Спираль спиралей: хромосома и ДНК
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
У некоторых растений длина молекулы ДНК, находящейся в хромосомах, достигает сорока метров! А вместе с тем спирали наследственности — в каждой клетке человека их несколько десятков — помещаются в клеточном ядре размером несколько микрон! Как достигается такая компактность упаковки? Зависит ли работа наследственного аппарата от формы хромосомы? Чем различаются хромосомы животных и растений? Чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, исследователи с помощью мощного электронного микроскопа засняли необычный «фильм». Главная его героиня — хромосома.
Кадр за кадром мы вместе со специалистами сможем наблюдать за рождением хромосомы, которая, по мнению исследователей, не столько «упаковка» для ДНК, сколько сложнейшее сооружение, от чьей архитектуры во многом зависит работа наследственного аппарата.
Здесь мы сразу же попадаем в белый космос, усеянный черными звездами. В действительности такой «небосвод» может быть и настоящего черного цвета, но методика, примененная микроскопистами, сделала его белым. А черные «звезды» — не что иное, как срезы молекул ДНК. Этот мир находится в непрерывном движении. Спиральные молекулы перемещаются нам навстречу. То одна, то другая изгибаются словно гигантские змеи. К ним медленно подплывают маленькие цилиндры (их называют нуклеосомами). ДНК, словно удав своими петлями, захватывает цилиндр, и через минуту он оказывается прочно обмотанным плотными спиральными витками ДНК. Так завершается первый акт рождения хромосомы.
Огромная, сорокаметровая молекула, уменьшаясь в размерах, опутывает множество роликов-нуклеосом. Вот нить сократилась еще раз, затем еще — так родилась плотно скрученная пружина. А вскоре спираль медленно собралась в несколько «цветков», соединенных друг с другом стеблем. Это и был последний кадр в фильме о рождении спирали спиралей.
Хромосома, как показали эти исследования — это одновременно несколько спиралей. Ведь ДНК — уже спираль, накрученная на нуклеосому, она — спираль вдвойне. Конструкция спирализуется много раз. То, что ДНК и хромосома имеют спиральную форму, известно сравнительно давно, но вот как работает архитектура такого рода, как она помогает успешной реализации генетического материала, как, например, считывается в нужное время с определенного участка нуклеиновой кислоты информация, а по ней строятся белки — основа «здания» жизни?
Жизнь возникает в трудноуловимой «чехарде» ферментов, считывающих, режущих, сшивающих, кроящих, перестраивающих, транспортирующих ДНК, РНК, белки, аминокислоты и некоторые другие вещества. Но как не собьются с пути мириады молекул ферментов, кишащих около хромосомы? Как они построят белки, с поразительной точностью перенесут РНК, ДНК и т. д.? Вот вопрос. И ответ на него поможет найти биологическая архитектура. В ее форме также зашифрован своеобразный план, во многом направляющий ход жизненных процессов. Например, один виток спирали может содержать один или несколько генов, которые ферменты должны прочесть одновременно.
И для этого вовсе не нужно раскручивать всю спираль. Такая операция проделывается лишь с одним из фрагментов хромосомы. Именно с тем, где находятся гены, кодирующие белки, необходимые организму в определенный момент его развития. Таким образом, форма способна задавать ритм его чтению. Спираль своими кольцами разбивает текст из генов на «слова», «фразы», «абзацы», «страницы», «главы».
Иногда генетический материал нужно распределить не только по «главам», но и по «томам». Вероятно, есть хромосомы, состоящие из нескольких отдельных частей. Они напоминают несколько «вагонов» хромосом, объединенных в один «состав» — субхромосому. В каждый из таких «вагончиков» входит отдельная молекула ДНК, а весь «состав» сложен уже не из одной, а из нескольких молекул ДНК. Причем в процессе эволюции меньшие звенья могут меняться местами и таким образом создавать новые тексты с иным порядком слов, абзацев, глав. А от такой необычной перестановки мог сильно измениться смысл «книги», и на свет могут появиться новые виды живых организмов. Так «вагоны» «поезда» хромосомы способствуют эволюционному процессу.
Словом, всех заслуг биологической архитектуры не перечесть. Но есть и еще одна: спираль спиралей — во многом двигатель живого. От нее зависит мощность организма, его способность работать в том или ином режиме и ритме, производить определенное количество белков, жиров, углеводов. Дело в том, что у растений часто хромосомные нити удваиваются, утраиваются, дублируя друг друга, так растет и количество генетического материала. А чем больше генов, тем выше производительность клетки.
Таким образом, хромосома — это прекрасный дом, первым защищающий еще хрупкую, только зародившуюся вокруг ДНК жизнь, дом, помогающий ей окрепнуть, встать на ноги, чтобы построить сначала клетку, а затем проявить себя в живом существе. Дом, форма которого способствует зарождению жизни. Поэтому, чем больше мы знаем об этом загадочном сооружении, тем яснее нам видится живое, тем глубже мы проникаем в его суть и в то загадочное переплетение химических реакций, возникающих при строительстве биологических конструкций, которое создает основу для жизни.
Автор: С. Жемайтис.