Вопрос 26. Генетика и воспроизводство жизни

Генетика (греч. genos – происхождение) – наука, изучающая механизм и закономерности наследственности и изменчивости организмов.

Общая масса всех живых организмов на Земле равна около 3,6×10¹² т, что составляет всего лишь около 0,02 % от массы всех неживых тел или косного вещества, по терминологии В. Вернадского.

С учетом информации, которой располагают сегодня ученые, о свойствах, строении, обмене веществ и других особенностях живых систем некоторые исследователи дают определения жизни, однако общепризнанного определения жизни нет.

Три самых важных составляющих процесса развития организма:

1) оплодотворение (слияние половых клеток) при половом размножении;

2) воспроизводство в клетке по данной матрице определенных веществ и структур;

3) деление клеток, в результате которого организм растет из одной оплодотворенной яйцеклетки.

Существует два способа деления клеток.

Митоз – это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с набором хромосом (части ядер клеток), идентичными наборам родительской клетки.

Мейоз – это деление клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро.

Первый способ характерен для всех клеток, кроме половых; второй – для половых клеток. При всех формах клеточного деления ДНК каждой хромосомы реплицируется.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой выступают молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов (напоминает винтовую лестницу).

В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд пар оснований, дина ее около 1 м.

Если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она сможет протянуться через всю Солнечную систему.

Носители информации – нуклеиновые кислоты – содержат азот и выполняют три функции:

1) самовоспроизведение;

2) хранение информации;

3) реализацию этой информации в процессе роста новых клеток. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты (каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определенный набор из трех мономеров НК – так называемый триплет). Генетическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании ферментов, которые делают возможным строение живого тела.

Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путем синтеза различных белков согласно генетическому коду. Сходство и различие тел определяется набором белков. Чем ближе организмы друг к другу, тем более сходны их белки.

Молекулы ДНК – это как бы набор, с которого «печатается» организм в «типографии» Вселенной.

Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном (знаменитая гипотеза – «один ген – один фермент»). Гены расположены в хромосомах.

Процесс воспроизводства состоит из трех частей, называющихся тремя ключевыми словами: репликация, транскрипция, трансляция.

Репликация – это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток.

В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две идентичные. Как происходит репликация? ДНК распределяется на две цепи, а затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, формируется вдоль каждой цепи еще одна цепь. Этот процесс можно сравнить с печатанием фотокарточек. Так как каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Вторая часть процесса воспроизводства – транскрипция представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК (информационная РНК – копия части молекулы ДНК, одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции).

РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содержит рибозу (речь идет об одной гидроксильной группе ОН каждого сахарного кольца), а вместо азотистого основания тимина содержит урацил. Третья часть процесса воспроизводства – трансляция – это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки – рибосомах, куда доставляет аминокислоты транспортная РНК. Основной механизм, с помощью которого молекулярная биология объясняет передачу и переработку генетической информации, по существу, является петлей обратной связи. ДНК, содержащаяся в линейно-упорядоченном виде всю информацию, необходимую для синтеза различных протеинов (без которых невозможно строительство и функционирование клетки), участвует в последовательности реакций, в ходе которых информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов.

Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди синтезированных протеинов, активируя и регулируя не только стадии превращений, но и автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать генетическую информацию со скоростью размножения клеток.

Как показали исследования по молекулярной биологии последних десятилетий, петли положительной обратной связи (вместе с отрицательной обратной связью и более сложными процессами взаимного катализа) составляют самую основу жизни. Именно такие процессы позволяют объяснить, каким образом совершается переход от крохотных комочков ДНК к сложным живым организмам.

Как получаются именно разные белки и клетки? Французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно предложена следующая гипотеза. Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает, когда нужно, оператор, который размещается на одном конце оперона – группы генов, и в результате данные ферменты не производятся.