Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980
Место действия
Эволюция сложных организмов
Митоз и мейоз
Процесс клеточного деления, называемый митозом, начинает и завершает клеточный цикл, в ходе которого делится отдельная диплоидная клетка. С биохимической точки зрения митоз представляет собой удвоение числа генетических матриц с последующим формированием из них компактных образований — хромосом. Последние распределяются поровну между двумя новыми клетками (подробно этот процесс описан в гл. 15, разд. Г.9).
Что происходит во время митоза с митохондриями? Они, как и хлоропласта в растительных клетках, делятся. Следовательно, на определенных стадиях клеточного цикла в этих органеллах происходит репликация ДНК. По крайней мере в ряде случаев деление митохондрий так связано с клеточным делением, что среднее число митохондрий в расчете на дочерние клетки остается строго постоянным. Аналогичное явление наблюдается и в клетках низших организмов, содержащих водоросли-симбионты, несмотря на то что такие водоросли могут жить и самостоятельно вне клеток организма-хозяина. Что заставляет водоросли, живущие внутри клеток хозяина, делиться синхронно с этими клетками, остается для биохимиков загадкой.
1 Число хромосом у некоторых других организмов следующее: у мыши — 20, у жабы — 11, у лука — 8, у москита — 3, у плодовой мушки Drosophila — 4.
Путем последовательных митотических делений из одной оплодотворенной яйцеклетки формируется взрослый организм. Для формирования организма человека достаточно всего 40—50 последовательных митозов. Однако образование гамет (половых клеток), имеющих гаплоидный набор хромосом, осуществляется путем мейоза — специального процесса, в ходе которого число хромосом делится надвое. При мейозе одна хромосома из каждой гомологичной пары, содержащейся в диплоидной клетке, переходит в одну из образующихся гамет. В организме, подобном Ascaris, который содержит единственную пару хромосом, гамета получает хромосому либо от отцовского организма, либо от материнского, но не от обоих сразу. В организмах, имеющих несколько пар хромосом, хромосомы при мейозе распределяются случайным образом, так что в каждой гамете имеются как материнские, так и отцовские хромосомы.
Более подробно мейоз рассматривается в гл. 15, где особое внимание уделено кроссинговеру. В ходе этого процесса, составляющего очень важную особенность мейоза, происходит разрыв связей между генами, что обеспечивает «перестановку» генов в хромосомах. Кроссинговер весьма сходен с генетической рекомбинацией у бактерий и на молекулярном уровне, видимо, неотличим от нее.
Дополнение 1-Г
Наследственные нарушения обмена веществ
В 1908 г. Арчибальд Гаррод (А. Garroda) предположил, что цистинурия (гл. 5, разд. Б.2.б), а также некоторые другие нарушения обмена аминокислот и сахаров являются наследственными заболеваниями. С тех пор число обнаруживаемых наследственных нарушений обмена веществ у человека увеличивается с возрастающей скоростью и превышает в настоящее время 1500б. Примерно для 100 из них выявлено, в чем состоит изменение структуры белка, ответственного за нарушение обменав-е; в качестве примера можно привести серповидноклеточную анемию (дополнение 4-Г). Однако в большинстве случаев нарушения метаболизма обусловлены потерей активности какого-либо необходимого фермента.
Многие генетические болезни очень редки и встречаются не чаще чем у одного человека из 10 000, но некоторые, например кистозный фиброз, поражают одного из 2500. Общее число страдающих наследственными болезнями превышает, как полагают, 2% от числа рождающихся. Многие из них погибают в младенчестве. Еще большее число людей (более 5%) страдает от диабета и психических заболеваний, также отчасти генетически обусловленных. Поскольку появление новых мутаций — непрекращающийся процесс, генетические заболевания представляют все более и более злободневную проблему.
Какова частота появления новых мутаций? Исходя из данных по содержанию гаплоидной ДНК (табл. 1-3), можно рассчитать, что общая кодирующая емкость ДНК клетки человека превышает 2 млн. генов (точнее, два миллиона пар генов для диплоидной клетки). Однако белки кодируются только частью ДНК. По оценкам разных авторов, число пар- структурных генов у человека колеблется от 20 000 до 100 000. Обращаясь в поисках какого-то ориентира к бактериям, можно отметить, что частота легко выявляемых мутаций у бактерий составляет около 10-6 на 1 ген, или 10-9 на пару оснований при каждом деленние. Следовательно, можно ожидать, что при репликации 2∙109 пар оснований (столько их содержится в хромосомах человека) произойдет примерно 2 ошибки за каждое деление. Поскольку от одного поколения людей до другого зародышевые клетки претерпевают несколько делений, число мутаций в каждом поколении должно быть весьма значительным. Другой источник новых мутаций — это повреждение двухцепочечной ДНК, которое может возникнуть за одно поколение (примерно 20 лет). Без сомнения, большая часть повреждений исправляется с помощью сложной системы репарации (гл. 15), но некоторые остаются. По счастью, многие мутации оказываются безвредными или почти безвредными, а некоторые могут быть даже полезными. Возможно- также, что система репликации (воспроизведения ДНК) У эукариот допускает меньше ошибок, чем у бактерий. С другой стороны, загрязнение окружающей среды мутагенными химическими веществами не может не вызывать серьезного беспокойства, поскольку является новым источником возникновения мутаций.
Многие мутации легальны. Несущая летальную мутацию-гомозигота не выживает — происходит спонтанный аборт (что остается обычно незамеченным). Имеются данные, что у вполне здоровых людей можно обнаружить до 10 рецессивных летальных мутаций, а также по крайней мере 3—5 аутосомных. рецессивных мутаций, влекущих за собой серьезные генетические дефекты. Вредные для организма доминантные мутация тоже часто встречаются в популяции. В частности, они проявляются в виде повышения уровня липопротеидов в крови и повышения концентрации холестерина, что в свою очередь приводит к повышению частоты сердечно-сосудистых заболеваний в молодом возрасте.
Биохимические нарушения представляют большой теоретический интерес в связи с тем, что они проливают свет на значение отдельных процессов обмена веществ; в этой книге мы нередко будем говорить о такого рода заболеваниях. Разумеется, основная цель изучения этих болезней состоит в поиске средств их лечения. В некоторых случаях, например при фенилкетонурии (гл. 14, разд. 3.5) или при галактоземии (гл. 12, разд. А.1), своевременно изменив диету больного, удается предотвратить необратимое повреждение головного- мозга — органа, который при этих заболеваниях обычно страдает в первую очередь. Во многих других случаях соответствующих методов лечения до сих пор не существует; поиски путей введения в организм недостающего фермента — своего- рода «генная хирургия» — относится к одной из наиболее увлекательных областей современной медицинской биохимии (гл. 15, разд. 3.4).
а Garrod А. Е., Inborn Errors of Metabolism, Oxford, London, 1909.
б Friedmann T., Roblin R., Science, 175, 949—955 (1972).
в Stanbury J. B., Wyngaarden J. B., Fredricksen D. S. eds., The Metabolic Basis of Inherited Disease, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, 1972.
г Brock D. J. H., Mayo O., eds., The Biochemical Genetics of Man, Academic Press, New York, 1972.
д Thompson R. H. S., Wooiion I. D. P., Biochemical Disorders in Human Disease, 3rd ed., Academic Press, New York, 1970.
e Watson J. D., Molecular Biology of the Gene, 3rd ed., p. 254, Benjamin, Menlo Park, California, 1976.