Geum.ru

О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материалаКурс лекций
Подобный материал:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   26
de novo разницы химического состава ядерного матрикса и цитозоля.

Кстати, бывают случаи, когда ядерная оболочка не нарушается, а митотическое веретено и расхождение хромосом происходит внутри ядра – эндомитоз. Такое деление ядра свойственно некоторым простейшим и почти всем грибам. У водорослей, цитокинез которых включает образование фикопласта, ядерная оболочка также не исчезает во время митоза.

Но что удивительно, эндомитоз – большая экзотика, тогда как у подавляющего большинства организмов, включающего всех животных и высших растений, клетки делятся с полным исчезновением и восстановлением ядра как клеточной структуры.

Существуют варианты митоза, по-видимому, эволюционно более ранние. Есть такие одноклеточные жгутиконосцы – динофлагелляты, которые, возможно, сохранили черты самых ранних эукариот. У них хроматин содержит немного белков, а хромосомы, во-первых, не деконденсируются в интерфазе до конца и могут быть наблюдаемы в микроскоп на всем протяжении клеточного цикла, а во-вторых, соединены с ядерной мембраной центромерами, а не теломерами, как у большинства эукариот. Веретено деления у них, как и у большинства эукариот, формируется в цитозоле, микротрубочки у него сплошные от одного полюса к другому, и они вдаются в ядро, образуя впячивания ядерной мембраны. Кинетохоры хромосом взаимодействуют с микротрубочками сквозь ядерную мембрану и скользят вдоль микротрубочек при помощи траспортных белков, родственных белкам, приводящим в движение жгутики. Микротрубочки при этом выполняют роль направляющих рельсов, но не пружин.

Скорее всего это и есть ранний вариант эукариотического митоза – микротрубочки уже приспособлены для деления генетического материала, но и мембрана еще не отстранена от этой функции.

Кстати, если рассматривать эти замечательные организмы как прообраз ранних эукариот на заре их происхождения от прокариот и посмотреть, где у них располагаются хромосомы, то получается, что ядро – это и есть первичная клетка, а цитозоль – это своеобразные выпячивания клетки, своего рода щупальца или лучше сказать псевдоподии, которые потом слились вокруг первичной клетки, замкнув внутреннее пространство ЭПР и приняв на себя функцию трансляции белков по матрице мРНК и роль инкубатора для одомашненных митохондрий и пластид. При этом часть жгутиков из органов перемещения клетки во внешней среде превратилась в систему внутреннего транспорта хромосом и мембранных пузырьков, став системой микротрубочек. После этого идентичность центриолей и базальных телец жгутиков уже не кажется удивительной.

Как вы думаете, какова продолжительность собственно митоза (М-фазы)? Как правило, 1–2 часа. Для справок: каждую секунду в нашем организме делится несколько миллионов клеток. Продолжительность клеточного цикла может варьировать от часа (у делящихся эмбрионов лягушки) до суток и много более.

У многоклеточных организмов регуляция скорости прохождения отдельных стадий клеточного цикла и вообще темпов клеточного деления происходит под действием специальных регуляторных белков – факторов роста. В дробящейся яйцеклетке лягушки длительность фазы G1 практически равна нулю (в яйцеклетке было запасено все необходимое и новых цитоплазматических синтезов не требуется). У многоклеточных организмов многие клетки в отсутствие факторов роста из стадии G1 переходят в фазу G0 – особое состояние клетки, исключающее деление. Некоторые клетки могут быть выведены из этого состояния при добавлении фактора роста. Однако выход из этой стадии требует определенного, часто весьма значительного времени. Другие так называемые терминально дифференцированные клетки вообще не могут быть выведены из этого состояния и находятся в нем до смерти многоклеточного организма.

Существует также феномен клеточного старения – когда клетки определенного типа могут пройти определенное количество клеточных делений, но не более того. К примеру, клетки соединительной ткани человека в культуре проходят от 50 (если взяты у плода) до 20 (если взяты у пожилого человека) делений, после чего деление прекращается. Все это согласуется с той ролью, которую клетки играют в организме, и с темпами его роста.

Механизмы клеточного старения до конца еще не выяснены. Некоторые наивно верят, что, выяснив их, можно будет разрешить проблему человеческого бессмертия. Не раз такого рода заявления звучали по телевизору (например, относительно теломеразы – фермента, который надстраивает хромосомы с конца, что немаловажно, так как концы хромосом с каждым их удвоением укорачиваются). Но это очень примитивная мысль. Избавить клетку от клеточного старения ничего не стоит. Достаточно сломать его механизм. Наш многоклеточный организм может возникнуть и существовать базируясь исключительно на многоуровневой и тонко настроенной системе ограничения клеточного деления, тогда как деление – базовая способность клетки «по умолчанию». Если механизм регуляции деления нарушается, то какие-то клетки, деление которых в норме должно замедлиться и прекратиться, могут сохранять исходную способность к делению. Кто знает, как называются такие клетки? Да, это и есть раковая опухоль – группа активно делящихся клеток там, где деление в норме должно идти медленно или не иметь места вовсе. Так что, преодолев клеточное старение, мы получим вместо бессмертия скорую смерть. Поскольку рост и размножение индивидуальной клетки – это совсем не то же самое, что рост и благополучие многоклеточного организма.

Лекция 10. ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС 1. МЕЙОЗ

Чем дальше, тем больше мы с вами концентрируем свое внимание на различиях прокариот и эукариот. Мы узнали, что у эукариот гораздо более сложно устроенная (да и более крупная) клетка, включающая собственно ядро – эфемерную перегородку, возникающую в рабочем состоянии клетки (интерфазе) для разделения зон репликации и транскрипции по одну сторону и трансляции – по другую. У эукариот гораздо сложнее устроен процесс деления клетки, и прежде всего ее генетического материала – хромосом. Хотя и здесь можно проследить преемственность от прокариот к эукариотам, различия все же впечатляющие. Связаны они прежде всего с тем, что ДНК у эукариот гораздо больше и всю ее нужно, во-первых, упаковать, во-вторых, в этом упакованном состоянии реплицировать, в-третьих, точно поделить на две идентичных копии – для этого она пакуется еще гораздо плотнее. Таким образом, более сложная клетка требует более сложных механизмов для своего точного воспроизведения.

И тут мы неожиданно сталкиваемся с необходимостью воспроизводиться не так уж точно. Именно с необходимостью, причем такой насущной, что для решения этой проблемы выработались специальные механизмы, причем еще более изощренные, чем те, которые обеспечивают точность.

Нам предстоит посвятить несколько лекций эволюции. Похоже, очевидное сходство нас с обезьянами и прочими зверями все же не осознавалось людьми в течение пары тысяч лет, но сравниваются слишком уж эмоционально нагруженные вещи. Однако вот мы погружаемся в микромир, в область молекул и клеточных структур, с которыми у нас не связано никаких архетипов, образов и эмоций, мир вещей практически невидимых, которые мы можем воспринимать только с помощью интеллекта. Мы видим одни и те же нуклеотиды и аминокислоты, тот же генетический код, те же плазматические мембраны и в то же время сталкиваемся с разными способами организации этих мембран, клеточного деления и т. д. И мы не можем рассматривать это иначе как указания на ту или иную степень родства, которой связаны все живые организмы. Поэтому любое рассмотрение основ биологии с необходимостью эволюционной и иначе быть не может, так как все биологические объекты действительно возникли в ходе эволюции от общего корня. (Тем, кому дорога идея творца, не удастся закрыть глаза на эту совершенно очевидную эволюционную преемственность и придется заключить, что она свидетельствуют как минимум об эволюции творческих замыслов в божественном интеллекте, которые, будучи помыслены, материализуются, то есть мы опять-таки имеем эволюцию в материальном мире. Позже мы увидим, что и с точки зрения механизмов эволюции творец оказывается излишней гипотезой.)

Так вот, у слова эволюция сначала было довольно возвышенное значение, но сейчас оно употребляется в значении «изменение в течение многих поколений». Само существование этого термина говорит о том, что, точность самокопирования биологических объектов не абсолютна. Действительно, чтобы выжить в этом неустойчивом мире неравновесных процессов, так или иначе изменяться необходимо. Что это за изменения и где их источник?

Важнейший источник изменений вам, как и любому, хорошо понятен – это ошибки. Все многообразие жизни в конечном счете возникло из счастливых (и не очень) ошибок. Но мы все хорошо знаем, как редко случаются счастливые ошибки и как много бывает досадных. И хотя в высшей степени терпеливая эволюция действительно преимущественно зиждется как раз на этих редких счастливых случаях, одна житейская мудрость остается справедливой всегда: ломать - не строить. И специально заботиться о генерации ошибок не следует – они всегда происходят сами собой в избыточном количестве благодаря самой физико-химической природе носителя генетической информации.

Но существует и более привлекательный источник изменения – выбор из имеющегося разнообразия вполне привлекательных вещей и перебор разных сочетаний из них. Согласитесь, звучит более обнадеживающе. Куда приятнее сходить в магазин, чтобы выбрать себе новые вещи, чем пересматривать пришедшие в негодность старые вещи на предмет, куда еще их можно приспособить. Поэтому на всех уровнях организации жизни была предусмотрена возможность обмена индивидуумов элементами своей конструкции. Мы помним, что митохондрии и пластиды произошли от бактерий, одомашненных клетками, имеющими ядра. Но это крайний и редкий случай. Нормой же является обмен не самими конструктивными элементами, а только их чертежами и прописями технологий, т. е. генами, в которых записана информация о том, как их делать. И пользуются ими не сами индивидуумы, а их потомки. Говоря проще, практически у всех организмов предусмотрены механизмы обмена генетическим материалом с себе подобными. Перекомбинация разных работающих (не сломанных) генов порождает разнообразие технических решений, которое часто оказывается востребованным жизнью.

И снова – эти механизмы различны у прокариот и эукариот. У первых они проще и более гибкие, у вторых – сложнее и жестко упорядочены. Они называются двумя словами: половой процесс. Вот вы и оживились! Это лишь очередное свидетельство важности генетического обмена для биологических объектов. Подумайте сами, почему вы оживились, о чем это вам напомнило и каков у этого биологический смысл. Давайте пойдем по уже привычному для нас пути – начнем с того, что посмотрим, как он происходит у бактерий.

Половой процесс у бактерий довольно прост. Помимо жгутиков, бактериальная клетка часто несет тонкие отростки – пили. Обычно они нужны, чтобы бактерия прикреплялась к субстрату. Есть особый тип отростков – F-пили. Их наличие кодируется особой плазмидой, называемой F-фактор – независимой небольшой кольцевой ДНК, произвольное число копий которой может находиться в цитоплазме. Соответственно бактерию, которая несет эту плазмиду и как следствие имеет F-пили, можно назвать «мужской». Они способны присоединяться к другой бактерии, как правило, своего вида (хотя понятие вида у бактерий очень размыто), не имеющей F-фактора, и открываться в нее. Этот процесс называется конъюгацией. Конъюгация служит сигналом к внесению разрыва в одну из цепочек ДНК в F-факторе. При этом надрезанный конец проникает в F-пиль и далее в «женскую» клетку, где к нему достраивается вторая цепь. В ходе этого процесса в «мужской» клетке F-фактор реплицируется по мере расплетания его двойной спирали и полностью восстанавливается. Таким образом, F-фактор фактически инфицирует «женскую» клетку, превращая ее в «мужскую». С определенной вероятностью F-фактор встраивается в главную бактериальную ДНК, а будучи встроенным, способен вырезаться из нее – это обратимый процесс. В результате встрокйи, описанный выше механизм приводит к тому, что вслед за фрагментом ДНК F-фактора в «женскую» клетку начинает переходить и ДНК основной бактериальной хромосомы «мужской» клетки. Однако вся она переходит крайне редко, как правило, конъюгация обрывается раньше. В результате, «женская» клетка получает фрагмент F-фактора (но не целый F-фактор) и фрагмент бактериальной хромосомы. В ней кусок ДНК из клетки-донора способен замещать соответствующий ему кусок хромосомы «женской» клетки, так что она становится гибридной.

Как вы уже, видимо, усвоили, эукариоты отличаются от прокариот гораздо большим количеством ДНК, расфасованным во многие хромосомы, и сложным механизмом ее точного попадания в дочерние клетки при делении. Кроме того, ДНК у них защищена от внешних воздействий плотной белковой упаковкой, а кроме того, либо двойной ядерной мембраной в интерфазе, либо еще более плотной упаковкой во время митоза. Такой вариант полового процесса, как у бактерий, – передача произвольного куска ДНК в надежде, что он заменит соответствующий кусок в какой-то хромосоме, тут вряд ли пройдет. И действительно, для полового процесса эукариоты изобрели специальные универсальные механизмы.

Половой процесс у эукариот состоит из двух частей, которые у многоклеточных в той или иной мере разнесены в пространстве и времени. Первая его часть состоит в полном слиянии двух клеток и их ядер друг с другом. Слияние происходит на стадии G1 клеточного цикла, т. е. до синтеза ДНК. Этот момент обычно называется оплодотворением. Однако когда речь идет о слиянии двух одноклеточных организмов, то об оплодотворении говорить не принято. Видимо, когда две клетки сливаются без остатка, трудно сказать, что «кто-то оплодотворил кого-то», так как самих субъектов процесса не остается. Клетки, «намеревающиеся» слиться, принято называть гаметами. В результате слияния образуется одна клетка, ядро которой содержит два более или менее одинаковых набора хромосом, полученных от каждой из гамет. Такая клетка называется зиготой.

Одинаковость двух наборов хромосом достаточно относительна, так как происходит слияние двух индивидуумов, будем говорить – двух родителей. Как мы все знаем, индивидуумы имеют индивидуальные различия, которые в основном определяются множеством небольших отличий в первичной их ДНК. У зиготы два набора хромосом, которые обычно имеют индивидуальные различия. Каждой хромосоме одного набора, полученной от одной из слившихся клеток (одного родителя), соответствует хромосома второго набора, полученная от другой слившейся клетки (другого родителя), причем последовательность ДНК этих двух хромосом отличается в деталях, но, как правило, несет те же самые гены, т. е. районы, в которых закодирована последовательность тех же самых белков или РНК и те же регуляторные области. Кроме того, в большинстве случаев эти районы расположены на ДНК в том же самом порядке. Первичная структура белков и РНК, кодируемая соответствующими друг другу участками хромосом, полученных от двух родителей, может несколько отличаться в деталях, но план строения и функциональные особенности молекул, как правило, сохраняются. Из всех этих правил бывают исключения (и порядок генов может быть изменен, и функции их продуктов не сохраняться), но они редки.

Немного очень важной терминологии.

1. Две почти одинаковые хромосомы, несущие, однако, некоторые индивидуальные различия, полученные зиготой от разных родителей, называются гомологичными хромосомами, или гомологами. Хромосомы разного типа, которые несут разные гены, называются негомологичными.

2. Индивидуальные варианты любого гена (осмысленной последовательности ДНК, несущей информацию о белке, РНК или являющейся регуляторной), которые могут быть (а могут и не быть) различными у двух гомологов, называются аллелями (мужского рода). То место на хромосоме, где расположен тот или иной аллель, называется локусом. По сути, и локус, и аллель – это гены, а различиt между этими понятиями точно то же самое, что между переменной и ее значением. Локус – это определенный тип гена. К примеру, последовательность ДНК, находящаяся в определенном месте хромосомы и кодирующая определенный белок, который синтезируется в определенное время в определенной клетке в определенном количестве, имеет определенную структуру и выполняет определенную функцию. Все эти свойства допускают некоторую степень изменчивости – такую, впрочем, что этот белок определенно остается тем же самым белком. Аллель же – это конкретный индивидуальный вариант гена, а кодируемый им индивидуальный вариант белка или РНК называется аллельным вариантом. Каждая хромосома может рассматриваться как строго определенная цепочка различных локусов, каждый из которых представлен тем или иным аллелем – индивидуальным вариантом каждого гена. (Между локусами у эукариот существуют промежутки – участки ДНК, которые не кодируют ничего, биологической информации не несут и могут быть очень изменчивыми.)

3. Аллели превращаются один в другой посредством изменений их последовательности нуклеотидов, которые могут иметь разную причину. Каждое такое одноактное изменение называется мутацией. Однако иногда слово «мутация» применяют и для получившегося в результате аллеля, особенно если очевидно, что исходный аллель – «нормальный», а получившийся – «аномальный». Это не совсем последовательно, но такова обычная практика.

Между делом мы ввели основной понятийный аппарат генетики и могли бы прямо сейчас перейти к основам генетики. Мы пока не будем этого делать, так как нам еще нужно знакомиться со многими удивительными вещами на уровне цитологии – науки о клетке.

4. Клетка, в ядре которой имеется два набора гомологичных хромосом, полученных в результате слияния родительских клеток (т. е. имеющая пару гомологичных хромосом для каждого типа хромосом), называется диплоидной. Диплоидна любая зигота, а также все клетки, образовавшиеся за счет деления зиготы и ее потомков путем митоза. (Вы помните, что при митозе количество и состав хромосом строго поддерживается, так что все митотические потомки зиготы будут нести тот же самый диплоидный набор хромосом.)

Было бы логично предположить, что те клетки, которые, слившись, образовали зиготу, имеют только по одному экземпляру негомологичных хромосом, т. е. были гаплоидны и несли только по одному гаплоидному набору хромосом. Однако, если слияние клеток и ядер происходит регулярно в ходе неважно чьей и неважно какой жизни и каждый раз количество хромосом удваивается, то либо мы получим бесконечно раздувающиеся ядра, либо должен существовать механизм, способный снова разделять два гомологичных набора хромосом диплоидного ядра.

Такой механизм есть. Он называется мейозом. Позже мы рассмотрим, как он происходит, но сейчас важно отметить, что мейоз – это процесс, который умеет разделять каждую пару гомологичных хромосом диплоидной клетки и помещать каждый гаплоидный набор хромосом по разным гаплоидным клеткам. Тем самым открывается возможность для нового слияния гаплоидных клеток с образованием диплоидной зиготы.

Преднамеренно не конкретизируем, о каких клетках идет речь. Сейчас нам важно усвоить абстрактный принцип и не ассоциировать его ни с каким конкретным примером. Принцип состоит в том, что у эукариот любая форма жизни существует посредством чередования двух фаз – гаплоидной и диплоидной. Принято говорить о гаплоидном и диплоидном поколениях. Нас сейчас это может немного сбить с толку, так как мы с вами находимся на уровне клеток. Каждая фаза может быть представлена множеством поколений клеток, размножающихся путем митотического деления, при котором диплоидное или гаплоидное состояние строго воспроизводится, то есть без смены фазы. Терминология, связанная с поколениями, возникла при рассмотрении многоклеточных организмов. Однако каждая фаза может быть представлена и единственной клеткой, которая не делится путем митоза. Смена гаплоидной фазы на диплоидную происходит при слиянии двух гаплоидных клеток (оплодотворении). Смена диплоидной на гаплоидную происходит в результате мейоза.

В этой смене (и ни в чем более) гаплоидного и диплоидного поколений и состоит суть полового процесса. И, заметьте, в отличие даже от бактерий, у нас пока еще нигде не возникали два разных пола.

Кто знает, где у человека диплоидное и гаплоидное поколение? Человек ведь эукариота! Человек весь диплоиден, за исключением его половых клеток – яйцеклеток и сперматозоидов.

Прежде чем мы рассмотрим, как происходит мейоз, зададимся вопросом: что хорошего нам дает половой процесс, т. е. чередование гаплоидной и диплоидной фаз? Если кто вспомнит про удовольствие, то пусть имеет в виду, что удовольствие – это всегда только приманка, которую эволюция выработала, чтобы заставить нас делать что-то полезное, причем полезное именно для нее же, эволюции.

Сказка начинается так: в Эдемском саду в некоей хромосоме некоего индивидуума случился хороший ген, очень полезный в данных условиях. Неважно, откуда он взялся, наверное, образовался в результате благоприятной мутации. Или его экспериментатор подсадил. Или вообще бог, а он, говорят, был большой экспериментатор. И неважно, что это за индивидуум – одноклеточный или многоклеточный. Пусть этот ген дает своему носителю большие уши. А в другой хромосоме некоего другого индивидуума случился другой хороший ген, тоже полезный – в тех же условиях среды Эдемского сада. Пусть он дает этому индивидууму более длинные зубы. (Неплохими персонажами мы населили Эдемский сад, не правда ли?) А как вы помните, в Эдемском саду индивидуумы не знали греха. И следовательно, полового процесса совсем не знали. Немного отойдем от библейской ситуации к более жизненной. Пусть эти индивидуумы умеют размножаться бесполым образом, т. е. точно себя копировать (это еще называется клонировать). И что будет в результате? В результате все менее удачные варианты будут вытеснены (в частности, Красная Шапочка будет выедена под корень), а сад наполнится двумя клонами – ушастым и зубастым, которые и будут конкурировать друг с другом, пока небольшие преимущество одного не приведут к тому, что он вытеснит другой. Скорее всего зубастые съедят всех ушастых (что сделать им будет нелегко, так как те их издалека слышат) и будут дальше радостно есть уже друг друга. (Или один из них вымрет совершенно случайно.)

Догадываетесь, куда идет мысль? Возьмем на себя роль дьявола и научим наших друзей половому процессу. Чего проще – не мучиться и собрать в одном гибридном монстре большие уши и длинные зубы! Тогда таковые еще быстрее съедят всех остальных и станут не менее радостно есть друг друга. Выглядит безнадежно, но в эволюции все так и есть. Главное – вытеснить других побыстрее, до того как вытеснили тебя самого. Вот для этого и изобретен половой процесс.

Половой процесс – это способ перетасовывать, перекомбинировать гены, имеющиеся у разных индивидуумов одного вида. (Но не разных видов: что такое вид и почему нельзя избежать разделения на виды, мы обсудим потом.) В ходе мейоза имевшиеся в диплоидном ядре полученные от разных родителей гомологичные хромосомы каждой пары случайно распределяются между гаплоидными ядрами. Подчеркнем – случайно, т. е. материнские и отцовские как попало и вперемешку. Другими словами, мейоз гарантирует, что в каждую дочернюю клетку попадет по одной хромосоме из каждой пары гомологичных хромосом. А какая именно – это его не заботит. (И заведен он был именно затем, чтобы не заботило!) В результате за счет одного лишь случайного распределения гаплоидных хромосом диплоидная клетка может образовать 2