Хотя я не хочу вдаваться в вопрос эволюционной теории пола, то есть говорить о том, как появились мужчины и женщины, митохондрии могут ответить и на этот вопрос. Секс между мужчиной и женщиной, несмотря на доставляемое им удовольствие, – неэффективный способ репродукции. В мире людей для рождения одного ребенка требуется два родителя (хотя здесь, конечно, возможны варианты). Для вегетативного же размножения достаточно единственной «материнской» особи – отец тут не только бесполезен, но и вреден, так как требует дополнительных ресурсов (по странному совпадению, я пишу эти строки в День отца). Более того, наличие двух полов означает, что каждый из нас может зачать детей, занимаясь сексом с представителями лишь половины человеческой популяции. Столь явная расточительность приводит к бессмысленной трате энергии с математической точки зрения. Логичнее было бы, если бы каждый мог зачать детей от каждого вследствие существования единого пола или бесчисленного числа полов.
Однако наличию двух полов в человеческом мире есть разумное объяснение, и его дают митохондрии: тогда как женщины специализируются на передаче своих митохондрий потомству (через яйцеклетки), функция мужчин заключается в блокировании их передачи (митохондрии сперматозоида при оплодотворении не проникают внутрь клетки или разрушаются в ней). Мы подробно рассмотрим эту тему в главе 2 (раздел «Митохондрии и бесплодие»).
Экскурс в науку о живой клетке
Я должен предупредить вас: сейчас мы затронем вопросы, которые несколько сложны для понимания, особенно если у вас нет научной подготовки. Чтобы максимально убедительно показать значимость митохондрий и важность исследования, описанного в книге, нам нужно рассмотреть некоторые научные детали. Прояснив по крайней мере базовые понятия из курса клеточной биологии, мы будем разговаривать на одном языке. Поэтому, я думаю, быстрый научный обзор, сделанный «пунктиром», стоит того, чтобы посвятить ему несколько лишних страниц. Если он утомит вас частными подробностями, отвлекитесь от них и сконцентрируйтесь на главном. Определенный же уровень детализации предназначен для читателей с научной подготовкой, которым будет полезно оценить сложность рассматриваемых феноменов. Итак, начнем.
Клетка – это простейшая индивидуальная форма жизни, и, соответственно, она представляет собой базовую единицу биологии. Самыми простыми клетками являются одноклеточные организмы, в число которых входят бактерии. Они чрезвычайно малы, редко превышают несколько тысячных миллиметра в диаметре. Чаще всего бактерии похожи на сферы или палочки, однако есть и исключения. От внешней среды они защищены крепкой, но водопроницаемой оболочкой. Внутри этой оболочки находится клеточная мембрана – необычно тонкая и нежная, но обладающая существенной водонепроницаемостью. Бактерии используют мембрану для генерации энергии. Именно бактериальная мембрана со временем стала внутренней мембраной митохондрий, вероятно, самой важной мембраной человеческого тела.
Внутри бактериальной клетки находится цитоплазма – желеобразная масса, в которой «гудит рой» бесчисленных биомолекул. Самые крупные из них очень сложно рассмотреть даже с помощью мощного микроскопа, увеличивающего изображение в миллион раз. Среди такого рода молекул – легендарные молекулы ДНК, состоящие из двух полинуклеотидных цепей и открытые Уотсоном и Криком более чем полвека назад. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали. Если же идти еще дальше, то рассмотреть что-либо практически не представляется возможным. Однако биохимический анализ показывает: бактерии – простейшая из форм жизни – столь сложны, что мы до сих пор многого не знаем об организации их невидимых глубин.
Люди состоят из других типов клеток[1]. Хотя они и считаются базовой единицей жизни, размер человеческих клеток в сотни тысяч раз превышает размер бактерий, и это позволяет нам увидеть там много интересного. В частности, внутри клеток человеческого организма находятся очень важные структуры, называемые мембранными органеллами и включающие в себя самые разные белки. Органеллы для клетки – то же самое, что органы для человеческого тела. Подобно сердцу, печени, почкам и т. д., они выполняют четко определенные функции. Кроме того, в цитоплазме присутствуют все виды крупных и мелких везикул, а также густая трехмерная сетевая система микротрубочек, которые называются цитоскелетом, или клеточным каркасом. Функция цитоскелета – поддержание и адаптация формы клетки ко внешним воздействиям. Наконец, в каждой клетке человеческого организма есть ядро, которое, как считают ученые, является ее управляющим центром. Такие клетки называются эукариотическими. Все растения, животные, водоросли – по сути, все живое, доступное человеческому глазу, состоит из эукариотических клеток, а в каждой из них есть свое собственное ядро.
Внутри же ядра клетки находится ДНК. Хотя ДНК эукариотической клетки имеет точно такую же двойную спиралевидную структуру, что и ДНК бактерий, есть кардинальные различия в их организации. Бактерии характеризуются кольцевой ДНК, состоящей из длинных перекрученных петель. Кольцевая ДНК похожа на деформированный и спутанный клубок ниток, у которых нет начала и конца. В каждой бактерии присутствует множество копий ДНК, но все это – копии одних и тех же генов. В эукариотических же клетках обычно есть некоторое количество хромосом – линейных, а не циркулярных. Это не значит, что нити ДНК в ядре эукариотических клеток являются прямыми. Просто они обладают различимыми концами. В отличие от кольцевой ДНК, каждая хромосома содержит в себе разные гены. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, всего в клетке человеческого организма – 46 хромосом. В ходе деления клетки хромосомы удваиваются, будучи соединенными в центре и образуя знаменитую Х-образную форму, известную нам из школьных уроков биологии.
Хромосомы состоят не только из ДНК. Они покрыты особыми белками, среди которых находятся гистоны (упаковка ДНК), защищающие ее от вредоносных воздействий извне и при этом выполняющие функции генетических стражей. Гистоны – отличительный признак именно эукариотических хромосом, тогда как ДНК бактериальных хромосом лишена гистонного щита и, можно сказать, обнажена перед внешними воздействиями.
Каждая из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль ДНК, является копией другой. Когда они разъединяются в процессе деления клетки, каждая из цепей сохраняет информацию, необходимую для воссоздания полноценной двойной спирали в новой клетке. Как соотносятся между собой ДНК, гены и белки? Геном – это некоторая информация, которая определяет молекулярную структуру белков, из которых построен организм, а также (косвенно) алгоритм развития и общий план строения организма. ДНК же – носитель этой информации. Точно так же, как слова русского языка формируются лишь из 33 букв, каждый из генов состоит всего из четырех молекулярных букв. Специфика конкретного гена определяется их последовательностью.
Геном (который может состоять более чем из миллиона букв) – это полная совокупность генов организма. Каждый ген (обычно состоящий из тысяч букв) в сущности является шифром того или иного белка. Белок – это цепочка из комплексов, называемых аминокислотами. Именно конкретная последовательность аминокислот детерминирует функциональные свойства каждого белка.
Мутации возникают при изменении последовательностей генетических букв и приводят к трансформации аминокислоты или структуры белка. К счастью, природа выстроила достаточно прочную систему предохранительных механизмов: несколько комбинаций букв могут сформировать один и тот же белок, и, соответственно, мутации не всегда приводят к деструктивным изменениям в функциях или структуре белка.
Это важно, потому что белки – основа жизни. Их формы и функции практически безграничны, и известная нам жизнь без них не могла бы существовать. Понимание функциональных особенностей белков позволяет отнести их к той или иной из широких категорий, таких как ферменты, гормоны, антитела и нейротрансмиттеры.
Процесс синтеза белков от начала и до конца контролируется рядом других белков, среди которых наиболее важными являются транскрипционные факторы. Хотя ДНК содержит гены, на самом деле они неактивны, и их экспрессия регулируется именно транскрипционными факторами, которые активируют тот или иной специфический неактивный участок ДНК, в результате чего синтезируется конкретный белок. При этом, вместо того чтобы воздействовать непосредственно на ДНК, клетка обращается к ее копиям под названием РНК. Есть разные типы РНК, и каждый из них выполняет свои функции. Первый из них – матричная (информационная) РНК (мРНК). Она представляет собой точную копию соответствующей последовательности генов ДНК. Молекулы мРНК выходят из ядра в цитоплазму через поры в ядерной оболочке (мембране). Как только молекула мРНК появляется на поверхности цитоплазматической части ядерной мембраны, она находит одну из тысяч рибосом – фабрик по производству белков. Работа рибосом – транслировать зашифрованную в мРНК информацию, синтезируя ту или иную последовательность аминокислот, составляющую конкретный белок.
Надеюсь, вы еще со мной. Я постарался максимально просто изложить материал, блуждая в дебрях которого сотни ученых пытались, пытаются и будут пытаться прояснить подробности вышеприведенного урока биологии. У большинства из вас, уважаемые читатели, формируется (или обновляется) некий фундамент знаний, позволяющий понять значимость митохондрий и их внутреннюю сущность. Что ж, давайте продолжим.
Эволюция эукариотической клетки
Несмотря на то что греческое слово «эукариотический» означает «истинно ядерный», содержимое эукариотических клеток помимо собственно ядра включает и иные составные части, например митохондрии. В свое время они являлись самостоятельными организмами – бактериями, которые вошли в состав других бактерий, но не были ими переварены (как это обычно бывает), а наладили с ними симбиотические (партнерские) взаимоотношения, приносящие пользу обеим сторонам. Неудивительно, что митохондриальный геном имеет много общего с альфа-пробактериями – микроорганизмами, приносящими пользу своему хозяину.
Данные научных исследований говорят о том, что вхождение одних бактерий в состав других произошло около двух миллиардов лет назад. Первоначально оба вида представляли собой полностью независимые организмы и обладали всеми генами, необходимыми для независимой жизни. Однако после симбиотического поглощения они начали бесконечные эксперименты как биохимического, так и генетического плана.
Путь проб и ошибок достиг кульминации в период умопомрачительного развития жизни длиной в 1,2 миллиона лет, но в итоге поглощенная бактерия стала специализироваться на выработке энергии (стала митохондрией), а оставшиеся части новообразованной и все еще примитивной эукариотической клетки приобрели специфические структуры и функции. Приобретение митохондрий, как полагают ученые, стало решающим моментом в истории жизни, как мы ее знаем. Если это так, то именно митохондриям мы обязаны богатством земной биосферы. Если бы не митохондрии, то жизнь никогда бы не вышла за рамки одноклеточного существования.
Несмотря на то что митохондрии и их «хозяева» когда-то были бактериями, возникшие в результате симбиоза эукариотические клетки характеризуются очень сильными, многообразными и интересными изменениями по сравнению со своим бактериальным прошлым. Во-первых, эукариотические клетки являются настоящими гигантами по сравнению с крошечными бактериями. Объем эукариотических клеток превышает объем бактерий как минимум в десять тысяч, а как максимум в сто тысяч раз.
Во-вторых, как мы уже отмечали, у эукариотической клетки есть ядро. Обычно клеточное ядро представляет собой сферу, окруженную двумя мембранами, состоящими из защитных белков и скрывающими за собой плотную массу ДНК. У бактерий же, наоборот, ядро отсутствует, а их ДНК довольно примитивна и лишена защиты.
Третье отличие заключается в размере геномов (общего набора генов) эукариотических клеток и бактерий. Бактерии обладают гораздо меньшим количеством генов, чем их эволюционировавшие потомки. Кроме того, эукариотические клетки имеют гораздо больше некодирующей ДНК (участков ДНК, которые не участвуют в системе кодирования мРНК, определяющей, какие будут синтезированы белки). Раньше ученые думали, что некодирующая ДНК является мусорной и не приносит пользы. Но новейшие исследования показывают, что обширные участки некодирующей ДНК (или, по крайней мере, их часть) выполняют множество функций. Как бы то ни было, ДНК эукариотических клеток требует гораздо больше энергии, чем ДНК бактерий, для того чтобы копировать находящуюся в ней информацию и обеспечивать ее копирование.
Наконец, ДНК эукариотических клеток и ДНК бактерий существенно отличаются друг от друга в плане структуры. Хромосома бактерий имеет кольцевую замкнутую структуру. Будучи прикрепленной к клеточной стенке, она предпочитает свободно плавать в цитоплазме. Так как ДНК бактерий не покрыта защитной белковой оболочкой, она всегда готова к репликации (копированию). Гены бактерий объединяются в функциональные кластеры, каждый из которых нацелен на решение определенных задач. Помимо этого, в бактериях находятся плазмиды – небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные автономно воспроизводить себя. Они представляют собой двухцепочные кольцевые молекулы. Крошечные кольца плазмид способны к независимому самовоспроизведению и могут сравнительно быстро передаваться от бактерии к бактерии. Напротив, у эукариотических клеток гены расположены на хромосомах случайным образом, более того, они часто разбиты на короткие участки, перемежаемые длинными участками некодирующей ДНК. Чтобы синтезировать какой-либо белок, обширные участки ДНК нужно прочитать много раз. Более того, к тому моменту, когда мРНК эукариотической клетки покидает ядро, она уже разрезана и избавлена от избыточного генетического материала – некодирующих участков. Процесс вырезания определенных участков мРНК называют сплайсингом. После этого кодирующие участки сшиваются вместе и формируют ген, кодирующий искомый белок. Сам по себе доступ к генам является довольно сложным, потому что хромосомы покрыты плотной оболочкой из гистонов – белков, о которых мы упоминали выше. Гистоны обеспечивают ДНК определенную степень защиты, но при этом затрудняют связь с ней. Если гены должны реплицироваться (то есть создавать копии самих себя) в целях деления клетки или осуществлять синтез белка, то структура гистонов должна изыскивать возможность для обеспечения доступа к ДНК. Это – работа другого типа белков, о которых мы также говорили выше, – факторов транскрипции.
Чтобы не зацикливаться на этой теме, просто скажу, что бактерии в ходе эволюции обрели поистине примитивную эффективность, тогда как большинство эукариотических клеток являются гигантскими и невероятно сложными живыми системами. Вся эта сложность требует огромного количества энергии.
Высоких расходов энергии требуют и другие аспекты жизнедеятельности эукариотической клетки. Сравним цитоскелет эукариотической клетки и оболочку бактерии, или прокариотической клетки. Несмотря на сходство функций (поддержание структуры клетки), они отличаются друг от друга в той же степени, что и человеческий скелет – от экзоскелета (панциря черепахи или хитинового покрова насекомого).
Стенки бактериальных клеток варьируют по своей структуре и составу, но в целом представляют собой жесткую оболочку, позволяющую бактерии сохранять свою форму и предотвращающую ее распад при внезапных изменениях внешней среды. Напротив, эукариотические клетки обычно имеют гибкую оболочку, структурную стабильность которой придает внутренний клеточный каркас. Цитоскелет – очень динамичная и постоянно перестраивающаяся структура, которая требует больших энергозатрат. Это дает эукариотическим клеткам огромное преимущество, так как они могут менять форму и очень активно пользуются этой возможностью. Классическим примером этого являются макрофаги (вид белых кровяных клеток), поглощающие враждебные организму частицы, бактерии и остатки погибших клеток.