М.Г. ДОМШЛАК,
гимназия No14, г. Одинцово

Волшебные нити и красота

Эту лекцию я обычно читаю на факультативном занятии по курсу «Человек и его здоровье» как вводную перед рассказом о многообразии лекарственных средств, их действии на организм человека и использовании в лечебных целях. Поскольку слушателями являются девятиклассники, еще не начавшие изучать общую биологию и не знакомые со строением клетки, материал излагаю в адаптированном виде. Можно использовать такую форму подачи материала и в 10-м классе на первом уроке по изучению нуклеиновых кислот.

Сегодня никто не сомневается в существовании единого «кирпичика», из которого строится здание жизни. Живая клетка – основа практически всех форм жизни на Земле, за исключением вирусов. Клетка – своеобразное «государство», т.е. самовоспроизводящаяся система, физически отделенная от своего окружения. Такая изоляция необходима как для поддержания в клетке определенной концентрации химических веществ и поглощения необходимого «сырья», так и для выведения накапливающихся «отходов». Функции границы государства выполняет плазматическая мембрана клетки, помогающая регулировать обмен между внутренней и внешней средой.

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью. В состав мембраны входят белки, липиды, специфические рецепторы, переносчики электронов, преобразователи энергии, участвующие, например, в дыхании. Кроме того, на мембране расположены особые «антенны», распознающие внешние сигналы: «Стой! Кто идет?» В молекулах белков и между ними могут быть специальные каналы, пронизывающие мембрану. По этим каналам осуществляется жизненно важный транспорт полярных молекул, в том числе и обеспечивающий поддержание в клетке надлежащей концентрации водородных ионов (рН). Последнее необходимо для работы большинства ферментов и для доставки питательных веществ, служащих источником энергии и «сырьем» для образования клеточных компонентов.

У большей части клеток в плазматической мембране действует натриевый насос, активно выводящий натрий из клетки. В большинстве случаев натриевый насос сопряжен с калиевым. Последний активно поглощает ионы калия из внешней среды и переносит их в клетку. Такой объединенный насос называется натриево-калиевым. Это особый белок, пронизывающий мембрану. Его приводит в движение АТФ. К насосу с внутренней стороны поступают натрий и АТФ, а с наружной – калий.

Роль «столицы» в живом государстве выполняет ядро, а «провинции» – цитоплазма. Провинция клетки – сложнейшая система различных химических и биологических структур. В столице находится «правительство» – ее «величество» дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), не только управляющая страной, но и заботящаяся о грядущих поколениях.

Наследственная информация практически у всего живого на Земле записана в двуспиральных молекулах ДНК. Функция ДНК – регулирование жизнедеятельности клетки, воспроизведение самой себя и образование новых клеток. ДНК – очень длинный полимер, состоящий из чередующихся нуклеотидов – остатков фосфорной кислоты, углевода (дезоксирибозы) и одного из четырех азотистых оснований: гуанина (Г), аденина (А), цитозина (Ц) и тимина (Т).

По форме ДНК похожа на закрученную винтовую лестницу, состоящую из двух цепей – «перил», удерживаемых вместе «ступеньками» – парами азотистых оснований, соединенных водородными связями. Такая «упаковка» ДНК объясняется ее размерами. Например, общая длина всей ДНК человека составляет более 1010 км (в организме человека примерно 1013 клеток).

Отличительная особенность ДНК – комплементарность (взаимодополняемость) азотистых оснований. Нуклеотидная последовательность одной цепи ДНК служит матрицей при репликации (воссоздании) молекулы. Этот процесс начинается с разделения двух цепей, каждая из которых становится матрицей, определяющей последовательность нуклеотидов новой комплементарной цепи. Правильность репликации каждой из цепей ДНК обеспечивается точным соответствием и стабильностью комплементарных пар оснований (А–Т, Г–Ц) в двух дочерних цепях. Каждая из них содержит одну цепь родительской ДНК и дочернюю (новую), комплементарную материнской.

Синтез белка идет на особых «фабриках» – рибосомах, расположенных в цитоплазме. Суть синтеза белка состоит в переводе записанной в ДНК информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Для этого нужен «переводчик», и на помощь ДНК приходит ее кузина – рибонуклеиновая кислота (РНК), также линейный полимер, но гораздо более короткий. Основания РНК комплементарны основаниям ДНК, но в молекуле РНК одно основание – тимин (Т) – заменено на урацил (У) и вместо дезоксирибозы использована просто рибоза, имеющая на один атом кислорода больше. Кроме того, РНК – одноцепочечная структура.

РНК не похожа на свою сестру-домоседку, никуда не отлучающуюся из столицы. РНК – непоседа, и найти ее можно и в «столице», и «провинции». Это и понятно – ей приходится выполнять разные задачи в процессе переноса информации с ДНК. Одного типа молекул РНК для этого оказалось недостаточно, поэтому природа создала три основных вида моле–кул РНК.

Молекулы, считывающие информацию с ДНК, называются информационными РНК (иРНК). Такая молекула быстро соединяется с рибосомой, непродолжительное время работает как матрица (поэтому называется еще и матричной, или мРНК), «износившись», разваливается, и на ее место встает новая молекула иРНК. Этот процесс идет непрерывно на протяжении всей жизни клетки.

Молекулы РНК другого типа имеют гораздо меньшие размеры и разделены на 20 разновидностей в соответствии с количеством разных аминокислот, входящих в белки. Каждая молекула этого типа с помощью определенного фермента соединяется с одной из 20 аминокислот и доставляет ее к рибосоме, уже соединенной с иРНК. Это – транспортная РНК (тРНК).

Наконец, в рибосомах есть своя, рибосомная, РНК (рРНК), не несущая генетической информации, и поэтому она здесь обсуждаться не будет.

Передача генетической информации осуществляется нуклеиновыми кислотами в три этапа:

– репликация – копирование родительской ДНК с образованием дочерних молекул ДНК;
– транскрипция – перенос части генетической информации на РНК;
– трансляция – перевод информации, записанной при помощи четырехбуквенного кода (А, Т, Г, У) в РНК, на 20-буквенный код белковой цепи в рибосомах.

В механизме биосинтеза принимают участие более 200 различных ферментов и других специализированных макромолекул, необходимых для расшифровки и перевода символов генетического кода в трехмерную структуру белка. Этот процесс передачи генетической информации сравним с процессом тиражирования печатной продукции. Однако любой процесс копирования информации не гарантирован от опечаток. Любая опечатка, возникающая при наборе печатной продукции, расходится в количестве копий, зависящем от тиража. Такие опечатки возникают и при передаче генетической информации.

На протяжении жизни человек болеет, попадает в неблагоприятные производственные или климатические условия. Следствие этого – учащение «сбоев» в отлаженном генетическом аппарате. До определенного времени «сбои» себя внешне не проявляют, и мы их не замечаем. Увы! Со временем изменения становятся очевидными. В первую очередь они проявляются на коже.

В настоящее время результаты исследований биомакромолекул выходят из стен лабораторий, начиная все активнее помогать врачам и косметологам в повседневной работе. Еще в 1960-х гг. стало известно, что изолированные нити ДНК вызывают регенерацию клеток. Но только в самые последние годы XX столетия стало возможно использовать это свойство для восстановления клеток стареющей кожи.

Наука еще далека от возможности использования нитей экзогенной ДНК (за исключением вирусной ДНК) в качестве матрицы для «нового» синтеза ДНК непосредственно в клетках человека, животного или растения. Дело в том, что клетка-хозяин надежно защищена от внедрения чужеродной ДНК присутствующими в ней специфическими ферментами – нуклеазами. Чужеродная ДНК неминуемо подвергнется разрушению, или рестрикции, под действием нуклеаз. ДНК будет признана «чужеродной» по отсутствию в ней специфической для каждого организма картины распределения метилированных оснований, присущих ДНК клетки-хозяина. Вместе с тем, чем ближе родство клеток, тем в большей степени их ДНК будут образовывать гибриды.

Результат этого исследования – различные косметические кремы, включающие «волшебные нити» для омоложения кожи.

Однако не всегда гибридизация между нуклеиновой кислотой клетки «хозяина» и «чужеземкой» приводит к положительному эффекту. Например, при вирусной инфекции может возникнуть «молекулярная химера». Защитная система нуклеаз клетки не срабатывает при встрече с такими «пришельцами», хотя и образует защитный «вал» внутри клетки. Победа почти во всех случаях остается за «врагом».

Приоткроем завесу тайны. Вирус – коварен и при попадании в клетку не всегда сбрасывает «одежду» – белковую оболочку. Кроме того, он может образовывать в клетке гибридные комплексы с клеточными белками. Такого переодетого «пришельца» среди своих белков нуклеазы распознать не могут, и «враг» безнаказанно вершит «зло».

И все-таки существуют пути влияния нуклеаз на вирус внутри клетки. Такое влияние осуществляется через клетку и посредством клетки. Нуклеазы, существенно не нарушая жизнедеятельность клетки, замедляют ее размножение, процессы биосинтеза и, следовательно, процессы воспроизводства вируса. Ученые в экспериментальных условиях «заставили» нуклеазы подавлять разнообразные вирусы: оспы, гриппа, герпеса, полиомиелита и др. Получены и обнадеживающие результаты при перенесении эксперимента в клинику, в практику лечения больных.

Лозунг искателей новых лечебных средств (сегодня – теория, завтра – терапия) звучит в наши дни как никогда актуально.