Льюис Уолперт - Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем
Микротрубочки представляют собой достаточно прочные полые трубки, обладающие способностью быстро возникать и затем исчезать в различных частях клетки в зависимости от посылаемых оттуда сигналов. Их относительная нестабильность наделяет их способностью быстро перестраиваться и перегруппировываться. Мы уже наблюдали это, когда рассматривали процесс деления клеток, во время которого микротрубочки участвуют в процессе разделения хромосом.
Подобно нам самим, клетки обладают развитым внутренним скелетом и высокой мобильностью. Внутренний скелет клетки строится из белков. Они же определяют движение клетки. Примером этого являются мускульные сокращения — фундаментальное свойство наших клеток. Когда наши мускулы сокращаются, они становятся короче. Можно было бы подумать, что сокращаются мускулы благодаря укорачиванию некоторых молекул, однако это не так. Клетки применяют для этого более хитроумный способ.
Особенно ясно это видно на примере скелетных мускулов — мышц, которые прикрепляются к костям скелета и состоят из выстроившихся в цепочку небольших мускульных образований, способных к сокращению. Каждое длинное волокно скелетных мышц представляет собой одну огромную клетку, которая в процессе эволюции сформировалась из нескольких малых клеток. Мышечное волокно содержит в себе специфические элементы, связанные с механизмом сокращения, — миофибриллы. Каждая миофибрилла состоит из саркомеров, следующих друг за другом. Саркомер — это функциональная единица мышцы, именно сокращение саркомеров и вызывает сокращение всей мышечной группы. В состав саркомера входят сократительные белки — актин и миозин.
Миозиновые и актиновые нити собраны в мышечные пучки, устроенные таким образом, что актиновые нити находятся между миозиновых. Сокращение мышцы происходит в результате скольжения миозиновых и актиновых нитей относительно друг друга, в результате чего вся миофибрилла становится короче. Это похоже на то, как если бы пальцы одной руки скользили между пальцами другой. Особые области миозиновых нитей воздействуют на актиновые нити, заставляя их двигаться относительно себя, и для этого требуется АТФ. Из-за этой способности к совершению мускульных движений миозин называют белком — мотором мышц.
Актин — это многоликий белок, способный легко вытягиваться в нити и затем распадаться опять на элементарные составляющие. Он может образовывать и жесткие ткани, и — вместе с миозином — сократительные волокна, которые во время деления клетки создают сократительное кольцо, приводящее к образованию двух клеток из одной делящейся. Актин обеспечивает способность клетки к движению. Особенно наглядно это проявляется при движении белых кровяных телец через ткани, когда они внедряются туда для уничтожения вторгнувшихся в организм вредоносных бактерий.
В передней части двигающейся клетки имеется густой пучок актиновых нитей. Разрастаясь, они начинают давить на клеточную оболочку, заставляя ее выпячиваться вперед. Затем эти актиновые нити сокращаются, за счет чего вся клетка подтягивается вперед. Этот процесс повторяется вновь и вновь. Все это похоже на то, как если бы кто-то карабкался вверх по лестнице, помогая себе лишь одной рукой. Однако и в задней части двигающейся клетки также происходят сокращения, которые вызываются уже миозиновыми нитями.
Непрерывное движение внутри клетки в основном вызвано движением митохондрий и небольших пузырьков, окруженных оболочкой, которые перемещаются скачкообразными движениями. В основе этих движений лежит тот же принцип, что и в основе мускульных сокращений. Находящиеся в клетке белковые нити и микротрубочки являются теми «рельсами», вдоль которых совершаются все эти движения. Осуществляется же движение благодаря двигательным белкам, которые связываются одним концом с оболочкой пузырька или митохондрии и затем путешествуют вместе с ними вдоль белковой нити или микротрубочки. Продвижение пузырька или митохондрии происходит за счет того, что с ними поочередно связываются последовательно расположенные двигательные белки, «вытягивающие» их таким образом вперед. Все это напоминает то, как тянутся относительно друг друга во время мускульных сокращений актиновые и миозиновые нити.
Двигательные белки отвечают также за движения ресничек. Многие наши клетки имеют так называемые реснички — что-то вроде одиночного волоска, находящегося на внешней оболочке. Эта ресничка изгибается и выпрямляется, заставляя окружающую жидкость обтекать клетку. Подобные реснички очищают, например, наши легкие: миллиарды ресничек в легких все время находятся в непрерывном движении, освобождая их от пыли и выводя ее наружу через рот. Сперматозоид, который после эякуляции устремляется навстречу яйцеклетке, также движется за счет похожего на ресничку отростка, но только значительно большего по своим размерам. Этот отросток изгибается и заставляет сперматозоид продвигаться вперед с завидной скоростью, превращая его в подобие оснащенного мощными ластами пловца.
Основным механизмом, приводящим в движение реснички, являются девять пар микротрубочек, собранных в кольцеобразную структуру, которая может изгибаться за счет скольжения микротрубочек относительно друг друга. Это скольжение осуществляется благодаря особым двигательным белкам. Недавно было признано, что гораздо больше клеток, нежели считалось ранее, имеют реснички и что при помощи этих ресничек клетки могут подавать друг другу различные сигналы.
Белки, расположенные на внешней оболочке клетки, также исполняют важнейшие функции. К внешней оболочке привязываются молекулы сахаров, создавая нечто вроде дополнительного защитного чехла, предохраняющего клетку от механических повреждений и неблагоприятного химического воздействия. На внешней поверхности клеточной оболочки имеются также белки, которые связываются с белками, расположенными на поверхностях других клеток, соединяя тем самым клетки воедино и позволяя им образовать клеточную ткань.
На внешней поверхности клеточных оболочек размещаются также белковые рецепторы, которые позволяют улавливать и передавать внутрь клетки сигналы, поступающие от других клеток. Поступающая таким образом информация передается прежде всего генам, находящимся в клеточном ядре, и оповещает их о том, что происходит в других клетках. Передача подобных сигналов протекает в виде сложных реакций и взаимодействия различных клеточных белков.
Клетки должны иметь возможность воспринимать сигналы соседних клеток, а также сигналы, которые поступают им издалека в виде гормонов. Например, гормон инсулин сигнализирует клеткам о том, что они должны позволить молекулам сахаров проникать в себя. В силу того, что белки внешней оболочки клетки играют определяющую роль в связях клетки с окружающим ее миром, число разновидностей таких белков достигает десяти тысяч, и они представляют собой значительную составляющую часть общей армии белков.
Основу клеточной оболочки составляют молекулы жиров, или липиды, и молекулы белков. Ключевая роль молекул жиров в строительстве клеточной оболочки основана на том, что они по природе своей отталкивают воду. Молекулы жиров не смешиваются с водой, а также держатся отдельно друг от друга. Они покрывают оболочку клетки тончайшим двойным слоем, благодаря чему она становится гибкой и подвижной и одновременно практически непроницаемой для молекул, растворимых в воде, — таких, как молекулы глюкозы. Размещенные в клеточной оболочке жировые молекулы похожи на крошечных животных, которые не выносят воду: головная часть этих молекул делает все, чтобы убраться из области, где есть вода, а хвостовая часть способна вынести лишь незначительный контакт с водой.
В образующем клеточную оболочку жировом слое размещены и молекулы белков, составляющие примерно половину всех молекул клеточной оболочки; они способны контролировать перенос и перемещение молекул сквозь клеточную оболочку. Благодаря этому клеточная оболочка обладает высокой степенью подвижности и гибкости, что позволяет ей принимать любую форму при изменении формы самой клетки, и не разрываться даже тогда, когда что-то протыкает ее извне. Новая клеточная оболочка формируется клеточным пузырьками — мельчайшими образованиями, которые, в свою очередь, также имеют оболочку. Легкость, с которой жировые молекулы образуют двойной защитный слой, сыграла важную роль в эволюции клеточной оболочки и самой клетки в целом.
Несмотря на то что жировые молекулы не терпят воды, вода все же способна проникать сквозь клеточную оболочку внутрь клетки, а также выводиться из нее. Но жировая оболочка пропускает внутрь в основном молекулы воды, не имеющие электрического заряда. Те же молекулы, что содержат электрический заряд — например, натрий и ионы калия, — проникают сквозь оболочку с большим трудом.
