скачать книгу бесплатно
К 1966 г. американский биохимик индийского происхождения Хар Корана и другие молекулярные биологи расшифровали генетический код.
В итоге сформировалось следующее определение молекулярной биологии – это наука:
• о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации;
• о структуре и функциях белков.
Рассмотрев этапы развития молекулярной биологии, более предметно углубимся в эту науку и посмотрим, что такое гены и что такое белки.
Гены – это цепочки ДНК, но гены нам интересны не с точки зрения структур, а с точки зрения информации.
Любой живой организм состоит из органов, органы из тканей, ткани из клеток, а клетки из белков. Белки – это и ферменты, и гормоны, и мышечные волокна, и антитела, в общем, всё, из чего состоит клетка.
Белки – это рабочая сила, благодаря которой клетки выполняют свои функции.
В книге русского физиолога Юрия Сергеевича Ченцова «Введение в клеточную биологию» говорится, что клетка – это ограниченная активной липопротеидной мембраной упорядоченная система белков и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности обменных и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.
Внутриклеточные структурные элементы представляют собой системы второго порядка. Ядро клетки является системой хранения, воспроизведения и реализации генетической информации, заключенной в ДНК хромосом.
Белки состоят из аминокислот. Ученые насчитывают 20 аминокислот, которые дают организму всё многообразие белков.
Последовательность аминокислот определяет форму белка. Форма белка определяет его функцию, например, гемоглобин способен переносить кислород благодаря своей форме.
Любое вещество (белок) взаимодействует с другими веществами благодаря рецепторам[7 - Рецепторы – чувствительные нервные образования анализаторов, воспринимающие и преобразующие раздражения. С помощью рецепторов организм получает необходимую для его жизнедеятельности информацию о разнообразных изменениях во внешней и внутренней среде.], по принципу ключ-замок, потому что определённое вещество подходит к определённому рецептору как ключ к замку.
В ДНК белки зашифрованы в виде последовательностей нуклеотидов. Нуклеотиды – это органические соединения: Аденин, Гуанин, Цитозин и Тимин (А, Г, Ц, Т).
В РНК вместо тимина находится урацил. Аминокислоты кодируются последовательностью трёх нуклеотидов, например: Гуанин, Гуанин, Цитозин (ГГЦ), пример этой комбинации нуклеотидов называется аминокислота Глицин.
Если взять четыре нуклеотида и собрать все комбинации по три, получится 64 комбинации. Из которых 61 комбинация кодирует аминокислоты и ещё 3 комбинации – это стоп-кодоны, которые останавливают в системе копирование ДНК.
При делении клеток копируется ДНК, то есть, последовательность нуклеотидов, и другой клетке передаётся последовательность аминокислот прежнего организма, а так же информация обо всех белках.
ДНК – это двойная цепочка, которую при копировании разделяет специальный фермент на две цепочки, далее к цепочкам достраиваются пары, что в итоге даёт две новые ДНК.
Перенос информации с ДНК на РНК называется транскрипцией. РНК – это переносчик информации от ДНК к клетке, на ней копируется часть информации от ДНК, и по этой информации клетка в итоге понимает, каким образом ей работать.
Белки могут выступать, в том числе в роли ферментов, которые катализируют реакции. Ферменты могут разъединять соединённые белки и соединять разъединённые.
• Белки стыкуются и передают информацию.
• Ферменты соединяют и разрывают белки.
Информация всегда передаётся от ДНК к белку по следующему алгоритму:
от ДНК к РНК.
от РНК к белку.
Этот алгоритм показывает главенствование ДНК в организме.
При копировании ДНК иногда происходят ошибки при копировании последовательности нуклеотидов, что приводит к мутациям[8 - Мутация – внезапное изменение унаследованной характеристики организма. Мутации подвержены ДНК и гены. Иногда изменения происходят в процессе адаптации организма к новому окружению, и подвергшийся мутации ген переходит в результате естественного отбора в следующее поколение. Естественная мутация, таким образом, представляет собой один из важнейших путей эволюции организма.].
Молекулярная биология описывает следующие виды мутаций:
• Точечная мутация – это мутация, при которой одна буква последовательности нуклеотидов случайно меняется на другую. В этом случае белок может немного измениться, и он начнёт работать менее качественно;
• Делеция – это мутация, при которой у предыдущей комбинации теряется и примыкает к следующей одна буква, что полностью меняет последующий код.
• Инсерция – это мутация, при которой дублируется одна буква и весь код изменяется.
Мутация в гене, которая на 0,5% повышает способность особи размножаться, позволяет этому гену распространиться по всей популяции.
Таким образом, идея естественного отбора в эволюции сочетается с идеей способности гена распространяться при мутации по всей популяции. Это объясняет закономерности эволюции и с точки зрения молекулярной биологии.
Когда незначительная мутация какого-либо белка повысит репродуктивность особи на 1,5%, то через некоторое время новая версия гена распространится по всей популяции.
При помощи белков гены задают организмам их признаки: рога, клыки, лепестки, почки и другие.
Редко, когда один ген идёт сразу же за другим геном, обычно между ними на ДНК находятся длинные отрезки. Эти отрезки не кодируют белки и многие считают их «мусорным» ДНК. При этом ДНК на 95% состоит из этих некодирующих отрезков.
Оказывается, эти 95% – это не мусор, а инструкция о том, когда активировать ген, это система переключателей, которые включают и выключают ген.
Таким образом, в ДНК строго за последовательностью гена следует информация, которая задаёт процессы активации этого гена.
Значит, цепочки ДНК – это не отправные точки догмы жизни, потому что:
• ДНК подчиняется правилам;
• Гены подчиняются правилам;
• 95% ДНК – это инструкции-правила для работы генов.
ДНК сама по себе не знает, что она делает. ДНК – это конструктор, который подчиняется разным факторам. ДНК могут управлять внешние регуляторы, например, белок особой формы, который, попадая в участок ДНК с инструкцией, образно нажимает на переключатель и начинает процесс транскрипции гена.
Кто же управляет этими белками, которые нажимают эти переключатели?
В клетке есть среда, которая, когда, например, у клетки кончается энергия, и белок активирует один из факторов транскрипции, то он связывается с рядом переключателей, производящим другие белки, которые занимаются ускорением, поглощающим энергию структуры клетки. Здесь среда регулирует генетические эффекты. Среда регулирует деятельность генов в ДНК, а сами гены не знают, что они делают. Понятие среды может выходить далеко за пределы клетки. Пример того, как среда внутри организма включает транскрипцию гена в клетке, можно увидеть в гормональной регуляции. Когда химическое сообщение приходит извне клетки и связывается со своими рецепторами, как ключ и замок, то в результате этой связки начинается транскрипция внутри клетки.
Это краткое описание того, как работают гормоны, свободно перемещаясь внутри организма и воздействуя на клетки по всему телу.
Большинство гормонов по своей природе – это белки, которые запускают программы передачи сигналов, активируя или деактивируя какой-либо фактор транскрипции в гене.
Влияние окружающей среды вокруг организма на процессы, происходящие внутри организма – это когда какое-либо воздействие в виде сенсорной информации через органы чувств: зрение, слух, ощущения, приходит по каналам восприятия из внешнего мира.
Так, события, происходящие во внешнем мире, регулируют происходящее в генах.
Поскольку 95% ДНК – это инструкция к гену, то самое интересное не то, как эффективно ген что-то делает, а то, когда и при каких условиях он это делает.
Забегая вперёд, намекну, что мы разобрали ещё одну силу, которая нас будет интересовать в следующей части – это правило «Если – То». Если поступает сигнал, например, о низком уровне глюкозы в клетке, то начинается производство белка, отвечающего за поглощение глюкозы из крови. Если по каналам восприятия, например, через ощущения поступает резкий и неприятный запах из окружающей среды, то активируются ещё какие-либо процессы, связанные с реагированием на этот запах.
Воздействие из окружающей среды не меняет сам белок, оно меняет контекст «Если-То», и позже мы увидим, что гораздо интереснее контекст, чем форма белка.
Мы увидели, каким образом молекулярная биология объясняет феномен жизни, благодаря свойствам макромолекул ДНК, в которой зафиксирована структура генов и белков, активность которых обеспечивает жизнь организмов на молекулярном уровне.
Также мы рассмотрели ряд уровней регуляции:
• Ферменты определяют, какие белки производятся;
• Факторы транскрипции включают и выключают гены;
• Факторы транскрипции отражают события внешнего мира.
Помнишь выражение в книгах или фильмах о магии, которое наверняка Тебе попадалось: «Что внутри, то и снаружи»? Вот и представь себе, насколько точное это выражение.
В науке, изучающей молекулярную биологию, мы кратко и обобщённо рассмотрели основные принципы внутриклеточной работы живых организмов, и нашли силы, интересующие нас для понимания и этих процессов, в том числе регулирующих и формирующих поведение у живых организмов.
Эти силы:
•Гены, как информация, которая кодирует белки;
•Белки, как рабочая сила, выстраивающая все системы в живых организмах;
•Взаимовлияние генов и белков друг на друга.
Это всё сложные, но важные процессы. Необходимо осознать то, что и гены, и белки влияют друг на друга, организовывая живой организм в систему, которая работает и у которой есть поведение.
Силы, знанием о которых мы будем пользоваться, которые организовывают взаимовлияние гена и белка друг на друга, далее мы будем называть силами биомолекул.
Силы окружающей среды
Нет смысла разделять влияние
генетики и среды на человека.
Карл Циммер
Теперь, когда уже выведены силы эволюции, которые организовали всё живое в нашем мире именно таким образом, как оно есть, и силы биомолекул, которые оформляют живые организмы в те формы, которые они имеют. Когда уже есть некоторое понимание, как эти силы направляют поведение живых организмов, мы перейдём к изучению силы, влияющей на организмы со стороны.
Тема этой части – как внешний мир влияет на гены. И как это влияние отражается на внутреннем мире живого организма.
Гены влияют на внутренний мир живого организма, создавая в нём разные склонности, формирующие его поведение. Наследование врожденных форм поведения изучает наука генетика поведения, по-другому эту науку называют психогенетика.
В учебно-методическом пособии для ВУЗов «Основы психогенетики» психогенетика определяется, как междисциплинарная область знаний, пограничная между психологией и генетикой. Предметом её исследований являются относительная роль и взаимодействие факторов наследственности и среды в формировании индивидуальных различий по психологическим и психофизиологическим признакам.
Основные методы исследований в психогенетике:
1. Генеалогический метод – метод составления и анализа родословной, который позволяет выявить роль наследственности в формировании признака.
2. Близнецовый метод. Близнецы – одновременно родившиеся дети.
• Монозиготные[9 - Монозиготные близнецы, развивающиеся из одного оплодотворенного яйца (зиготы).] близнецы – имеют 100% схожесть генотипа, сформировались из одной оплодотворенной яйцеклетки.
• Дизиготные[10 - Дизиготные близнецы, появившиеся в результате оплодотворения двух отдельных яйцеклеток двумя сперматозоидами.] близнецы имеют 50% схожесть генотипа, сформировались из двух оплодотворенных яйцеклеток.
Для отдельных признаков с помощью близнецового метода определяют: схожесть – когда признак проявляется у обоих близнецов, и различие – когда признак проявляется в фенотипе у одного близнеца, а у другого – нет.
3. Метод разлучённых близнецов даёт возможность отделить сходство, вызванное одинаковым генотипом от сходства, причиной которого является воздействие одинаковой среды.
4. Метод приёмных детей. Позволяет выявить роль наследственности и среды путём сравнения вариативности признаков у детей и их биологических и приёмных родителей.
Около 100 лет назад учёные были уверены, что если определённая черта передалась по наследству, то она генетическая. Они тогда не учитывали, что у всей семьи в данном случае не только общие гены, но и одинаковая окружающая их среда. В чём проблема этих подходов?
В предыдущей части мы начинали разбирать, что не только гены, но и условия окружающей среды оказывают влияние на формирование организма и на его поведение.
О проблемах, с которыми сталкиваются учёные, изучающие генетику поведения, рассказывает профессор кафедры биологии Стенфордского университета Роберт Сапольски в своих лекциях по биологии поведения человека, и проблемы по его словам следующие:
Первая проблема – пренатальное[11 - Пренатальный – предродовой. Обычно термин «пренатальный» применяют к поздним стадиям эмбрионального развития.] влияние общей с матерью пренатальной среды.
Основные методы психогенетики: усыновление, разлучённые при рождении близнецы – монозиготные и дизиготные и так далее – всё это основано на том допущении, что среда начинается только с рождения.
Однако во время вынашивания ребёнка у матери с плодом идёт обмен кровью, и при этом всё, что мать испытывает, всё, что отличает её среду от среды других людей – это всё влияет на плод. Такое влияние называется пренатальным.
Пример: Допустим, плод при вынашивании, через кровообращение с матерью, получает повышенную дозу глюкокортикоидов – гормонов стресса, потому что его мать испытывает стресс. В результате, когда ребёнок родится, то его мозг будет меньше, чем у других детей, чьи матери не испытывали стресс во время беременности. При этом имеется определённый участок в мозге, которого это коснётся в первую очередь. Его функции – отключать реакцию на стресс, и если он будет меньше, то человек будет хуже справляться со стрессом.
О глюкокортикоидах и других гормонах подробнее поговорим в следующей части.
В результате, поскольку этот участок мозга меньше, то и влияние глюкокортикоидов на человека всю жизнь будет больше, при этом у человека и так повышен уровеньгормонов стресса, в итоге суммарное воздействие стресса на организм получается гораздо сильнее. Если этот человек был девушкой, то когда она забеременеет, у её ребёнка будет так же повышенный уровень гормонов стресса в организме. И этот ребёнок родится с мозгом меньшего размера и с корой головного мозга более тонкой, чем у сверстников. Видно, что изменение внутриутробной среды матери имеет результаты даже спустя два поколения.
Учёные выяснили, что этот эффект длится примерно семь поколений. Сила этого эффекта ослабевает с каждым поколением, а потом совсем исчезает. Это пример негенетического наследования признаков, где роль играет только пренатальная среда.
При этом, придя через секунду после рождения к ребёнку и заметив, что у него повышенный уровень гормонов стресса, как у его матери, и более тонкая кора головного мозга, можно прийти к выводу, что на эти признаки повлияли генетические факторы. Хотя на самом деле ключевую роль здесь сыграла окружающая внутриутробная среда ребёнка.
Такое негенетическое наследование признаков очень важно.
Когда мы будем рассматривать родовые программы, нам будет полезно помнить эти процессы.
Зимой 1944 года Нидерланды были оккупированы немцами, которых оттесняли по всему фронту, отступая, немцы теряли большие территории, и тогда в наказание за сопротивление руководство нацистов решило: всю еду из Нидерландов перевезти в Германию. В истории это событие получило название «Голодная зима»[12 - Голодная зима (нидерл. hongerwinter) – массовый голод, поразивший гражданское население Нидерландов под конец Второй мировой войны и унёсший жизни около 18 тысяч человек. Причиной голода стало эмбарго, наложенное Германией на поставку продовольствия в Западные Нидерланды после провала операции «Маркет Гарден» и начала забастовки железных дорог, охватившей страну в сентябре 1944 года. Численность населения в зоне бедствия превышала 3 миллиона человек.]. Во время неё людей лишили здорового питания по военным меркам. Голод длился всего одну зиму и за этот период погибло 18000 человек. При этом, когда Нидерланды вернулись к прежнему состоянию, с плодами у беременных женщин, которые были на 7, 8 и 9 месяцах беременности в эту голодную зиму, произошло кое-что интересное. Кроме гормонов в крови матери так же находятся питательные вещества. В ходе международного исследования «Dutch Famine Birth Cohort Study» (перевод с английского – «Исследование голландской когортной группы по рождению от голода»), которое проводилось Академическим медицинским центром в Амстердаме в сотрудничестве с Университетом Саузгемптона в Великобритании в 1990-е годы, опубликованного в журнале «Human Biology», было выявлено следующее: На 7, 8 и 9 месяцах беременности по содержанию калорий в крови матери плод понимает, много или мало во внешнем мире питательных веществ. Плод на 7, 8 и 9 месяцах беременности за «голодную зиму» усвоил важный факт, что там снаружи мало еды. Если мать голодает, то в крови понижается уровень питательных веществ, вследствие чего происходит метаболическое программирование. Это программирование вырабатывает экономный фенотип. В утробе матери её плод программирует свою поджелудочную железу на определённый режим работы на всю жизнь. Как только в крови появляются питательные вещества, поджелудочная железа вырабатывает инсулин, который помогает накопить больше калорий. Далее, когда рождается ребёнок с экономным метаболизмом, то его тело хорошо накапливает питательные вещества. Исследования показали, что эти люди во взрослом возрасте в 19 раз чаще страдают от ожирения и сопутствующих ему болезней. Это программирование происходит именно в конце 6 и начале 7 месяца беременности.
Ребёнок развивается в утробе матери в «голодную зиму», в итоге после рождения у этого человека запрограммирован экономный метаболизм. Через 30 лет, если этот человек девушка, и она забеременела, при этом даже если она нормально питается, а у неё экономный метаболизм, то её организм будет забирать большую часть калорий себе, а её ребёнок из-за этого будет получать непропорционально меньшее количество калорий. В итоге он рождается с менее выраженным феноменом эффекта «голодной зимы», но теперь это проявляется и у её внуков. И это негенетическая передача признаков.
Учёным-генетикам, отстаивающим точку зрения передачи признаков через гены не нравятся эти эффекты, так как они малозаметны. При этом другие учёные обратили на них внимание и провели исследования, из которых сложилась целая наука – изучение пренатальных причин заболевания у взрослых.
Повышенный уровень гормонов стресса до рождения повышает вероятность тревожных расстройств у взрослого, вне зависимости от постнатальной (то есть после рождения) среды.
Мельчайшие детали внутриутробной среды могут затем проявляться в последующих поколениях.
Вторая проблема связана с внутриутробным обучением. С тем, что обучение до рождения возможно. Пример: Во время беременности ребёнку хорошо слышно голос матери. В экспериментах беременные женщины на 7, 8, 9 месяце беременности читали одну и ту же сказку по 4 раза в день. Затем с новорождёнными проводили тест, чтобы узнать, что они предпочитают слушать (когда им нравится, они делают всасывающие движения губами), в итоге этим новорождённым больше нравилось слушать именно эту сказку. Так же проводили исследование, когда отцы читали эту же сказку через подобие мегафона на животе матери, и это уже не срабатывало, так как было недостаточно резонанса, что говорит о том, что важны звуки только от матери.
