Космос биомолекулярной жизни. Часть 3

В предыдущих статьях (1 и 2) было показано, что органическая биологическая жизнь уложена по принципу матрешки — то есть высокоорганизованный многоклеточный организм состоит из одноклеточных, которые в свою очередь состоят из органелл, тоже являющихся своеобразными организмами в организме.

Если же учесть, что в каждом организме и даже уже в органелле воплощено определенное разумное духовное начало и что та или иная биологическая структура является лишь своеобразным инструментом для обеспечения этого разумного начала энергией, то по принципу матрешки уложена не только органически выраженная жизнь, но также и духовная жизнь, проявляющая себя посредством организма.

Иначе говоря, получается, что жизнь — это прежде всего определенная духовная составляющая, а организм является лишь ее внешним биологическим выражением. Мало того, процесс самоорганизации живой материи, выраженный симбиотическими взаимоотношениями между его участниками, демонстрирует нам то, что каждый организм не просто наделен разумным началом, но еще и творчески подходит к реализации собственных потребностей.

Следует заметить, что симбиотические взаимоотношения между организмами по принципу «ты мне — я тебе» не могут существовать без умных участников. Они отлично понимают то, что для них выгодно и стараются это осуществлять. И это не просто химия жизни. Это разумное начало, проявляющее себя через биологическую материю и организующее ее, потому она и называется органической (от слова «организация»), а организм — это лишь материальное выражение активных участников жизни — духовных начал.

Мало того, уже само по себе достаточно сложное строение органелл, а также сложность и многофазовость биохимических процессов, происходящих в структурных компонентах органелл, вызывает не просто недоумение, но прежде всего мысль о том, что все это происходит не само по себе.

Слишком уж умны и оптимальны все эти процессы, учитывая их сложность. То есть, как бы это ни было странным, но за всеми процессами в самих органеллах могут стоят еще меньшие разумные начала, которые организуют все это по тому же самому принципу симбиоза, при этом, конечно, преследуя в этом опять же свои собственные интересы, главные из которых все те же — обеспечение себя энергией и безопасностью.

А главной целью симбиоза является стремление оптимизировать собственные энергозатраты. Возьмем, к примеру, ядро «обычной» клетки, которое является не только вместилищем генетической информации, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится. В ядре происходит удвоение молекул ДНК (репликация или, иначе, редупликация), а также синтез молекул РНК на молекуле ДНК (транскрипция).

В свою очередь в ядре, как известно, есть еще и ядрышко, основной функцией которого является синтез рибосомных РНК и рибосом, на которых в цитоплазме осуществляется биосинтез полипептидных цепей белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (трансляция).

Для того чтобы произошел синтез белка, прежде в клетке необходимо создать рибосому. Она в свою очередь в микробиологии уже воспринимается как органелла клетки, которая производится внутри клетки.
Вот, к примеру, схема синтеза рибосомы, происходящего постоянно в каждой клетке абсолютно каждого организма. Стрелочками указаны последовательности и стадии процесса.

Схема синтеза рибосом в клетках эукариот. 1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. Синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S — предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию.

Если внимательно посмотреть на эту схему, то станет понятно, что вся сложность этого процесса заключается не только в том, что он нелинейный и что он состоит из ряда предварительных этапов и последовательных операций, но еще и в том, что в нем участвуют достаточно сложные по своему строению компоненты. Одни из них, как видно на схеме, ДНК и мРНК (так называемая матричная РНК) — содержащая информацию об аминокислотной последовательности (первичной структуре) белков.

ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что если ДНК — это полный набор чертежей для изготовления белков, находящихся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК — временная рабочая копия чертежа, выдаваемая в сборочный цех. Следует также отметить, что ДНК не содержит чертежей взрослого организма, а больше похожа на «рецепт» по его изготовлению.

Главное в этом то, что процесс копирования генетической информации с ДНК на РНК, в частности на мРНК, называемый транскрипцией, осуществляется специальным ферментом РНК-полимеразой. Чтобы было понятно, ферменты — это своего рода катализаторы (ускорители процессов) и они выступают практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах, а также регулируют обмен веществ в нем.

К слову сказать, каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов операций в секунду! Эффективность ферментов такова, что они ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, в то время как небелковые катализаторы — в сотни и тысячи раз. Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, за 10 минут при температуре 37 градусов C створаживает около 106 молекул казеиногена молока.

В настоящее время описано чуть более 5000 разных ферментов, но вообще их количество намного большее. Как видно из схемы, в процессе транскрипции (копирования генетической информации с ДНК на РНК, в частности на мРНК), который является всего лишь одним из этапов процесса синтеза рибосом, участвуют три типа РНК-полимераз (ферментов) в зависимости от типов РНК, которые они производят. Но что интересно, например, в РНК-полимеразе II для связывания с промоторами требуется целый набор так называемых факторов транскрипции. Например, у Escherichia coli (кишечная палочка) идентифицировано более 100 факторов, влияющих на РНК-полимеразу. То есть уровень сложности процессов транскрипции даже в такой бактерии, как кишечная палочка, достаточно высок.

Мало того, как говорят сами микробиологи, транскрипция проходит «под строгим контролем» РНК-полимеразы II, тем самым внутри самого фермента подразумевается некое разумное начало, которое занимается не просто контролем этого процесса, но и корректировкой в случае необходимости.

ДНК-лигаза I (кольцеобразная структура, состоящая
из нескольких одинаковых молекул белка, показанных разными цветами),
лигирующая поврежденную цепь ДНК.

Каждая такая РНК-полимераза транскрибирует нить РНК. Надо заметить, что в эукариотических клетках РНК-полимераза может собирать цепочки примерно из 2,4 млн нуклеотидов (молекул РНК). Все это лишь один из элементов процесса синтеза рибосом, который в свою очередь является также малой частью процесса того, что происходит в каждой клетке без исключения в каждом живом организме, будь то травинка на лугу или уже антилопа, щиплющая эту же травинку.

Все это сказано не только для того, чтобы продемонстрировать невероятную сложность процессов, стоящих за каждой химической реакцией и за целым набором довольно сложных по своей структуре компонентов, включенных в эти процессы, но и то, что за каждым из них стоят многочисленные разумные пользователи.

Кроме того, все эти пользователи достаточно умно и со знанием дела контролируют все эти процессы, внося корректировки и изменения в случае необходимости или устраняя ошибки, которые то и дело происходят и которые могут вести к нежелательным мутациям.

К примеру, во время созревания мРНК (матричной, или информационной РНК) происходит такой процесс, как сплайсинг — удаление путем биохимических реакций отрезков, не кодирующих белок (интронов), и затем соединение друг с другом участков, кодирующих аминокислотную последовательность (экзонов), сохраняющихся затем в «зрелой» молекуле. Таким образом, так называемая «незрелая пре-мРНК» превращается в зрелую мРНК, с которой уже считываются (транслируются) белки клетки.

Схема сплайсинга: не кодирующий белок участок РНК (интрон) вырезается
с образованием лариата, экзоны сшиваются.

Сплайсинг обычно производится РНК-белковым комплексом, который называется сплайсосомой. Один из белков сплайсосомы, присоединенный к участку РНК. Разные домены белка выделены различными цветами, РНК — вертикальная молекула в правой части рисунка:

Что или кто стоит за этой процедурой, наука не рассматривает, воспринимая это как само собой разумеющийся процесс. Вместе с тем сплайсосома создаться просто так, случайно не могла. В ее структуру включен не один участник процесса, что видно по ее сложному и вместе с тем невероятно разумному поведению.

Мало того, технологии всех этих процессов, происходящих в органеллах или их компонентах, продумывались в процессе эволюции, поскольку многие из них усложнялись вопреки стремлению организмов к оптимизации и уменьшению энергозатрат.

Так, к примеру, скорость синтеза белков у прокариот (безъядерных клеток) выше, чем у эукариот, и может достигать 20 аминокислот в секунду. К тому же у эукариот на это тратится намного больше энергии. Тем не менее те разумные начала, стоящие за организацией всех этих процессов, по каким-то соображениям выбрали более сложный и более энергозатратный процесс трансляции, но, по всей видимости, дающий им какие-то преимущества.

Многие могут меня обвинить в чрезмерной интерпретации некоторых процессов в клетке и наделении их не просто разумностью, а духовностью, и что я притягиваю факты, что называется, «за уши». В настоящее время считается, что все эти процессы протекают сами по себе, без участия каких-то пресловутых «духовных сущностей», поэтому предлагаю вернуться вновь к вирусу и вспомнить его не просто «странное», а в высшей степени разумное поведение.

Но прежде необходимо напомнить, что одним из двух компонентов, из которых обычно складывается вирус, является ДНК (а в некоторых случаях РНК).
Чтобы было понятно соотношение между тем, что биологией официально еще не признано живым организмом (вирусы, пластиды и т. п.), взглянем еще раз на размеры того, что является неотъемлемым элементом клетки — ДНК, являющейся в свою очередь структурной единицей еще более сложного генетического комплекса — хромосомы.

Так, суммарная длина ДНК всего лишь одной клетки человека составляет порядка двух метров! Опять же для сравнения: типичное ядро клетки человека, наблюдаемое только при помощи микроскопа, занимает объем около 110 мкм, а митотическая хромосома человека в среднем не превышает 5—6 мкм. То есть при всей своей длине она упакована таким образом, что занимает всего 1:20 части ядра.

Для этого существует специальная достаточно сложная система компактизации хромосомной ДНК.

Компактизация хромосомной ДНК.

На иллюстрации компактизации хромосомной ДНК крайний рисунок слева демонстрирует лишь участок ДНК, который может иметь вирус, а на крайнем справа уже показана сама хромосома. Рисунки между ними показывают последовательность процесса компактизации хромосомы. Я надеюсь, что это впечатляет!

В разговоре о ДНК необходимо обратить особое внимание на то, что в биологии называется репликацией ДНК — то есть процесс синтеза дочерней молекулы (дезоксирибонуклеиновой кислоты) на матрице родительской молекулы ДНК. В результате него каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение.

Схематическое изображение процесса репликации. Цифрами отмечены: 1 — запаздывающая нить; 2 — лидирующая нить; 3 — ДНК-полимераза (Pol); 4 — ДНК-лигаза; 5 — РНК-праймер; 6 — праймаза; 7 — фрагмент Оказаки; 8 — ДНК-полимераза (Pol); 9 — хеликаза; 10 — одиночная нить со связанными белками; 11 — топоизомераза.

Вообще, процесс репликации — это не просто многофазовый и сложный, а достаточно умный процесс, в котором участвует несколько особых белковых ферментов. Главные из них геликаза (или хе
8000
ликаза), топоизомераза и ДНК-полимеразы.

Итак, одни (геликаза) расплетают ДНК, словно «замок-молнию», разделяя пары и формируя так называемую репликационную вилку (место непосредственной репликации ДНК), удерживают матрицы в разведенном состоянии, вращают молекулы ДНК, а другие — топоизомераза и ДНК-полимеразы — синтезируют их, укладывают и проверяют точное соответствие комплементарных пар основаниям.

В одной репликационной вилке всегда участвуют две молекулы геликазы, которые двигаются в противоположных направлениях, таким образом расплетая всю спираль ДНК. Что интересно, в процессе репликации эти ферменты способны распознавать и исправлять ошибки. Понятно, что точность репликации очень важна, так как ошибки в полимеризации приведут к мутациям, поэтому многие полимеразы обладают способностью к так называемому «редактированию» — исправлению ошибок.

То есть полимераза узнаёт ошибки в синтезе по отсутствию спаривания между неправильными по ее мнению нуклеотидами. После определения отсутствия спаривания полимеразы неправильное основание удаляется. Недаром эти ферменты в микробиологии называют «молекулярными машинами». Эти умные «устройства» самостоятельно занимаются репликацией ДНК. От их работы зависит точность копий, а значит и правильное функционирование организма в целом.

Как видим, опять за внешним биологическим выражением укрыто определенное разумное начало, кото