Опыление  и  оплодотворение.

Процессы опыления и оплодотворения невозможно рассматривать без базовых знаний по биохимии и генетике, поэтому целесообразно уделить немного времени этим наукам, тем более что такие сведения понадобятся при дальнейшем рассмотрении некоторых аспектов селекции кактусов в культуре. Однако для более полной картины следует обратиться к специальной литературе.

Вся наследственная информация записана в генах в виде определенной последовательности специфических органических веществ, которые называются нуклеотиды.

Нуклеотиды имеют в своем составе остатки сахара (рибозы) и фосфат, посредством которого соединяются в очень длинные цепочки, образуя молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — сокращенно ДНК.

В настоящее время изучено химическое строение ДНК многих биологических объектов. При всей сложности строения этих молекул, основу их составляют всего лишь четыре нуклеотида: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т).

Нуклеотид имеет активно-избирательный радикал. Избирательность этого участка молекулы проявляется в притягивании и удержании строго определенного радикала другого нуклеотида, образуются пары: аденин — тимин, гуанин — цитозин. Таким образом, к нуклеотидам первой цепочки подбираются сопарные, соединяются водородными связями, создается вторая цепочка нуклеотидов. Благодаря водородным связям происходит стягивание участков цепочек, закручивание их — и молекула ДНК принимает форму двойной спирали.

Информационная единица ДНК образована комплексом из трех смежных нуклеотидов — этот комплекс называется — кодон — и несет информацию об определенной аминокислоте*. В настоящее время ученым известно более 100 аминокислот, присущих живым организмам. Однако, не все они встречаются в растительной клетке. Более того, в настоящее время обнаруженно, что не все аминокислоты участвуют в строении белков, а всего лишь 20 — 22. Таким образом, количества комбинаций нуклеотидов в кодоне является достаточным для определения любой аминокислоты, входящей в состав любого белка.

Рис. 111. Иллюстрация принципа выстраивания сопарных нуклеотидов в молекуле ДНК.

Рис. 113. Рисунок, иллюстрирующий механизм транскрипции (переписывания) информации, закодированной в молекуле ДНК на информационную РНК.

Под действием фермента участок молекулы ДНК раскручивается, цепочки отделяются. Лишь к одной из цепочек подстраиваются свободные нуклеотиды, причем, вместо тимина в пару к аденину становится урацил. На рисунке также показаны радикалы рибозы в виде пятиугольников, связывающие нуклеотиды в цепочку с помощью фосфорных остатков (-О-Ф-О-).

(по К.Вилли и В.Детье)

Самый «маленький» ныне известный белок — инсулин состоит из 51 аминокислоты, количество же аминокислот в других белках может колебаться от нескольких сотен до нескольких тысяч. Если каждая аминокислота определяется специфическим триплетным кодоном, то белок определяется последовательностью кодонов. Такой участок молекулы ДНК, несущий информацию об одном конкретном белке называется ген. В одной молекуле ДНК может содержаться до нескольких сотен генов, расположенных линейно, друг за другом. Всего же в ядре клетки сосредоточена информация о строении более чем 10000 белков, включая ферменты — поэтому количество молекул ДНК и число генов, локализирующихся в каждой молекуле ДНК, определяется «белковой потребностью» клетки. Например, у большинства кактусов в ядре вегетативной клетки, находящейся в «спокойном» (не делящемся) состоянии, присутствуют 22 молекулы ДНК.

Молекулы ДНК покрываются оболочкой и образуют хромосомы*, свободно располагающиеся в ядре клетки.

При считывании генной информации в клетках синтезируются белки — основа жизни организмов. Разберем вкратце, как это происходит.

Молекулы ДНК — самые стабильные молекулы в клетке. Их количество удваивается только к моменту клеточного деления. Между кодом строения белка, записанным в ДНК, и самим белком существует ряд веществ (около 200), считывающих и переносящих закодированную информацию. Одно из таких веществ — рибонуклеиновая кислота, сокращенно РНК, которая по строению схожа с ДНК, но имеет более короткую одинарную цепочку, состоящую из тех же нуклеотидов, но вместо тимина в ее состав входит урацил (У).

Участок молекулы ДНК под действием определенных ферментов делится на две цепочки. В настоящее время доказано, что лишь к одной цепочке подстраиваются сопарные нуклеотиды и формируется новая цепочка, с той лишь разницей, что вместо нуклеотида тимина в пару к аденину становится урацил**. Эта цепочка отделяется и образует молекулу РНК, которая несет информацию о строении исходного участка цепочки ДНК, поэтому такая молекула РНК называется в соответствии с ее функциональной особенностью информационная РНК или и-РНК.

Далее встает необходимость «вывести информацию» за пределы ядра, т.к. в цитоплазме клетки находится основное количество органелл, являющихся своеобразными «фабриками» белка — эти органеллы называются рибосомы и представляют собой овальные крошечные тельца размером около 20 нм.

Определенным способом и-РНК выводится из ядра в цитоплазму клетки. В цитоплазме в свободном состоянии находятся аминокислоты и еще одна форма РНК. Эта форма РНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка, поэтому называется она транспортная РНК или т-РНК.

Цепочка нуклеотидов этой РНК свернута своеобразным трилистником. Причем на самой вершине среднего «листка» находится антикодоновый триплет нуклеотидов, являющийся определяющим кодом в подборе аминокислот. Так, кодону АГЦ будет соответствовать антикодон УЦГ, ЦЦЦ — ГГГ, АЦА УГУ и т.д.

Рис. 114. Модель транспортной РНК.

Небольшая цепочка т-РНК свернута в виде трилистника. На среднем «листочке» находится антикодоновый участок, позволяющий конкретной т-РНК подходить к строго определенному триплету нуклеотидов молекулы и-РНК. На одном из концов т-РНК располагается радикал, присоединяющий аминокислоту в соответствии с триплетным антикодом.

(по К.Вилли и В.Детье)

* хромосома — от греческого chroma — цвет и soma — тело.

** этот процесс называется транскрипция от латинского transcriptio — переписывание.

Рис. 116. Схема синтеза белка,   (по К.Вилли и В.Детье)

На «черешке» трилистника располагается активная группа, которая соединяется с аминокислотой, строго соответствующей триплетному антикодону конкретной т-РНК. Например, триплету УГУ соответствует аминокислота фенилаланин, ЦЦА — лейцин, ГАГ — валин и так далее. Некоторые триплеты несут информацию об окончании синтеза белка — УАА, УАГ.

Разнообразие ключевых т-РНК соответствует разнообразию аминокислот, в количественном же соотношении их гораздо меньше, чем аминокислот, находящихся в свободном состоянии в цитоплазме.

Очень упрощенно процесс синтеза белка можно описать следующим образом:

молекула и-РНК выходит в цитоплазму, и на нее, как бусы, нанизываются рибосомы. Рибосомы передвигаются по и-РНК скачкообразно, от кодона к кодону. При считывании информации с триплета в рибосоме происходит подбор ключевой антикодоновой т-РНК, несущей определенную аминокислоту.

Когда антикодоновая т-РНК на некоторое время присоединяется к кодону и-РНК, соответствующая аминокислота оказывается в синтезирующем центре рибосомы, где отделяется от т-РНК. Далее рибосома переходит на новый триплет и подбирает следующую ключевую и-РНК. В синтезирующем центре рибосомы вторая аминокислота присоединяется к первой, образуется дипептид, затем трипептид и так далее, пока рибосома не дойдет до конца и-РНК и не будет полностью синтезирована первичная лолипептидная цепь белка — будущая белковая молекула*.