Впрочем, о механизмах возникновения раковых клеток и о различных типах повреждений в ДНК мы еще поговорим. Сейчас же необходимо лишь вспомнить простые школьные истины:
1. Информация о строении всех белков организма человека записана в его молекулах ДНК.
2. Участок ДНК с информацией об одном конкретном белке называется геном.
Хромосомы
Чтобы что-то узнать, нужно уже что-то знать.
Станислав Лем
— Утрата части хромосомы может иметь фатальные последствия
— Хромосомы — компактная форма хранения ДНК
— Лишняя хромосома способна исковеркать жизнь человека
— Хромосомы определяют пол человека
— Половину своих хромосом человек передает по наследству каждому из своих детей
— Наши индивидуальные черты являются результатом комбинации хромосом
Катушка ниток
ДНК не случайно порой образно называют «нитью жизни». На фотографиях, полученных с помощью электронного микроскопа, она действительно напоминает тонкую ниточку. Чем сложнее организм, тем длиннее у него общая протяженность нити ДНК. Понять эту закономерность несложно. У более высоко организованного существа должно быть больше белков. Следовательно, и протяженность ДНК, с помощью которой хранится информация об этих белках, будет у него больше. Это правило имеет свои исключения. Например, у некоторых земноводных ДНК в клетках гораздо больше, чем у приматов и человека, хотя никто не усомниться, что обезьяны и люди все-таки несколько более развитые существа, чем лягушки и тритоны.
Однако если сравнивать длину ДНК у разных организмов, относящихся к самым разным группам (таксонам), то закономерность очевидна: в процессе подъема по эволюционной лестнице количество ДНК увеличивается. У большинства бактерий нить ДНК совсем невелика и свернута в виде колечка. Ее можно сравнить с телетайпной лентой, на которой записаны важные сведения. Пока длина ленты относительно невелика, обращаться с ней достаточно удобно: можно быстро просмотреть всю ленту, просто протаскивая ее между пальцами.
Что будет, если длина такой ленты увеличится в десять, в сто, в тысячу раз? Просматривать ее станет трудно, да и хранить будет неудобно. Только представьте себе целый ворох такой ленты, кучей лежащий на полу! Выход из сложившейся ситуации простой — ленту необходимо аккуратно намотать на бобину. Тогда с ней будет удобно обращаться. Кстати, так поступают и домохозяйки, которые наматывают длинные нитки на катушки, а шерсть предпочитают хранить, смотанной в аккуратные клубки или мотки.
Подобными «клубками» или «мотками» ДНК в ваших клетках и являются хромосомы. В переводе с греческого это слово означает «окрашенное тело». Хромосомы действительно удается окрашивать с помощью особых методик, и тогда у делящихся клеток они становятся хорошо видимыми под микроскопом. Неудивительно, что видны они именно в момент деления, ведь в этот относительно недолгий период времени хромосомы буквально «растаскиваются» по разным концам клетки. Поэтому нить ДНК в это время «смотана» наиболее компактно. У молодой, только что разделившейся клетки, хромосомы уже не видны, ее ДНК «расплетается», разворачивается для юго, чтобы все ее гены были доступны для работы.
Деление клеток и их работа находятся в определенном противоречии. Его легко понять, если сравнить работающую клетку с офисом. Во время трудового процесса все оборудование стоит на столах, компьютеры соединены в сеть, готовятся на подпись важные бумаги, отправляются факсы, звонят телефоны. Клетка функционирует! Процесс же деления клетки, при этом, похож на переезд в новое помещение. Все оборудование сложено и запаковано в коробки, которые удобно переносить с места на место. Однако работать в таких условиях совершенно невозможно! Не случайно часть клеток в вашем теле постоянно делится (их называют стволовыми клетками). Другая же часть, образующаяся в результате таких делений, специализируется на определенной работе и уже не делится вплоть до своей гибели. К неделящимся клеткам относятся, например, мышечные клетки сердца или нервные клетки. Не случайно про последние говорят, что они «не восстанавливаются». Стволовые клетки постоянно работают в глубине кожи или в стенках кишечника, благодаря чему и происходит регулярное обновление эпидермиса и слизистой выстилки кишок.
Перед началом деления каждая нить ДНК успевает построить свою копию. Затем эти нити компактно сворачиваются. Получается пара совершенно одинаковых хромосом, обычно соединенных до определенного момента своей средней частью. В процессе деления клетки хромосома и ее копия разъезжаются в противоположные стороны. Наглядно представить, как это происходит, очень легко — прижмите свои ладони друг к другу, а потом медленно разведите руки в стороны. Именно так расходятся хромосомы одной пары к противоположным полюсам клетки во время ее деления. Аналогичным образом ведут себя и остальные хромосомы. Таким образом, в результате деления вместо одной клетки получаются две, и каждая из них содержит ровно столько хромосом, сколько было у материнской клетки. То есть вместо одной клетки возникают две ее копии. Такой способ деления называется митозом
Как из диплоидных соматических клеток образуются гаплоидные половые клетки? Что при этом происходит с хромосомами? Для того чтобы разобраться с этими вопросами, вернемся к нашей аналогии с картами. Представим себе молодую супружескую пару. Назовем их условно Он и Она. В каждой его соматическом клетке находятся хромосомы черной масти — трефы и ники. Набор треф от шестерки до туза он получил от своей мамы. Набор пик — от своего папы. В каждой ее соматической клетке хромосомы красной масти — бубны и червы. Набор бубен от шестерки до туза она получила от своей мамы. Набор червей — от своего папы.
Для того чтобы получить из диплоидной соматической клетки половую клетку, число хромосом надо уменьшить вдвое. При этом половая клетка обязательно должна содержать полный гаплоидный набор хромосом. Ни одна не должна потеряться! В случае карт такой набор будем делать следующим образом. Берем первую пару его карг черной масти — две шестерки. Наугад выбираем одну из них. Предположим, это окажется шестерка пик. Отложим ее в сторону. Затем берем вторую пару — семерки. Делаем то же самое. Случайно выбираем одну из них и откладываем к шестерке.
Действуя таким образом, из двойного набора карт черной масти мы получим одинарный. Он будет включать все карты черной масти от шестерки до туза поштучно, однако какие именно это будут карты (трефы или пики), определяет случай. Например, в одном таком наборе шестерка может быть пиковой, а в другом — трефовой. Нетрудно прикинуть, что в примере с каргами при таком выборе одиночного набора из двойного мы можем получить 29 комбинаций — более 500 вариантов!
Точно так же будем составлять одиночный набор из ее карг красной масти. Получим еще более 500 разных вариантов. Из его одиночною и ее одиночного набора карт составим двойной набор. Он получится «пестреньким»: в каждой паре карт одна будет красной масти, а другая — черной. Общее число таких возможных наборов 500 х 500, то есть 250 тысяч вариантов.
Примерно также дело происходит и с хромосомами при образовании половых клеток из соматических. Существует особая разновидность деления клеток — мейоз, при котором число хромосом уменьшается вдвое. В результате из клеток с двойным, диплоидым набором хромосом получаются клетки, каждая из которых содержит одиночный, гаплоидный набор хромосом. Предположим, в результате мейоза в вашем теле образовалась половая клетка. Сперматозоид или яйцеклетка — в данном случае неважно. Она обязательно будет содержать гаплоидный набор хромосом — ровно 23 штуки. Что именно это за хромосомы? Рассмотрим для примера хромосому № 7. Это может быть хромосома, которую вы получили от отца. С равной вероятностью она может быть хромосомой, которую вы получили от матери. То же самое справедливо для хромосомы № 8 и для любой другой.
Поскольку у человека гаплоидный набор хромосом равен 23, то число возможных вариантов половых гаплоидных клеток, образующихся из диплоидных соматических, равно 223. Получается более 8 миллионов вариантов! В процессе оплодотворения две половые клетки соединяются между собой. Следовательно, общее число таких комбинаций будет равно 8 млн х 8 млн = 64 000 млрд вариантов! На уровне пары гомологичных хромосом основа этого разнообразия выглядит так. Возьмем любую пару гомологичных хромосом вашего диплоидного набора. Одну из таких хромосом вы получили от матери, но это может быть хромосома либо вашей бабушки, либо вашего дедушки по материнской линии. Вторую гомологичную хромосому вы получили от отца. Однако она, опять-таки, может быть, независимо от первой, либо хромосомой вашей бабушки, либо вашего дедушки уже по отцовской линии. А таких гомологических хромосом у вас 23 пары! Получается невероятное число возможных комбинаций. Неудивительно, что при этом у одной пары родителей рождаются дети, которые отличаются друг от друга и внешностью, и характером.
Кстати, из приведенных выше расчетов следует простой, но важный вывод. Каждый человек, ныне здравствующий или когда-либо живший в прошлом на Земле, абсолютно уникален. Шансы появления второго такого же практически равны нулю. Поэтому не надо себя ни с кем сравнивать. Каждый из вас неповторим, и тем уже интересен!
На самом деле, число, если можно так выразиться, возможных вариантов людей, которое определяется сочетаниями их хромосом, доставшихся им от родителей, еще больше, чем приведенные выше цифры. Дело в том, что в процессе мейоза гомологичные хромосомы диплоидных клеток иногда обмениваются одинаковыми участками. Такой процесс называется на языке биологии кроссинговером. Если вернуться к аналогии с картами, это похоже на ситуацию, когда возникает карта дама крестей, которая поменялась своей головой с пиковой дамой. Не будем здесь описывать все подробности механизма таких обменов у хромосом. Важно лишь подчеркнуть, что образование гаплоидных клеток из диплоидных и последующее их сочетание — неисчерпаемый источник генетического разнообразия. Каждый человек является уникальным носителей только ему присущего набора генов и хромосом.
Хромосомы и пол
В индустрии развлечений самой удачной идеей было разделение людей на два пола.
Янина Инохорская
Гены сексуальности
Сразу надо оговориться — речь пойдет не о наследственных задатках, от которых зависит страстность сексуального поведения, а о генах, которые определяют развитие человеческого зародыша в существо мужского или женского пола. Не надо забывать, что немного интригующее слово «секс» в переводе с латыни означает вполне нейтральный в русском языке термин «пол». Латинский глагол scculare переводится при этом как «разделять», чем подчеркивается, что два пола являются как бы независимо существующими отдельностями. Русское же слово «пол» явно намекает на половинку, которой многим людям так недостает для счастья. Впрочем, это лини, замечание по ходу дела. Давайте лучше поговорим о механизмах определения пола на хромосомном и на генетическом уровнях.
До начала XX века у людей были самые смутные представления о том, каким образом определяется пол будущего ребенка. Например, древние греки верили, что девочка рождается при оплодотворении женщины семенной жидкостью из левого яичка мужчины, а мальчики появляются на свет в результате оплодотворения этой жидкостью из правого яичка. Понять логику их рассуждений несложно: правый — правильный — сильный — мужской… Бытовало мнение, что если во время соития женщина лежит на правом боку, она должна зачать мальчика, а если на левом — девочку. Аристотель совершенно всерьез считал, что овца зачинает плод мужского пола, если стоит головой к северу, и женского, если к югу. Долгое время врачи древности полагали, что в женской матке существует три камеры. Одна для мальчиков, другая для девочек, а третья, непарная, для гермафродитов. Развеять эту морфологическую несуразицу удалось только в эпоху Возрождения универсальному Леонардо да Винчи и великому анатому Андреасу Везалию.
В далеком от нас 1672 г. нидерландский анатом и физиолог Репье де Грааф впервые увидел фолликулы млекопитающих в их яичниках. Он работал с забитыми коровами и свиньями. Чтобы извлеченные из них яичники было легче резать, он варил эти репродуктивные органы в кипятке. Также, кстати, поступал и великий Леонардо да Винчи с глазными яблоками человеческих трупов, когда изучал анатомию органов зрения. Повышенная температура вызывала денатурацию белков, в результате чего фолликулы становились белыми шариками. Такой же процесс происходит при варке куриных яиц. Неудивительно, что де Грааф считал обнаруженные им фолликулы именно яйцами животных. Теперь-то мы знаем, что фолликул яичника — это своеобразная камера, стенки которой образованы особыми вспомогательными клетками. Внутри этой камеры и происходит созревание будущей яйцеклетки, которая гораздо меньше самого фолликула. Основываясь на своих наблюдениях и опытах, Грааф опубликовал работу «О женских органах, служащих делу размножения», в которой впервые описал структуру яичника. Впоследствии полость, в которой развивается яйцеклетка, была названа «граафовым пузырьком».