Для начала своей работы ДНК-полимераза должна прикрепиться к цепочке ДНК. Место своего крепления на конце ДНК она скопировать не может. Поэтому копии получаются немного короче. Для своего крепления ДНК-полимераза использует находящиеся на конце ДНК теломеры, поэтому с каждым делением теломеры немного укорачиваются. Мы об этом уже говорили раньше.
Здесь мы коснулись двух процессов, которые традиционно считаются причинами старения: удвоение ДНК и сопровождающих его ошибок-мутаций и укорочение теломер. Мы подробно остановимся на них в следующей части книги, посвященной старению.
Итак, в ядре созданы дубли хромосом для построения новой клетки. Для того чтобы распределить эти хромосомы по новым «квартирам», в клетке имеются специальные органеллы – центриоли. Мы о них раньше не говорили, потому что они выходят на сцену только при делении клетки. Грубо говоря, центриоль – это пучок трубочек, которые используются для растаскивания хромосом в новые клетки. Она находится вне ядра, но близко от него. Поскольку для притягивания хромосом в каждую новую клетку нужна своя центриоль, эти органеллы также удваиваются. Вот теперь уже всё готово и процесс разделения (митоз)[53] начинается.
Теперь хромосомы, которые были развернуты для удвоения, туго сворачиваются (конденсируются). В таком виде их уже хорошо видно в микроскоп. Ядерная оболочка распадается, и центриоли тянут свои трубочки к соответствующим хромосомам.
Рис. 1.2.13. Растаскивание хромосом центриолями
Сами хромосомы выстраиваются в одной плоскости посередине клетки, как это показано на средней схеме рис. 1.2.13.
Центриоли прикрепляются трубочками к дублированным («сестринским») хромосомам в месте их прикрепления друг к другу, (называемого цетромерами, мы о них уже говорили[54]).
Дальше трубочки сжимаются и растаскивают дублированные («сестринские») хромосомы (рис. 1.2.13). И наконец, вокруг каждой группы хромосом образуются новые ядерные мембраны и появляется два новых ядра. ДНК в новых ядрах приводится в рабочее состояние (деконденсируется). Внутри новых ядер образуются ядрышки, и цитоплазма делится между двумя новыми клетками. Образуются новые оболочки. Процесс деления завершен.
Так рождаются почти все клетки человека. За исключением половых или репродуктивных. Процесс рождения и деления половых клеток (мейоз) сильно отличается от обычного.
Собственно, отличия связаны с функциями половых клеток. Во-первых, мужские клетки должны соединиться с женскими и образовать первую клетку организма ребенка (зиготу). Значит, в каждой половой клетке (гамете) должен быть только один набор хромосом – 23 хромосомы. Второй набор берется от партнера.
Во-вторых, как мы помним, каждая клетка содержит два набора хромосом – материнский и отцовский. В половую клетку попадет только один набор. При этом он не может быть только материнским или только отцовским, иначе смысл полового размножения теряется. Необходимо, чтобы в ДНК сперматозоида и яйцеклетки были представлены гены обоих родителей, отца и матери. Это достигается тем, что перед делением отцовская и материнская хромосомы с одинаковым набором генов (гомологичные хромосомы) притягиваются друг к другу, тесно сближаются и во многих местах скрепляются[55]. Далее между ними начинается удивительный процесс обмена генами (кроссинговер). В результате на каждой хромосоме присутствуют и отцовские, и материнские гены – получается уже отцовско-материнская хромосома.
Рис. 1.2.14. Схема деления половых клеток (мейоза)
В целом схема мейоза представлена на рис. 1.2.14. Мейоз состоит из нескольких шагов.
Сначала всё идет как при обычном делении клеток: хромосомы удваиваются.
Однако второй шаг, совершенно особенный, – кроссинговер, обмен генами уже удвоившихся хромосом.
На третьем шаге уже смешанные отцовско-материнские хромосомы делятся на две клетки с обычным двойным набором хромосом.
Наконец, на четвертом шаге происходит еще одно деление каждой из двух клеток на две с уже одинарным набором хромосом. Итак, родилась половая клетка, готовая к соединению с половой клеткой партнера и образованию первой клетки нового организма (зиготы).
До своего рождения половая клетка (гамета) прошла немалый путь от первой клетки собственного организма (зиготы) через стволовые клетки и многие деления. Естественно, каждое деление сопровождалось определенными ошибками. На каждом этапе часть генов блокировалась различными эпигенетическими способами, о которых мы говорили раньше. В общем, клетка пришла к мейозу постаревшая и изрядно потрепанная жизнью.
И вдруг, совершенно чудесно, вся предыдущая жизнь как бы обнуляется. Клетка мгновенно молодеет, все приобретенные в процессе жизни и многочисленных делений метки исчезают, и половая клетка (гамета) готова к слиянию с партнерской клеткой и рождению нового организма! Значит, существует путь быстрого омоложения клетки. Это очень впечатляет и ободряет!
Однако все клетки, кроме половых, стареют и умирают. В организме пожилого человека клетки работают не так, как у молодого. Теломеры заметно короче. Часть полезных генов эпигенетически заблокировано, а часть вредоносных, наоборот, стала работать интенсивнее. Клетки накопили запас белков для деления, но поделиться уже не могут. Функции этих клеток в организме выполняются заметно хуже. При этом старые клетки плохо влияют на ещё хорошо работающие. Они портят им рабочий настрой и сигнализируют: пора уже на отдых. Однако плохое функционирование больших групп клеток быстро приводит к ухудшению работы органов и систем. Начинаются сбои в работе, и старые клетки бесславно умирают вместе со всем организмом.
На порядки большее число клеток умирает в процессе жизни организма, обеспечивая его дальнейшую работу. Наиболее распространенный тип смерти клетки – запрограммированная смерть (апоптоз).
Клетка гораздо больше, чем человек, склонна к альтруизму. Когда человек осознанно гибнет во имя долга, веры, царя, Родины, его считают героем. Для клетки такое поведение совершенно естественно.
Запрограммированное самоубийство может инициироваться как внешними, так и внутренними сигналами. По разным причинам организм (мозг, нервная и эндокринная системы) может подать клетке сигнал на самоуничтожение. Например, у человеческого эмбриона сначала пальчики рук и ног соединены вместе в единую пластину. На определенном этапе развития подается сигнал на самоуничтожение клеток соединительной ткани между пальчиками и они приобретают привычный нам вид.
Часто многочисленные специальные белки, постоянно тестирующие состояние ДНК и белков-ферментов, обнаруживают в них непоправимые неполадки. В этом случае также подается сигнал на самоуничтожение. В хорошо работающем организме суицидом заканчивают стареющие клетки, которые уже плохо могут выполнять свои функции.
Самоуничтожение идет крайне четко и аккуратно. Специальные белки режут клетку на части, разрезают ДНК и крупные белки. Таким образом, подготовленные части клетки без остатков поглощаются и перевариваются макрофагами – специальными клетками иммунной системы. Такое самоубийство приносит организму пользу: он избавляется от ненужных или больных клеток, а все полезные вещества утилизируются.
Бывают случаи, когда система самоуничтожения не срабатывает. Тогда возникают негативные и даже страшные последствия. Клетка может накопить вредные вещества и умереть не по собственной воле и заранее заданной программе. Она просто взрывается. Происходит заражение межклеточного пространства выбрасываемыми вредными веществами – токсинами, приводящими к гибели соседних клеток. Возникает некроз, и возможно отмирание отдельных тканей. Это может привести к смерти человека.