Текст книги "Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем"
Автор книги: Льюис Уолперт
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 13 страниц)
С открытием Хиса наибольшую важность приобрели исследования внутренней структуры клетки. Ученые уже определили, что внутри как растительных, так и животных клеток находится ядро, хотя в ту пору никто еще не знал, что это ядро содержит в себе набор генов. Для того чтобы понять это, требовалось более тщательно изучить внутреннее строение клетки. Во время исследований растительных и животных клеток было установлено, что в момент деления клетки оболочка ядра растворяется и через срединную часть клетки протягивается веретенообразная структура. На этом веретене в центре клетки собирался определенный органический материал, который затем попадал в обе дочерние клетки. Когда клетка разделялась на две новые клетки, каждая из них получала свою отдельную оболочку и в каждой из них формировалось свое собственное ядро.
То, что собиралось в центре клетки на веретене, и представляло собой наследственный материал клеток – но кто мог понять это в ту пору? В 1870-е годы ученые установили лишь, что этот материал представляет собой набор микротрубочек различных размеров, каждая из которых делится надвое, и затем образовавшиеся пары разделяются и расходятся к разным полюсам клетки-матери, чтобы оказаться в новых клетках. Эти микротрубочки ученые назвали хромосомами.
Профессор зоологии Лейденского университета Эдуард ван Бенеден во время изучения паразитического червя установил, что в его клетках содержится всего несколько хромосом. Благодаря этому он мог легко проследить за судьбой каждой из хромосом при делении клеток, то есть в процессе митоза. Ван Бенеден установил, что каждая пара хромосом делится в центре клетки, после чего хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки. В ходе этих исследований ван Бенеден установил также, чем определяются половые различия особей.
Животные, размножающиеся половым путем, как, например, люди, половину своих хромосом получают от матери, половину – от отца. Это происходит в момент оплодотворения яйцеклетки. У людей каждый из родителей дает плоду по 23 хромосомы, в результате чего оплодотворенная яйцеклетка имеет 46 хромосом, и точно такое же количество хромосом содержится в каждой клетке человеческого эмбриона.
Изучая животное, в каждой клетке которого содержалось всего по две хромосомы, ван Бенеден догадался, что одна из этих хромосом была получена из отцовского сперматозоида, а другая – из материнской яйцеклетки. Таким образом, яйцеклетка и сперматозоид содержат лишь по одной хромосоме, и, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, она получает две хромосомы, и далее от нее путем деления образуются все без исключения клетки данного животного. Но как же взрослая особь, каждая из клеток которой содержит по две хромосомы, производит яйцеклетки и сперматозоиды, которые содержат лишь по одной хромосоме? Выяснилось, что процесс уполовинивания числа хромосом, мейоз, происходит одновременно с развитием яйцеклеток и сперматозоидов. Они проходят через две стадии деления клеток, однако при этом число хромосом в них удваивается лишь один раз. Мейоз – это один из основных генетических процессов. У людей, клетки которых содержат по 46 хромосом, в яйцеклетках и сперматозоидах получается по 23 хромосомы.
Главный вопрос, который так и не смогли разрешить в то время, как же именно передаются от родителей к детям их генетические характеристики. Особенно сложным он оказался для Чарлза Дарвина, выдвинувшего теорию эволюции и естественного отбора. Труды Дарвина по этой проблеме были впервые опубликованы в 1859 году. Каким же образом возникает разнообразие видов и их разнообразные отличительные характеристики, которые затем подвергаются естественному отбору? Дарвин, который не знал о теории клеток, полагал, что исходный материал, из которого развивается эмбрион, происходит из всех без исключения частей тел его родителей. Это стало известно под названием «теории пангенезиса». Племянник Дарвина Фрэнсис Галстон, не веривший в теорию пангенезиса, выдвинул предположение о том, что наследственный материал каким-то образом передается из поколения в поколение.
Фундаментальный прорыв в области генетики совершил Грегор Мендель. Рассказывать об этом весьма сложно, ибо неясно, насколько сам Мендель сознавал все его значение.
Результаты экспериментов Менделя с горохом в монастырском саду под Брно были опубликованы в издаваемом в Брно естественно-историческом журнале в 1866 году, однако они привлекли к себе очень мало внимания. Мендель писал, что характерные признаки гибридов гороха – такие, как округлая или угловатая форма семян, их желтый или зеленый оттенок, – следует считать наследственными признаками. Однако проявляются далеко не все признаки, поскольку некоторые из них подавляются каким-то одним, доминантным. При скрещивании рослых и малорослых сортов все потомство было высокорослым. Когда же между собой скрещивались эти гибриды, то треть потомства оказывалась низкорослым, а две трети – высокорослым. Речь о том, что за все это отвечают гены, в ту пору еще не шла.
Теодор Бовери из университета Вюрцбурга развил выводы ван Бенедена, сделанные в результате наблюдений за хромосомами, и доказал, что при развитии клетки все их характеристики сохраняются неизменными. Бовери пришел к выводу о том, что хромосомы являются независимыми образованиями по отношению к самой клетке. Он также обнаружил, что если в яйцеклетку морского ежа проникало больше одного сперматозоида, то в оплодотворенной яйцеклетке оказывалось избыточное количество хромосом и эмбрион развивался с дефектами. Исследование хромосом в клетках дождевых червей и морских ежей привело Бовери к выводу о том, что хромосомы переходят во вновь образовывавшиеся клетки при делении клеток и что именно они являются носителями наследственной информации. В 1902 году Бовери увидел взаимосвязь между своей теорией об индивидуальном характере хромосом и исследованиями Менделя о передаче наследственных признаков.
Бовери имел дело с генами, хотя их еще не называли так. У самого термина «ген» – весьма запутанное происхождение. В 1889 году Гуго де Вриес придумал термин «панген», которым он решил обозначить мельчайшую единицу, заключающую в себе наследственные характеристики. Затем этот термин укоротил до «гена» Вильгельм Йоханнесен. В 1908 году Уильям Бейтсон, зоолог из Кембриджского университета, описывая вопросы наследственности и изменения видов, написал: «Крайне необходимо придумать слово для того, чтобы обозначить само понятие об этом, и в этой связи слово „генетика“ вполне бы подошло».
Ученым, который с полной достоверностью установил существование генов, стал американец Хант Морган, сделавший это в первой четверти XX столетия. Морган был биологом-исследователем, однако никаких особых успехов он не добился. Однажды он изучал дрозофил и заметил, что одна из дрозофил обладает необычным свойством – белыми глазами (в то время как обычно у дрозофил глаза красные). Морган доказал, что эта необычная особенность была связана с полом дрозофилы.
Затем Морган обнаружил еще трех дрозофил, имеющих общие характерные признаки, которые были связаны с полом, и смог доказать, что за каждый из них отвечала особая область хромосомы, или ген. После этого ученые смогли наконец точно определить место генов в составе хромосом, и это позволило заложить фундамент науки генетики. Было признано, что гены – единственный механизм, отвечающий за передачу наследственных признаков от родителей потомству. Дрозофилы до сих пор остаются важным объектом генетических исследований, а Моргану за его достижения в этой сфере в 1933 году была присуждена Нобелевская премия.
Большая часть исследователей полагала, что ген сформирован на основе белка. Обнаружение в 1920-е годы вирусов, которые обладали способностью воспроизводиться внутри бактерий, подтвердило верность этих взглядов, поскольку исследования показали, что в 90 процентах случаев вирусы состояли из белка. В 1928 году были получены данные, которые указывали на то, что наследственная информация содержится в ДНК. Исследуя бактерию, которая вызывала пневмонию, британский медик и ученый-генетик Фред Гриффитс обнаружил, что эта бактерия существует в двух разновидностях: вирулентной, вызывающей заболевание в подопытных мышах, и безвредной. Когда он нагревал раствор с вирулентными штаммами, они также становились безвредными. Однако, к его удивлению, если он вводил подопытным мышам раствор с вирулентными штаммами, который был обезврежен в ходе нагревания, вместе с раствором с безвредными штаммами, то мыши заболевали пневмонией. Получалось, что вирулентные штаммы даже после того, как их подвергли нагреванию, сохраняли способность передавать свои болезнетворные качества безвредным штаммам.
Для того чтобы выяснить, что же именно передается в этом случае, ученым потребовалось пятнадцать лет, и они установили, что передается именно ДНК. Это открытие вызвало удивление, поскольку в те годы ученые полагали, что передаваться должны белки. Что ДНК содержит наследственный материал, выяснилось в ходе проведенных в 1944 году экспериментов с вирусами. Сами вирусы состоят из белка и ДНК, и исследования доказали, что наследственная информация, которая приводила к образованию новых вирусов, содержалась лишь в ДНК. В конце 1940-х годов было доказано, что качества бактерии меняются не под воздействием белка, но под воздействием ДНК. Однако некоторые ученые сомневались, что гены образованы спиралями ДНК. Предположение, что наследственный материал содержится именно в ДНК, а не в белках, получило окончательное подтверждение в начале 1950-х годов после открытия Криком и Уотсоном двойной спирали ДНК. Затем последовало открытие механизма саморепродукции ДНК и обеспечения строительства белков согласно содержащемуся в ДНК наследственному коду. Так ученые начали приближаться к пониманию молекулярной основы функционирования клеток.
Они выяснили, в чем заключаются функции хромосом, однако функции митохондрий удалось разгадать только в 1950-х годах. Эти небольшие образования были обнаружены во всех клетках, кроме клеток бактерий, еще в XIX столетии, однако выяснить их функцию тогда не смогли. Само название «митохондрии» отражает впечатления от их внешнего вида, зафиксированное впервые обнаружившими их учеными, – в основе его лежат греческие слова «нить» и «гранулы». В течение многих лет после открытия митохондрий ученые ошибочно полагали, что их функция состоит в переносе наследственной информации. Только в 1950-е годы их удалось извлечь из клеток и выяснить их структуру при помощи электронного микроскопа. Отделить митохондрии от других структур клетки удалось следующим образом: большое количество клеток надрезали и помещали в центрифугу. Поскольку удельный вес митохондрий отличается от удельного веса других структур клетки, в процессе центрифугования они отделяются. В результате биохимического исследования митохондрий ученые установили, что они обеспечивают клетки энергией, поставляя ее в форме АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты.
При исследовании клеток ученым зачастую необходимо иметь в своем распоряжении большое количество одинакового материала для проведения биохимического анализа. Извлечение клеток из живого организма – если только речь не идет о клетках крови – представляет собой немалую трудность. Поэтому встал вопрос о том, чтобы научиться выращивать их в искусственной питательной среде. Такие технологии стали разрабатывать с конца 1890-х годов, настоящий же прорыв в этой области произошел в 1907 году, когда ученые научились искусственно культивировать клетки тканей в течение нескольких недель.
Большинство клеток, изъятых из живого организма и помещенных в искусственную питательную среду, растут там в течение ограниченного периода времени – по причинам, которые будут объяснены позднее. Однако в процессе исследований выяснилось, что возможны практически «бессмертные» популяции клеток; они-то и оказались наиболее удобным объектом для изучения. Одна такая популяция клеток, которую называют «ГеЛа», возникла из тканей Генриетты Лакк, проходившей лечение по поводу рака шейки матки в 1951 году. Саму Генриетту Лакк раковая опухоль в конце концов убила. Популяция же клеток «ГеЛа», взятая из ее тела, оказалась весьма живучей. Благодаря наблюдениям за ней удалось изучить многие аспекты жизнедеятельности клеток – такие, как, например, рост внутри клеток вирусов полиомиелита. Всего только за два года в различные лаборатории по всему миру для изучения было разослано 600 тысяч образцов клеточных культур «ГеЛа».
Ученые серьезно продвинулись вперед, когда научились выделять из ткани клетки разных типов. Причем не беда, если первоначально удается выделить слишком малое число клеток какого-то одного типа – искусственная питательная среда поможет увеличить их количество. При этом большая часть клеток в искусственной среде сохраняет свои изначальные свойства: у нервных клеток вытягиваются длинные отростки-аксоны в поисках тех объектов, куда они могут передать нервный импульс, мускульные клетки непроизвольно сокращаются, а клетки ткани могут, размножаясь, формировать новые слои.
Все это позволило дать твердое научное обоснование клеточной теории. От того, как функционируют клетки, зависит жизнедеятельность организма и развитие в нем различных заболеваний, которые являются следствием неправильного функционирования клеток. Такой подход позволяет анализировать болезненные процессы на клеточном уровне. Он применяется при патологоанатомических исследованиях, когда определенные участки тканей исследуются при помощи микроскопа, чтобы выявить отклонения в развитии клеток, приводящие к болезни.
Клеточная теория позволила выработать общий универсальный подход к проблемам биологии. Эта теория подчеркивает глубинное единство всего живого и лежит в основе концепции о том, что все живые организмы представляют собой своеобразные «республики элементарных живых частиц» – иными словами, являются сообществом клеток.
Все клетки происходят от одного и того же общего прародителя, и все они в процессе эволюции сохранили свои основные базовые свойства. Подобные свойства клеток и живых организмов обусловливают то, что познание особенностей функционирования одного живого организма способно в большинстве случаев обеспечить понимание и познание другого живого организма, включая и человеческий, что крайне ценно, ведь с человеческим организмом особенно не поэкспериментируешь, в то время как эксперименты на мышах, лягушках, мушках, морских ежах, червях и бактериях способны дать нам знания, касающиеся всего живого, в том числе и нас самих. Например, обитающая в человеческом кишечнике бактерия Escherichia coli, которая вырабатывает 4300 различных белков, хорошо растет и быстро размножается. Исследованиям этой бактерии мы обязаны значительному росту наших знаний о молекулярных основах жизнедеятельности клеток, включая знания о воспроизводстве информации ДНК и белковом синтезе. Изучение многоклеточных животных, таких, как плодовые мушки, заложило основы классической генетики. Изучение лягушек, мышей и цыплят позволило узнать особенности эмбрионального развития позвоночных животных.
Рассказывая же в этой книге об основных процессах жизнедеятельности, мы сосредоточимся прежде всего на человеческих клетках.
2. Как мы живем
Как воспроизводятся клетки, как поддерживается порядок в сообществах клеток, как клетки зарождаются и как умирают
Лишь изучая клетки, мы можем выяснить, что же такое жизнь. Я не буду пытаться решить непосильную задачу и дать всеобъемлющее определение жизни – вместо этого я просто опишу ее главные свойства. Первым является способность к размножению, к воспроизводству самой себя, что происходит, например, когда клетка вырастает и делится на две новые клетки. Вторым свойством является способность к упорядочиванию и выработке энергии для происходящих в клетке процессов – таких, как перемещение молекул и синтез новых химических соединений. Третье свойство – способность клетки к развитию, а четвертое, и последнее, – к смерти. Удивительно, но во всех этих процессах ключевую роль играют одни и те же нитевидные молекулярные образования – ДНК и белки.
Белки внутри клеток – настоящие волшебники. Однако еще более важную роль играют ДНК, из которых образуются гены в хромосомах и которые обеспечивают матрицы для строительства новых белков. При этом все ДНК обладают уникальным общим свойством – это единственное внутриклеточное образование, которое точно воспроизводит само себя. Перед тем как происходит деление клетки, создается точная копия-двойник ее ДНК. Определяя структуру различных белков клетки, ДНК эффективно контролирует многие из происходящих внутри клетки процессов.
ДНК содержатся в клеточном ядре – на находящемся внутри клетки плоском диске, окруженном оболочкой. Оболочка эта очень тонка, и даже при рассматривании в мощный электронный микроскоп представляет собой лишь тонкую линию. Однако именно она является внешними границами клетки и отделяет ее содержимое от окружающей среды. Но клеточная оболочка – это нечто большее, чем просто граница клетки, ибо она содержит в себе специальные белки, которые позволяют определенным молекулам легко проникать внутрь клетки и так же легко выводиться из нее; одновременно они служат преградой для проникновения других молекул. Словом, белки клеточной оболочки играют активную роль в переносе отдельных молекул и атомов, которые вводятся в клетку и выводятся из нее. Ведь в клетку необходимо ввести пищу и обеспечить вывод из нее продуктов распада. Особой функцией клеточной оболочки является ее способность проводить электрические импульсы, что позволяет действовать в организме клеткам нервной системы.
Белки, которых всего в нашем организме около ста тысяч разновидностей, представляют собой связанные друг с другом цепочки небольших простых молекул, называемых аминокислотами. В белках содержится двадцать различных видов аминокислот. Десять из них вырабатываются клетками нашего организма, другие же десять мы получаем из пищи.
Белки отличаются друг от друга числом аминокислот и последовательностью их расположения. От этого зависят трехмерная структура и принципы функционирования каждого отдельного белка. Белки похожи на акробатов, которые складываются, изгибаются и меняют свою форму самым причудливым образом. Большая часть наших клеток содержит несколько тысяч различных белков, всего же в организме находятся миллионы белков самых разных видов. Если было бы возможно проникнуть внутрь этого миниатюрного царства и окинуть его взглядом, то оставалось бы только удивляться, как что-то может выйти из всей этой лихорадочной активности, ибо белки не только меняют форму, но и большую часть времени движутся очень быстро и хаотично – каждые несколько секунд они входят в соприкосновение с миллионами других молекул. Почти все, что происходит внутри наших клеток, является следствием взаимодействия белков друг с другом или с другими молекулами – нуклеиновыми кислотами, углеводами и жирами.
Самой важной функцией клетки является ее способность образовывать новые клетки, что происходит благодаря ее увеличению и последующему делению. Новые клетки формируются за счет роста и последующего деления существующих клеток. Однако прежде чем мы перейдем к изучению процесса деления клеток, мы должны понять, как происходит подготовка к этому событию.
Содержимое готовящейся к делению клетки удваивается, чтобы каждая из двух дочерних клеток получила все, что ей требуется: гены, белки, митохондрии, клеточную оболочку и множество других необходимых молекул. Чтобы это стало возможным, клетка должна сначала значительно вырасти. И действительно, перед моментом разделения клетка весьма увеличивается в размерах.
Перед разделением клетки должна быть продублирована и находящаяся внутри клеточного ядра молекула ДНК. Это единственная молекула клетки, которая подвергается точному дублированию, и это не случайно – в ДНК содержится информация, на основе которой образуются белки, выполняющие основные жизненно важные функции внутри клетки. Специальные белки отвечают за то, чтобы соединить длинные молекулы ДНК в нити хромосом, которые образуют систему витков и петель, благодаря чему ДНК не переплетаются ни друг с другом, ни с другими хромосомами. Точная копия каждой из 46 хромосом, содержащихся в каждой клетке нашего тела, во время процесса митоза переходит в каждую из двух дочерних клеток.
Все другие компоненты клетки также должны быть продублированы перед ее разделением. Каждая митохондрия – а митохондрий в каждой клетке содержится несколько сотен – также будет скопирована вместе с содержащейся внутри нее спиралью ДНК. Во время роста клетки перед ее делением происходит синтез новых белков, жиров и углеводов, и во всех этих процессах ведущую роль играют белки.
Простые одиночные клетки, такие, как клетки дрожжей, делятся каждые два часа. У большинства же клеток цикл жизнедеятельности от одного деления до другого занимает обычно 24 часа. Этот цикл разбит на четыре фазы. Первой и самой длительной является фаза роста. Во время второй фазы происходит дублирование хромосом со всеми их ДНК и генами. За ней следует третья фаза, подготовка к делению, и после нее наступает четвертая – деление клетки, то есть митоз. Точно так же, как, скажем, в любой стиральной машине, каждая фаза этого процесса заранее запрограммирована – и подготовка к ней, и ее завершение происходят в строгом порядке и очередности.
Процесс деления клетки имеет основополагающее значение для ее жизнедеятельности, поэтому нет ничего удивительного в том, что существует особая система контроля за делением, которая обеспечивает то, что непосредственное физическое разделение клетки происходит только в нужное время, а не раньше того, например, момента, когда будут точно и достоверно продублированы хромосомы. Сам митоз происходит в течение относительно короткого времени – не более одного часа, однако подготовка к нему может длиться от 12 до 24 часов. В рамках цикла жизнедеятельности клетки существуют отдельные контрольные точки, которые обеспечивают правильное и последовательное прохождение всех подготовительных фаз деления. Ни одна следующая фаза не может начаться до того, пока она не будет полностью подготовлена.
Время и последовательность событий в каждой фазе контролируются в основном за счет специальных белков, называемых циклинами, концентрация которых по необходимости возрастает и убывает. Циклины позволяют исполнять свои функции другим белкам клетки главным образом за счет того, что либо присоединяют к белку главный источник энергии – фосфор, производимый молекулами АТФ, либо, наоборот, отнимают его. Например, ряд циклинов начинает вырабатываться сразу же после разделения клетки в процессе митоза, и их концентрация постепенно нарастает в течение всего периода жизнедеятельности клетки вплоть до начала следующего митоза, наступлению которого эти циклины и способствуют. В момент, когда завершение митоза близится, концентрация циклинов резко снижается, а затем постепенно начинает нарастать вновь. Эта последовательность роста и снижения концентрации циклинов в клетке повторяется вновь и вновь. Другие виды циклинов вызывают начало других важных процессов внутри клетки – например, таких, как синтез ДНК.
Внутри клетки имеются контрольные и ограничительные механизмы, действующие на всем протяжении ее роста и деления. Главный механизм включается в самом начале цикла, перед тем как клетка начнет синтезировать новый набор хромосом и дублировать содержащиеся в ней ДНК. И если в спирали ДНК имеются повреждения, то синтез новой ДНК не начинается. В выполнении этих контрольных функций участвует крайне важный белок «р53», который откладывает начало синтеза ДНК до тех пор, пока повреждение ДНК не будет восстановлено. Его воздействие либо вызывает прекращение роста и деления клетки, либо приводит к самоуничтожению клетки ради того, чтобы в организме не появлялись раковые клетки с поврежденными ДНК.
Этот же контрольный механизм определяет, имеются ли благоприятные условия для роста и деления клетки – скажем, есть ли необходимые питательные вещества. Если результаты такой проверки оказываются неудовлетворительными, то весь процесс роста и деления клетки приостанавливается. Оказавшаяся в подвешенном состоянии клетка может оставаться пассивной в течение длительного времени. Перед митозом вступает в действие другой контрольный механизм, который должен проследить за тем, чтобы все спирали ДНК оказались продублированными. Существуют также контрольные механизмы, которые выявляют поврежденные хромосомы перед разделением клетки и откладывают митоз клетки до устранения повреждения.
Процесс дублирования хромосом прямо связан с особенностями структуры ДНК. Главным открытием в области ДНК, случившимся в 1953 году и дополнившим то, что ранее обнаружили Уотсон и Крик, стало обнаружение спиралеобразной структуры ДНК. Ученые выяснили, что ДНК состоит из двух спирально закрученных вокруг друг друга цепочек, построенных из четырех различных типов нуклеотидов. Молекулы ДНК лежат в основе 46 наших хромосом. Каждая хромосома представляет собой длинную молекулу ДНК, состоящую из двух цепочек, закрученных в знаменитую двойную спираль. При этом сами цепочки ДНК представляют собой набор из связанных воедино четырех различных видов нуклеотидов, благодаря которым саму ДНК следует считать разновидностью нуклеиновой кислоты.
Четырьмя различными видами нуклеотидов являются аденины (А), цитозины (Ц), тимины (Т) и гуанины (Г). Цепочка ДНК представляет собой набор отдельных нуклеотидов, соединенных друг с другом в строгой последовательности. Нуклеотиды всегда располагаются так, что аденин (А) в одной нити спирали ДНК соответствует цитозину (Ц) в противоположной нити, а тимин (Т) соединен с аденином (А), и так далее. Благодаря такому соединению и образуется двойная спираль ДНК. Поскольку одна нить молекулы ДНК в плане расположения в ней нуклеотидов четко соответствует другой нити, и наоборот, дублирование спирали ДНК не вызывает затруднений: каждая из нитей ДНК служит матрицей, согласно которой формируется ее точная копия. Когда начинается формирование одной нити спирали ДНК, одновременно с ней в строгой последовательности начинает формироваться и другая нить, пока не образуется двойная спираль ДНК, являющаяся точной копией уже присутствующей в данной клетке. Подобный порядок формирования ДНК делает эту молекулу уникальной и позволяет ей служить главным передаточным механизмом наследственной информации от поколения клеток – или людей – в другое поколение.
Процесс дублирования спирали ДНК начинается с того, что белки способствуют разведению в разные стороны нитей, из которых состоит эта спираль. Разведение нитей в разные стороны начинается одновременно в нескольких местах. Процесс этот идет довольно быстро – за одну секунду разводятся в разные стороны до ста нуклеотидов. Затем белковый механизм, отвечающий за дублирование ДНК, принимается строить новую двойную спираль ДНК, используя каждую из разведенных нитей в качестве матрицы и помещая нуклеотиды на точно обозначенные места. Процесс синтеза новой двойной спирали ДНК происходит сразу с двух направлений. В результате вместо одной первоначальной молекулы ДНК образуются две новые, совершенно одинаковые.
Когда процесс репликации достигает концевых участков нити ДНК, возникает проблема их недорепликации из-за нехватки места для воспроизведения цепочки ДНК. Эта проблема решается за счет того, что на концевых участках хромосом существуют особые структуры, которые называются теломерами («теломер» по-гречески означает «концевой участок»). При каждом следующем делении клетки участок теломер на конце спирали ДНК становится все короче, если только специальные энзимы не восстанавливают длину участка теломер в прежнем виде. Чем большее число раз делится клетка, тем короче становится участок теломер. Если спираль ДНК утрачивает участок теломер, то ее репликация становится более невозможной. Укорачивание участка теломер на концах хромосом может являться одним из факторов старения организма.
Процесс репликации хромосом должен осуществляться с исключительной аккуратностью: каждый следующий нуклеотид должен четко следовать за предыдущим нуклеотидом и соответствовать другому нуклеотиду на противоположной нити спирали ДНК, иначе неправильное воспроизводство структуры клеточной хромосомы приведет к ее мутации. Ошибки при репликации хромосом встречаются крайне редко, как если бы появлялась одна неправильная буква при перепечатке тысячи книг. Однако неправильное размещение даже одного-единственного нуклеотида в цепочке ДНК может привести к серьезным последствиям, и для того, чтобы предотвратить или скорректировать подобные сбои во время репликации, существует особый механизм.
Каждая дочерняя клетка должна получить свой набор хромосом, абсолютно идентичный хромосомам, присутствующим в изначальной материнской клетке. После завершения процесса дублирования хромосомы переходят в компактное состояние и становятся ясно различимыми в микроскоп. Именно в таком состоянии их удалось увидеть впервые. После этого хромосомы должны разделиться и перейти каждая в свою часть клетки, чтобы в дальнейшем образовались две дочерние клетки с одинаковым набором хромосом.
Процесс деления клетки называется «митоз», и главным инструментом его осуществления становится митотическое веретено деления. Как и подразумевает это название, оно представляет собой веретенообразную структуру, построенную из микротрубочек, которые, в свою очередь, созданы из белков. Микротрубочки обладают способностью быстро собираться в определенных местах, реагируя на необходимые химические сигналы, и так же быстро рассасываться. Их относительная нестабильность позволяет им быстро перестраиваться и принимать любые формы, поэтому они активно участвуют в процессе разделения клетки и расхождении хромосом. Своим видом митотическое веретено напоминает рождественское печенье, концы которого имеют звездообразную форму. Эти звездчатые зоны называются цитастерами.
При митозе центральная часть веретена начинает выпячиваться в районе клеточного экватора; к этому месту в последующем устремятся хромосомы. Само веретено деления имеет два полюса. Они состоят из белков и являются системообразующими элементами веретена. В самом начале митоза оба этих полюса находятся вместе внутри клеточного ядра. Затем они отделяются друг от друга и начинают движение к противоположным концам ядра, и между ними вытягивается тело самого веретена деления. После этого оболочка клеточного ядра разрывается, и хромосомы двигаются в направлении экваториальной плоскости веретена. Там они прикрепляются к микротрубочкам так, что каждая пара хромосом оказывается разделенной. При взаимодействии микротрубочек полюса веретена расходятся к противоположным сторонам клетки, в результате чего веретено растягивается в длину.
