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.
Затем сила, заставляющая реплицированные хромосомы держаться вместе, перестает действовать, и хромосомы с равномерной скоростью расходятся к противоположным полюсам веретена деления. В результате у каждого из полюсов образуется одинаковый набор хромосом, вокруг которого сразу же начинает формироваться ядерная оболочка, и образуются два новых клеточных ядра. Теперь клетка полностью готова к тому, чтобы разделиться на две.
Представьте себе, как вы завязываете веревку вокруг детского шарика и затем начинаете тянуть за оба конца этой веревки так, что середина шарика сжимается и у вас в руках образуется сразу два шарика. В разделяющейся клетке роль подобной веревки играет поперечная клеточная перетяжка, которая формируется внутри клетки и располагается между двумя вновь созданными ядрами будущих дочерних клеток. Положение поперечной перетяжки определяют цитастеры веретена деления. Перетяжка начинает воздействовать на клеточную оболочку, создавая силу давления на нее. Взаимодействие цитастер с участками клеточной оболочки в районе полюсов веретена деления приводит к тому, что давление на оболочку в этих местах ослабевает, но при этом продолжается в экваториальной плоскости, где образуется кольцо из актиновых и миозиновых филаментов. Постепенно образуется борозда деления, которая углубляется вплоть до полного разделения клетки и образования двух дочерних. Так происходит размножение клеток.
Второй важнейшей особенностью жизни является поддержание порядка внутри клетки. Это означает способность вызывать рост и синтез новых молекул и поставлять энергию для этих процессов. В некотором смысле клетка является миниатюрной химической фабрикой, внутри которой происходит большое количество химических реакций с участием мельчайших молекул углеводов и жиров и образуются крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Крайне важную роль в этом играют энзимы, способствующие ряду химических реакций, которые в конечном счете ведут к образованию либо разрушению молекул.
Поддержание порядка и предотвращение хаоса требуют энергии. Ведь, согласно второму закону термодинамики, материя стремится к неупорядоченному состоянию. Например, когда горсть подброшенных в воздух монет падает на землю, то соотношение монет, упавших орлом или решкой, никогда не будет упорядоченным. То, что все монеты упадут или орлом, или решкой, практически невероятно. Это касается всех изолированных систем — они имеют тенденцию скатываться к хаосу, если только для предотвращения этого состояния не тратится определенная энергия.
Синтез новых молекул во время фазы роста клетки, движение материи внутри клеток и сокращение мускульных клеток, вывод из клеток солей натрия — все это требует расходов энергии. Ключевым вопросом является то, откуда и как клетки эту энергию добывают. Подобно нам, людям, им приходится питаться для того, чтобы выжить. И большая часть питания, которое потребляют клетки, идет на выработку энергии, хотя некоторая его часть идет на образование новых белков и иных молекул.
Питание клеток осуществляется за счет той еды, которую мы потребляем, и именно она служит их основным источником энергии. Энергия же вырабатывается благодаря соединениям атомов кислорода и водорода, содержащимся в молекулах углеводов и жиров и в других молекулах, поставляющих питание клеткам.
Животные клетки, подобные клеткам человека, получают энергию от расщепления пищи во время ее переваривания и соединения получившихся элементов с атомами кислорода, в то время как растения вырабатывают энергию за счет солнечного света. Органами, отвечающими за выработку энергии в клетках животных, являются митохондрии. Они производят основной источник внутриклеточной энергии — АТФ, аденозинтрифосфорную кислоту. Объемы внутриклеточной активности обычно зависят от того, сколько в них используется молекул АТФ. Мы едим и дышим прежде всего для того, чтобы наши клетки могли вырабатывать АТФ. А АТФ необходима, чтобы обеспечивать энергией все происходящие внутри нас процессы. Когда мы занимаемся физическими упражнениями, мы ускоренно потребляем эту энергию, и именно это приводит к усталости.