмерных структур, которые можно построить из них, огромно. Это чем-то похоже на конструктор «Лего» — из небольшого количества базовых элементов можно создавать очень разные, непохожие друг на друга конструкции.

Множеству белковых структур соответствует невероятное разнообразие их функций в человеческом теле. Белки обеспечивают транспорт и движение, участвуют в процессах размножения и дыхания, защищают наш организм от инфекций и позволяют различать свет и тьму. Собственно, все основные задачи в живой клетке решаются белками. Все, кроме одной. Белки не способны к самовоспроизводству. Эта «умная» молекула не может сама себя синтезировать. Для производства белков нужны специальные молекулярные инструкции (записанные в ДНК) и особые молекулярные «синтезаторы» небелковой природы — рибосомы (основой которых является РНК), способные синтезировать белки, используя «инструкцию», написанную на другом, нуклеотидном, языке.

 ФАКТ: Фридрих Энгельс был прав — жизнь действительно есть «форма существования белковых тел»!