В предыдущей части мы разбирались, как работают «мозги» у нормальной клетки многоклеточного организма https://dzen.ru/a/Y-CO4xbjRhel8DTe?share_to=link А сегодня познакомимся с системой передачи данных, которой почти четыре миллиарда лет. Не только лишь все, конечно, знают о молекуле ДНК, в которой закодирована информация о любом организме, но дальше начинаются непонятки: кодоны, локусы... Да и само слово код тоже какое-то неродное. Но ведь наша человечья письменность - это тоже код. По определению, письменность - это система знаков, предназначенная для фиксации, передачи данных на расстояния и придания этим данным вневременного характера. Под это определение идеально подпадает и генетическая система. Так что, предлагаю рассмотреть геном именно как биохимическую письменность живых организмов с планеты Земля.
ДНК письменность универсальна для всех живых существ на планете. Ею пользуется и бактерия, и клетка слона. Если кусок генетического кода взять у бактерии и пересадить в ДНК слона – клетка слона сможет этот кусок «прочесть» - то есть снять с него копию и выполнить какие-то действия. Мы, хомо-сапиенсы, научились использовать универсальность биомолекулярной письменности в своих целях: например, пересаживаем в геном кишечной палочки E. coli ДНК с кодом человеческого инсулина и получаем бактерий, которые производят проинсулин в промышленных масштабах. Потрясающе, правда? Но идею этих генетических технологий мы не придумали, а всего лишь "спёрли" у вирусов. Эти мелкие твари издревле размножаются путём читерских уловок: некоторые бессовестно встраивают кусочек своей ДНК в геном клетки-хозяина, и та начинает послушно производить запчасти для клонов вируса.
Так что, все живые клетки на планете «понимают» универсальную ДНК письменность. Небольшие отличия, правда, имеются в способе хранения данных: у бактерий текст пишется не в строчку, у которой есть начало и конец, а замыкается в колечко – получается не линейная, а кольцевая ДНК (хотя есть исключения). А также встречаются некоторые «диалекты» кодировки. Например, у некоторых инфузорий почему-то знак препинания стал обозначать слово. Но я забегаю вперёд.
АТГЦ и правила правописания
В биохимической письменности задействованы не 32 знака, как в нашем алфавите, а всего 4. И это не буквы, а органические молекулы - нуклеотиды. Вот схема одной из них:
Нормальная такая "буква"... Мы, человеки, чтобы каждый раз не малякать таких бегемотов, придумали обозначать их по заглавной букве названия молекулы нуклеотида – А,Т, Г,Ц (Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин). Получился простенький алфавит, которым мы и будем пользоваться. Что можно написать всего четырьмя буквами? Оказывается, много чего. Если вы не собираетесь сочинять литературные произведения, а будете использовать письменность в сугубо практических целях.
Едем дальше. В клеточной письменности «буквы» соединяются друг с другом в одну длинную-длинную строку. Получается примерно такая околесица: –А–Ц–Ц–А–Т–А–Г–Т–Ц–Ц–А–А–Г–Г–А– и т.д. Но на самом деле в это не околесица, а вполне осмысленный текст, в котором обычно каждые три буквы обозначают одно слово. Десятки и сотни трёхбуквенных слов объединяются в законченные предложения, которые даже отделены знаками препинания: начинается предложение всегда с ТАЦ, заканчивается комбинациями АТТ, АТЦ, АЦТ.
Что же означают трёхбуквенные слова? Многие полагают, что в ДНК написано «У-Васи-будут-карие-глаза». Не совсем (вернее, совсем не). Каждое слово из трёх «букв» в молекулярной письменности обозначает определённую молекулу: одну из 20 стандартных аминокислот. Выходит, что молекулы кодируют другие молекулы? Ну… По сути - да. Не забывайте, что это письменность жителей микроскопического измерения и не возмущайтесь. Так вот. Если каждое слово из трёх букв – это аминокислота, то в законченном предложении зашифрован определённый белок, собранный из сотен (тысяч) разных аминокислот. Такое законченное "предложение" и есть ГЕН.
(Не забывайте, что я сейчас сильно всё упрощаю. Есть в строке ДНК ещё участки эхансеры, сайленсеры, инсуляторы, а также не все участки кода несут какой-то смысл, иногда это пустышки или повторы - но мы в такие дебри залезать не будем.)
Главное для нас - ухватить суть. Ген - это "законченное предложение", состоящее из сотен или тысяч трёхбуквенных слов, которое кодирует строение какого-то определённого белка.
Приехали. А хде про цвет глаз? Какие, нафиг, белки?
Молекулы и цвет глаз Василия.
Белки в клеточном мире – это основа основ. Из них сделано почти всё (кроме мембран): гормоны, ферменты, сигнальные молекулы и чувствительные рецепторы к ним, ионные насосы, детали клеточного скелета, сшивки между клетками. Куда ни ткни в клеточном мире – попадёшь в какой-то белок. Разнообразие белков воистину огромно. Белок может быть строительным: коллаген, эластин. Транспортным – альбумин, гемоглобин. Информационным – гормоны, цитокины. Отдельные белки могут объединяться в сложные комплексы. И даже машинка по созданию белков по инструкции гена - тоже собрана из белков 0_О
Но давайте всё-таки проясним вопрос про цвет глаз Василия, который не даёт нам покоя. Пигмент меланин, который окрашивает радужку глаз и волосы – это не белок вовсе, а хромопротеид. Тогда при чём тут к цвету глаз белки?
По порядку: цвет глаз и волос зависит от определённых клеток, которые производят красящие пигменты меланины. Клетки эти называются меланоциты. То, какой именно это будет пигмент – черно-коричневый или красновато-рыжий – зависит от ферментов, которые непосредственно участвуют в химической реакции образования этих пигментов. Ферменты это что? Белки. Насыщенность же цвета зависит от количества производимого клетками пигмента - это уже влияние гормонов и в какой-то мере среды (УФ излучение) Гормоны – тоже белки. Всекаете? Белки решают, какого цвета и сколько пигментов будут производить ваши меланоциты.
Не совсем то, что мы все ожидали... Мы же с детства думали, что за цвет глаз отвечает 1 ген (доминантный за карий и рецессивный за голубой), и что в нём всё конкретно написано: "карий" или "голубой". А оказывается, за цвет глаз отвечают около 6 генов, и ничего кроме строения белков в генах нетю. Кстати, голубой цвет глаз – это и не пигмент вовсе, а его отсутствие. Это цвет стромы - сосудисто-волокнистой ткани радужки. Голубой цвет глаз говорит о том, что меланоциты данного субъекта - ленивые сволочи, и меланин практически не производят. Такие глаза больше всего подвержены разрушающему действию ультрафиолета. Но красиво, не спорю:) Всё остальные оттенки - это сочетание цвета стромы и двух типов пигментов. Оказывается, у Василия меланоциты - молодцы. Трудяги и защитники. Не то что некоторые.
Страницы и катушки.
С важностью белков и почему именно они прописаны в генах, мы, кажется, разобрались… Фух. Но это ещё не всё. Мы рассмотрели всего одну строку письменности. А молекула ДНК состоит из двух: напротив одной строки всегда присобачивается вторая строка. И не произвольно, а по правилам: напротив А всегда становится Т, напротив Г – Ц. Зачем именно так, почему две строки, а не одна, как у всех нормальных людей? Ну, во-первых, так всё складывается по биохимическим правилам, а во-вторых, такая конструкция надёжнее – ведь если потеряется кусок одной строки, то можно восстановить содержание текста по второй. Просто, но гениально.
Теперь немного о неудобствах. Самая длинная молекула ДНК генома человека содержит около 250 млн букв. Самая короткая - около 50 миллионов, кажется. Даже учитывая, что молекула ДНК спиральная - это её не спасает. Она БЕСПОЩАДНО длинная. Судите сами: если сложить все ДНК человеческой клетки в длину, получится около двух метров. Вы клетку свою видели вообще? Её в микроскоп едва разглядишь. А что для неё 2 метра? Как для нас от Земли до Луны? Очевидно, читать такое невозможно. Потому строки-ДНК особым образом сворачиваются в толстые книжные тома – хромосомы. Мы же тоже не пишем в одну строку: строчки размещаются на плоской поверхности друг за другом, текст делится на пронумерованные страницы. Ну и клетки не дураки: в молекулярной письменности строчки наматываются на специальные белковые катушки-гистоны. Потом множество гистонов компактно складываются в спиральку, а спиралька упаковывается в хромосому. Вот такая любопытная клеточная «книга» получается.
Увидеть хромосому в световой микроскоп удаётся лишь при делении клетки, когда она максимально уплотняется. В ином случае она настолько тонка, что свет просто ОГИБАЕТ её, не отражаясь… А теперь осознайте, какой массив данных в этой малюсенькой до неприличия штуке...
(Кстати, хромосомы обычно рисуют в виде двух палочек, соединённых в центре. Это не совсем верное изображение – так как таким образом выглядит уже удвоенная хромосома в метафазе – во время деления клетки. Одна хромосома выглядит одной кривой колбаской, не перепутайте!)
23 хромосомы–энциклопедии с информацией переходят нам в наследство от мамы и 23 таких же энциклопедии от папы; итого получается 46 томов данных в «башке» нашей клетки. У клетки дрозофилы (любимой мухи садистов-учёных), стоит на полочке всего 4 пары томов. У бактерий обычно один томик-хромосома и несколько брошюрок-плазмид. Ей для успешной жизни и этого хватает.
На картинке - сборник книг клетки человека разумного:
Проблемы чтения и переписывания.
Чтобы «прочесть» какой-то конкретный ген-предложение из энциклопедии, он должен быть активным (вспоминаем эпигеном и его переключатели). Ещё придётся существенно «ослабить» намотку строчки на катушку – лишь тогда нужное "предложение" станет доступным для снятия копии. Двойная строка ДНК тоже в этом участке расплетается – ведь копия снимается с одной строчки кода, а не с двух. Хлопотное дело, как видите. Над этим работают... не смейтесь, конечно же белки. Целая бригада белков-ферментов, ага. А если поставлена цель не предложение прочесть, а скопировать и удвоить ВСЮ строку ДНК??? Все чёртовы двести пятьдесят миллионов буковок??? И «переписать» всё это добро желательно без ошибок в важных местах! Дело в том, что каждый белок, который нам напоминает бесформенную кучку помёта, на самом деле имеет строго определённую трёхмерную структуру. Если в текст, по которому его собрали, закрадётся ошибка – его форма нарушится. Белок от этого может сильно и не пострадать (если ошибка будет не в «несущей» конструкции) а может превратиться в бесполезную абракадабру, которая нифига не работает. А ещё ошибка может резко изменить свойства и функции белка. Как в слове «Передохнуть» всего лишь ударение полностью меняет его смысл.
Ошибки при копировании ДНК случаются довольно часто. Но не только при копировании: строчки информационных молекул может испортить радиация, ультрафиолет, некоторые химические вещества. Целые бригады рабочих молекул трудятся над выявлением и исправлением ошибок. Но иногда всё же ошибка ускользает от внимания, может передаться по наследству дочерней клетке и закрепиться, став мутацией. О стражах генома, о мутациях - в следующий раз.
Того, кто сегодня утомился от подробностей, поддержу словами Сенеки Старшего: "Лучше изучить лишнее, чем ничего не изучить." Спасибо за любознательность!