Основной строительный материал клетки – белки разных видов. У каждого типа белка – своя функция: как мы уже видели, одни входят в состав клеточной оболочки (мембран), другие – создают защитный "чехол" для ДНК, третьи передают "инструкции" о том, как производить белки, четвертые регулируют работу клеток и органов и т. д. Каждая молекула белка представляет собой цепочку из многих десятков, даже сотен звеньев – аминокислот; такую цепь называют полипептидной. Сложные белки могут состоять из нескольких полипептидных цепей.
В процессе жизнедеятельности белки расходуются и потому регулярно воспроизводятся в клетке. Их полипептидные цепи строятся последовательно – звено за звеном, и как раз эта последовательность закодирована в ДНК. Таким образом, получается, что все строительные материалы клетки выпускаются в строгом соответствии с информацией, заложенной в хромосомах. Каждая клетка в теле человека содержит около 30 тысяч генов, и на основании каждого гена синтезируется свой белок, который имеет уникальную функцию. Но о генах, наследственности и других загадках природы мы поговорим в другом разделе, посвященном ДНК и РНК. А пока пора выбираться из стен "замка" и прогуляться по "городку".
Глава 3. То, что внутри
Внутреннее пространство нашего "городка"-клетки заполнено цитоплазмой. Ее можно сравнить с водой вечного города Венеции – потоки омывают прекрасные здания, в них снуют легкие гондолы и катера… Но с точки зрения биологической науки цитоплазма – это полужидкая бесцветная масса, содержащая 75–85 % воды, 10–12 % белков и аминокислот, 4–6 % углеводов, 2–3 % жиров, 1 % неорганических и других веществ.
Вся цитоплазма пронизана сложной сетчатой системой, образованной той же материей, что и внешняя мембрана. Она связана с наружной "крепостной стеной" и представляет собой сплетение сообщающихся между собой канальцев, пузырьков, уплощенных мешочков. Такая сетчатая система названа вакуолярной, а мы можем сравнить ее с коммуникациями городка.
Роль зданий и гондол в нашей "Венеции" играют так называемые органоиды – функциональные включения клетки. "Архитектура" и "модельный ряд" органоидов разнообразен донельзя. Но у каждого образования – свои строгие функции и "распорядок работы".
Знакомиться с достопримечательностями городка мы начнем с "внутренней инфраструктуры". Ее можно сравнить с сетью городских коммуникаций – это сложная система труб, трубочек, емкостей и целых "подземных ходов". Ученые называют ее эндоплазматической сетью, намекая на ее внутреннее (греч. эндон - внутри) расположение. По сути это все та же мембранная ткань, образующая канальцы, трубочки, пузырьки и цистерны разной формы и величины.
Эндоплазматическая сеть бывает двух видов – гладкая и гранулярная (усыпанная зернышками рибосом). Чем больше белка должна вырабатывать клетка, тем больше у нее рибосомных "канальцев". В клетках, где вырабатывается в основном жир и жироподобные вещества, большая часть сети – гладкая.
Как и полагается любой уважающей себя инфраструктуре, эндоплазматическая сеть занимается тем, что накапливает и транспортирует в нужные места нужные вещества. Но это далеко не все. В отличие от хорошо знакомой нам водопроводной и канализационной систем, внутренняя сеть клетки выполняет еще роль промышленных цехов – как раз благодаря прикрепленным к ней (или подвешенным прямо в цитоплазматическом веществе, как в воздухе) рибосомам.
Но как рибосома собирает белок? Для начала рассмотрим саму рибосому. На две трети она состоит из РНК. При этом матричная РНК (мРНК) задает последовательность составляющих для молекулы белка. Она играет ту же роль, что схема вязки для неопытной вязальщицы, – здесь простая петелька, здесь изнаночная, а здесь – столбик с накидом. Впрочем, в нашей клетке уже давно введена автоматизация ручного труда, поэтому рибосому можно скорее сравнить с вязальной машиной, а мРНК – это заданная машине программа.
Вторая разновидность РНК – транспортная (тРНК). Ее задача – захватить аминокислоту нужного типа и подать ее в рибосому. Рибосома сверяется со схемой, ставит аминокислоту на нужное место и так, петелька за петелькой, "вывязывает" белковую цепочку.
Аминокислоты поступают к рибосомам по трубкам и трубочкам эндоплазматической сети. А вот если "продукцию" пора транспортировать наружу – за пределы городка, – в дело вступают специальные транспортные службы. Это так называемый комплекс Гольджи.
Комплекс Гольджи – еще один обитатель нашего "городка". Он также создан из мембранной ткани, но, в отличие от эндоплазматической сети, обладает большей подвижностью. Судя по некоторым данным, белки, которые рибосомы собирают и складывают в цистернах эндоплазматической сети, как бы расфасовываются в небольшие пакеты из ее мембран и направляются к комплексу Гольджи; здесь происходит переупаковка их в более крупные пузырьки, образованные из мембран этого комплекса. В этих новых пакетах они транспортируются к плазматической мембране, которая затем сливается с мембраной пузырька, так что, когда пузырек вскрывается, содержимое его выходит из клетки наружу. По мнению некоторых ученых, комплекс Гольджи служит для временного хранения веществ, вырабатываемых в эндоплазматической сети, а канальцы его соединены с плазматической мембраной, что облегчает выведение из клетки этих клеточных продуктов.
Сказка со счастливым концом
Транспортная сеть клетки названа в честь ее открывателя – Камилло Гольджи. Этот известный ученый родился в 1844 году, а прославившее его имя открытие сделал на 54-м году жизни. Впрочем, целью его исследований была не просто клетка как таковая, а нервная ткань человека.
В середине XIX века об электронных микроскопах даже не мечтали, а разглядеть что-то в обычный, оптический, было довольно затруднительно. И тогда Гольджи придумал собственную методику – он окрашивал срез клетки препаратами серебра. Все детали при этом становились более контрастными, и можно было судить о внутреннем строении клетки по ее срезу.
В 1898 году он заметил внутри нервных клеток тонкую сеть из переплетенных нитей. С тех пор "аппарат Гольджи" многократно наблюдался в разных клетках в течение многих лет. Затем, в 1930-40-е гг., после изобретения электронного микроскопа – в сотни раз более мощного, чем самый лучший оптический микроскоп, – "аппарат Гольджи" стал считаться искусственной структурой, возникающей лишь в процессе окрашивания. Однако с совершенствованием техники электронной микроскопии "аппарат Гольджи" был вновь признан реально существующим: ныне считается, что он участвует в преобразовании и выведении белков. Таким образом, как в сказочном хеппи-энде, справедливость восторжествовала.
Если рибосомы можно сравнить с рабочим классом города-клетки, а комплекс Гольджи – с транспортной системой, то роль уборщиков играют лизососмы. Как и полагается представителям малопрестижной профессии, лизососмы очень опасны и коварны. По сути это мешочки из однослойной мембраны, наполненные ферментами. Ферменты необходимы для того, чтобы расщеплять белки, углеводы и липиды и – или подвергать их переработке, или выводить наружу. Пока в городке все спокойно, лизосомы бродят по его улочкам и выполняют свои прямые обязанности. Но если повредить лозосомную мембрану (а такое случается при некоторых заболеваниях или генетических нарушениях), ферменты вырываются наружу и начинают разрушать все подряд, до полной гибели клетки.
Глава 4. Откуда в клетке электричество?
Итак, мы преодолели крепостную стену-мембрану, побродили по "замку" – информационному центру, покатались по узким каналам и даже ознакомились с канализационной системой клетки-городка. Но что заставляет двигаться все это чудо? Где моторчик, наполняющий клетку энергией?
Роль электростанции в клетке играют митохондрии. Это сложное название родилось из двух греческих слов – мито (нить) и хондрион (зернышко). А все потому, что митохондрии выглядят как короткая нитка или вытянутое зернышко-гранула. Впрочем, они довольно легко меняют форму, оставаясь при этом постоянными в диаметре. Весь секрет в том, что митохондрии состоят из двух слоев мембранной ткани. Наружный слой – гладкий и может слегка вытягиваться или сжиматься. А вот внутренний "смят" в складки в форме гребней или трубочек (они называются "кристы", а содержимое митохондрии, окруженное ее внутренней мембраной, – "матрикс митохондрии"). В состав внутренней мембраны входит особое вещество, делающее мембрану абсолютно непроницаемой для электрических частиц – протонов. О том, какие возможности это дает, расскажем чуть позже.
Митохондрии – совершенно удивительные образования. В отличие от всех других систем клетки, они – совершенно самостоятельны и обособлены. Они даже размножаться могут самостоятельно, независимо отделения клетки. Ученые считают, что происходит это оттого, что когда-то митохондрии были отдельными организмами – чем-то вроде бактерий – и наши далекие предки (совсем далекие, еще одноклеточные) в незапамятные времена, вместо того чтобы просто проглотить их, приспособили для внутренних нужд. Вот такие были мудрые, эти простейшие.
Не знаю, как для вас, дорогой читатель, но для меня именно эта часть жизни клетки является самой удивительной. Ну как из электрических частиц образуется материя и наоборот? Как из белков, углеводов и жира получают чистую энергию?
Для того чтобы понять, как действуют эти мини-электростанции, сначала вспомним несколько терминов. Уверена, вы не раз слышали об АТФ. Но что это такое? Полное название – аденозинтрифосфорная кислота. Это особое вещество, которое с полным правом можно считать аккумулятором энергии. Дело в том, что в нем связи между атомами фосфора и кислорода являются макроэргическими, то есть при их разрыве выделяется большое количество энергии.
Задача митохондрии – синтезировать, то есть собрать молекулу АТФ из подручных средств, которые можно найти в клетке. Для этого она использует самые различные механизмы.
Основные закономерности преобразования энергии митохондриями изложены в одноименной статье лауреата Государственной премии СССР профессора А. Д. Виноградова. Это подробный рассказ, понятный (честно говоря) только узким специалистам. Но если немного упростить изложенное, то завеса тайны поднимется и для широкого круга читателей.
Итак, первый механизм называют "клеточным дыханием". Это цикл химических реакций, проистекающих с участием кислорода, – от этого и пошло название. В каждой реакции выделяется совсем небольшое количество энергии, но ее достаточно, чтобы произошла следующая реакция и так далее, пока не будет собрана "аккумуляторная батарейка" – АТФ.
Для своей работы митохондрии могут использовать только самые простые составляющие глюкозы (углеводов, попадающих в наш организм с едой). Поэтому первый этап дыхания – это подготовка глюкозы к использованию, или гликолиз. Глюкоза расщепляется вне митохондрий – в цитоплазме. Если вспомнить школьный курс органической химии, можно иметь в виду, что в ходе гликолиза молекула глюкозы превращается в два остатка уксусной кислоты. В митохондрию они "проталкиваются" специальным переносчиком – коэнзимом А. Коэнзим А присоединяет к себе остаток уксусной кислоты, превращается при этом в ацетилкоэнзим А, или, кратко, ацетил-КоА, и в таком виде "протискивается" сквозь внешнюю мембрану митохондрий.
Тут "контрабандиста" уже поджидают. Захваченные им атомы надо пересадить с коэнзима и пустить в дело дальше. В этой операции участвует так называемый цикл Кребса – это кольцевая последовательность реакций, в ходе которых исходное вещество возвращается в свое первоначальное состояние. Этот цикл можно сравнить с водяной мельницей – вода льется на лопасти колеса и заставляет его двигаться, но само колесо при этом остается на месте.
Как это происходит? Давайте считать началом цикла молекулу щавелевоуксусной кислоты. В первой же реакции на нее переносится с ацетил-КоА остаток уксусной кислоты (он состоит из двух атомов углерода, трех – водорода, и одного атома кислорода), в результате получается изолимонная кислота. В ходе остальных реакций цикла атомы-перебежчики (те, которые были названы выше) отделяются от изолимонной кислоты и следующих молекул органических кислот, и в последней реакции снова получается щавелевоуксусная кислота. Точнее говоря, в каждом цикле от изолимонной кислоты и получающихся из нее молекул отделяются составные части остатка уксусной кислоты, присоединенного два цикла назад.
Реакции цикла Кребса происходят в жидкости, заполняющей митохондрию, а вот следующий процесс – окислительное фосфорилирование – в ее внутренней мембране. В тончайшем слое мембранной ткани "дрейфует" пять типов специальных окислительных белков. Они "вылавливают" освобождающиеся в процессе цикла Кребса атомы водорода и "сжигают" их с образованием молекул воды. Это делается так: белок № 1 отбирает у водорода один электрон и передает его белку № 2, тот – белку № 3, и так далее, до белка № 5. Белки № 2 и № 4 имеют небольшие размеры, поэтому в мембране они двигаются значительно быстрее № 1, 3 и 5, и по сути дела, играют роль курьеров, разносящих электроны по назначению. При этом энергия электрона все время уменьшается. Белок № 5 накапливает четыре таких электрона, а затем производит реакцию образования воды:
4 e + O2 + 4H = 2 H2O.
Энергию, выделяющуюся при прохождении электрона по дыхательной цепи, белки № 1, 3 и 5 расходуют на выбрасывание протонов изнутри митохондрии в пространство между ее мембранами. В этом пространстве создается положительный заряд, а внутри митохондрии – отрицательный.
По сути, глюкоза нужна нашему организму именно как "горючее" для производства энергии. Это – важный момент в понимании энергетической сущности процессов, происходящих в митохондриях. Разница зарядов заставляет протоны стремиться обратно, внутрь, но плотная внутренняя мембрана их не пропускает. Тогда протоны начинают искать "лазейки" или "шлюзы". Такими шлюзами выступают специальные молекулы АТФ-синтетазы. Само название молекул подсказывает, что как раз они занимаются "сборкой" наших "батареек" – АТФ. Они синтезируют молекулу, пропуская протоны через себя и запасая энергию во внутренних связях АТФ.
Вот так работает самая крошечная электростанция в мире.
Часть II. ДНК – история человечества
Ученые подсчитали, что каждый белок, составляющий основу клетки, живет не больше трех часов. Затем он расщепляется и выводится из организма, чтобы дать место новому образованию. Получается, что каждые три часа состав нашего тела полностью обновляется! То есть мы не та застывшая структура, какой привыкли себя воспринимать, а в буквальном смысле – поток протонов и электронов, на которые распадаются строительные материалы нашего тела.
Но как так получается, что в постоянном течении и изменении мы сохраняем постоянные черты? Почему у нас цикл за циклом образуются одни и те же клетки с определенными характеристиками? Почему рук, как правило, две, цвет глаз и волос практически не меняется (если только с возрастом или под воздействием химических средств) и даже у характера наблюдается редкостное постоянство?
Я не открою тайну, если скажу, что за процесс, при котором у собак рождаются щенки, а не котята, а мы остаемся людьми при всех выкрутасах цивилизации и природы, отвечают гены, или, по-научному, молекулы ДНК. Но как им это удается? Давайте посмотрим, что об этом думают самые видные ученые мира.
Глава 1. Кто открыл ДНК?
Сначала давайте познакомимся: ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота. Мало что прояснилось? Могу вас понять. Ведь над секретом этого химического соединения ученые бьются уже не первое столетие. Официально роль первооткрывателей приписывают английским биологам Дж. Уотсону и Ф. Крику, описавшим структуру в 1953 году, но на самом деле история началась гораздо раньше…
История молодого ученого
В середине XIX века в Германии работал молодой швейцарец – Фридрих Мишер. Это был увлеченный юноша, свято веривший, что будущее – за наукой. Его тяга к знаниям перевешивала все внутренние запреты и ограничения. Впрочем, у врачей, как правило, довольно специфическое отношение к жизни…
Как бы то ни было, свое первое значимое открытие Мишер сделал, отмывая гной с повязок больных в хирургическом отделении. Делал он это не забавы ради – наблюдения за выздоравливающими убедили его в том, что чудо исцеления принадлежит отнюдь не лекарям, это всецело заслуга самого организма. К тому времени уже были открыты клетки, отвечающие за иммунитет, и именно в поисках лейкоцитов Мишер занимался "стиркой" бинтов.
Он погружал повязки в разные растворы, пытаясь выделить "чистые" лейкоциты. И обнаружил, что помимо самого белка в клетках содержится некое загадочное соединение. Если белок растворяется в кислоте и выпадает в осадок в щелочных растворах, то неизвестное вещество вело себя с точностью до наоборот – оно образовывало осадок при подкислении и пропадало при подщелачивании. Для того чтобы выделить лейкоциты из гноя, пропитавшего повязки, ученый пользовался соляной кислотой. Кислота растворяла белок лейкоцитов. Рассматривая оставшееся под микроскопом, Мишер (который был в курсе открытий своих коллег и знал, что клетки неоднородны и в них есть ядра) сделал вывод, что открытое им соединение содержится именно в ядрах клеток. И назвал он его соответствующим образом – нуклеином.
Правда, от этого открытия до появления собственно термина ДНК прошло почти сто лет. Сам Мишер так и не смог до конца расшифровать тайну нуклеина. Хотя он был очень близок к истине – предположил, что нуклеин каким-то образом участвует в передаче размножения, отвечая за передачу наследственных признаков. Сделать такое заключение ему позволила серия опытов над лососем – для дальнейшего изучения нуклеина ученый выбрал клетки молоки лососевых рыб. Но затем ученый сам себя загнал в тупик. Путем множественных экспериментов – воздействуя на нуклеин всеми известными химическими соединениями, он определил его состав – углерод, кислород, водород, азот и фосфор – и решил, что это слишком простая формула для того, чтобы передавать все разнообразие наследуемой информации.
Вполне может быть, мы до сих пор не знали бы всех подробностей о жизни ДНК, если бы не одна из напастей XX века – пневмония. После Второй мировой войны она уносила почти столько же человеческих жизней, сколько немецкие танки и авиация, вместе взятые. В отсутствие антибиотиков (их к тому времени еще не изобрели) воспаление легких стало настоящей угрозой человечеству. Поиск возбудителя болезни и способов его нейтрализации стал задачей номер один для ученых всего мира.