Кроме синтеза белков индивидуальное развитие включает размножение клеток, а также и размножение самих организмов. Для этого необходим механизм воспроизведения генетической информации. Копирование генетической программы осуществляется посредством репликации ДНК в цикле деления клетки. Это вторая функция генов.
Репликация (от лат. Replicatio – повторение) означает процесс матричного аутосинтеза молекулы ДНК, ведущий к ее удвоению, самовоспроизведению. Как и в случае транскрипции, молекула ДНК разделяется на две нити и достраивается свободными нуклеотидами, но не по одной цепи, а сразу по обеим. Подбор нуклеотидов идет по принципу комплементарности: аденин – тимин, гуанин – цитозин. Новые цепи не удаляются со своих матриц, как это происходит с РНК при транскрипции, а остаются на них, удерживаемые водородными связями. В результате образуются две молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну старую и одну новую цепи нуклеотидов. Дочерние молекулы ДНК идентичны друг другу и в то же время повторяют материнскую молекулу. На рис. видно, как в репликативной вилке пара А-Т воспроизводится в две такие же А-Т пары, а пара Г-Ц, соответственно, в две Г-Ц пары.
Цикл деления и дифференцировка клеток
Когда в 1953 г. Уотсон и Крик показали возможность самокопирования ДНК по принципу комплементарности, научная общественность была в шоке: настолько неожиданно прост и надежен оказался механизм наследственности! Не столько структура ДНК, сколько вытекающий из нее механизм самокопирования представлял наибольший интерес в их открытии.
Ядерная ДНК находится в составе хромосом, она связана с большим количеством вспомогательных белков, способствующих ее правильной упаковке. Во время деления клетки эти структуры максимально спирализованы. Число хромосом (как и их размеры, форма) специфично для каждого вида животных или растений (хромосомный набор, или кариотип вида). В половых клетках содержится минимальный, одинарный, или гаплоидный, набор хромосом, включающий один комплект генов, т.е. один геном, его обозначают латинским символом “n”. Начиная от зиготы, полученной от слияния мужской (1n) и женской (1n) половых клеток, во всех поколениях соматических клеток воспроизводится двойной, или диплоидный, набор хромосом – 2n. Так, у человека в обычной соматической клетке содержится 46 хромосом – 23 хромосомы от матери и 23 такие же от отца (только по 23-й паре есть различия хромосом женского и мужского организмов).
Из сказанного следует важный вывод: каждый признак, то есть каждый белок, закодирован в клетке (и организме) не одним, а двумя генами, от двух гомологичных (одноименных) хромосом. Такие пары генов, отвечающих за один и тот же признак, называют аллельными генами, или просто аллелями. О преимуществах дублирования генов мы еще вспомним при рассмотрении
Во время интерфазы, между делениями, происходит репликация ДНК, в результате чего в каждой хромосоме ДНК удваивается. В ходе деления клетки (оно называется митозом) ядерная оболочка разрушается, хромосомы спирализуются, продольно расщепляются и симметрично расходятся к полюсам клетки. Следом происходит деление самой клетк В результате митоза в дочерних клетках воспроизводится исходный диплоидный набор хромосом 2n, поэтому каждая новая клетка обладает той же информацией о белках, что и материнская клетка.
Понятно, что размножаются только клетки с полноценным ядерным (хромосомным) аппаратом. Также исключена всякая самосборка клеток из неклеточного вещества, например, из желтка или белка в развивающемся яйце, из плазмы крови или других биологических жидкостей. Такие идеи предлагались еще на заре клеточной теории (Шлейден, 1838), но в 1855 году немецкий ученый Рудольф Вирхов “не оставил камня на камне” от такой теории, доказав на большом научном материале, что новые клетки возникают только от таких же клеток в результате их деления.
Деление клеток приводит к увеличению их числа. В крупных организмах насчитываются миллионы, миллиарды и триллионы клеток. Тело человека, например, образовано сотнями триллионов (1014) или даже квадриллионом (1015) клеток. В многоклеточном организме происходит дифференцировка клеток – появление структурно-функциональных различий между ними и формирование специализированных тканей.