Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
На протяжении почти половины столетия после работы фон Моля с протоплазмой в 1840-е годы клеточные биологи представляли себе клетку в виде шарика, заполненного подвижной жидкостью. Однако, попав в клетку, мы сразу замечаем, что в цитоплазме имеется молекулярный “скелет”, определяющий форму клетки, – как костный скелет, который поддерживает форму организма[37]. Этот остов, называемый цитоскелетом, главным образом состоит из филаментов, образованных белком актином, и трубчатых структур, образованных белком тубулином[38]. В отличие от костей, эти нитчатые структуры, пересекающие внутриклеточное пространство, не являются статичными и выполняют не только структурную функцию. Они определяют внутреннюю организацию клетки. Цитоскелет сближает клеточные компоненты между собой, а также служит для передвижения клетки. Когда белая клетка крови направляется навстречу микробу, она использует актиновые филаменты (а также другие белки), чтобы двигать “ножками”, попеременно сокращая и расслабляя свою переднюю часть, что напоминает эктоплазматическое движение какого-то инопланетянина7.
Тысячи белков, связанных с цитоскелетом или свободно плавающих в протоплазматической жидкости, обеспечивают протекание жизненно важных реакций (дыхание, метаболизм, удаление отходов жизнедеятельности). Плавая в протоплазме, мы обязательно встретим одну очень важную молекулу: это длинная нитевидная молекула, называемая рибонуклеиновой кислотой (РНК). Нити РНК построены из четырех типов субъединиц: аденина (А), цитозина (С), урацила (U) и гуанина (G). Одна нить может состоять из тысяч таких субъединиц, объединенных в последовательности типа ACUGGGUUUCCGUCGGGGCCC. Эта нить содержит в себе закодированную информацию, необходимую для синтеза белка[39]. Ее можно сравнить с алгоритмом, напоминающим последовательность знаков, передаваемых с помощью азбуки Морзе. Например, одна молекула РНК, только что синтезированная в клеточном ядре, может содержать инструкции для синтеза инсулина. А рядом могут плыть другие нити, кодирующие другие белки.
Как расшифровываются эти инструкции? Поглядев по сторонам, мы заметим массивные макромолекулярные структуры, называемые рибосомами, – составные агрегаты, впервые описанные американским клеточным биологом румынского происхождения Джорджем Паладе в 1940-е годы8. Их нельзя не заметить; например, в клетке печени их содержится несколько миллионов. Рибосома удерживает молекулы РНК и расшифровывает записанные в них инструкции для синтеза белков. Эта клеточная фабрика по синтезу белков сама также построена из белков и РНК. Это еще один замечательный пример природной рекурсии, в рамках которой одни белки позволяют синтезировать другие.
Создание белков – одна из важнейших функций клетки. Из белков строятся ферменты, обеспечивающие жизненно важные химические реакции. Из них же состоят структурные элементы клетки. Белки выполняют функцию рецепторов, принимающих внешние сигналы, образуют поры и каналы клеточной мембраны, а также регулируют включение и выключение генов в ответ на соответствующие стимулы. Белки – это рабочие лошадки клеток.
В клетке мы можем увидеть еще одну макромолекулярную структуру, похожую на мясорубку. Это клеточный мусорный пресс – протеасома, куда белки отправляются в последний путь. Протеасома расщепляет их на составные элементы и выплевывает пережеванные фрагменты обратно в протоплазму, завершая цикл синтеза и расщепления.
Проплывая через клеточную протоплазму, мы обязательно натолкнемся на крупные структуры, связанные с мембраной. Их можно сравнить с отдельными отсеками космического корабля за двойной перегородкой. Здесь есть отделение для производства энергии, для хранения запасов, для приема и отправления сигналов, а также для удаления отходов. Все более и более пристально вглядываясь в клетки, микроскописты и клеточные биологи нашли десятки организованных функциональных подструктур, аналогичных органам (таким как почки, кости, сердце), идентифицированным в человеческом теле Везалием и другими анатомами. Биологи называют их органеллами – миниатюрными органами внутри клетки.
Вероятно, мы очень быстро заметим структуры в форме почки: впервые они были описаны, хотя и без подробностей, в 1840-е годы немецким гистологом Рихардом Альтманом, обнаружившим их в клетках животных9. Эти органеллы, которые позднее были названы митохондриями, являются клеточными генераторами энергии: это печи, которые непрерывно горят, производя необходимую для жизни энергию. Происхождение митохондрий все еще вызывает вопросы. Но одна из наиболее интересных и широко принятых теорий заключается в том, что более миллиарда лет назад эти органеллы были микробными клетками, научившимися производить энергию в результате химической реакции с участием кислорода и глюкозы. Эти микробные клетки были поглощены или захвачены другими клетками и заключили с ними “рабочее соглашение”, называемое эндосимбиозом.
В 1967 году эволюционный биолог Линн Маргулис описала данное событие в статье “О происхождении митотических клеток”10. Как рассказывает Ник Лейн в книге “Вопрос жизни”, Маргулис утверждала, что сложные организмы “эволюционировали не путем «стандартного» естественного отбора, а в результате кооперации, в процессе которой клетки контактировали так тесно, что проникли друг в друга”11. Слишком радикально, слишком рано. Хотя на улицах Сан-Франциско и Нью-Йорка стояло “лето любви” и молодые мужчины и женщины страстно сливались воедино, в научных кругах теория Маргулис натолкнулась на стену скептицизма. Для Маргулис лето эндосимбиотической любви обернулось долгой зимой насмешек и отторжения, пока десятилетиями позже ученые не начали замечать не только структурное сходство между митохондриями и бактериями, но также их молекулярные и генетические сходства.
Митохондрии есть во всех клетках, но больше всего их в тех клетках, которым нужно особенно много энергии или которые регулируют запасание энергии, – в таких как клетки мышц, жировые клетки и некоторые клетки мозга. Хвост сперматозоида окружен митохондриями, которые дают ему энергию, необходимую, чтобы доплыть до яйцеклетки. Митохондрии делятся внутри клетки, но, когда приходит время делиться самой клетке, митохондрии просто распределяются между двумя дочерними клетками. Иными словами, они не живут независимым образом, они могут существовать только внутри клетки.
У митохондрий есть свои гены и свой геном, которые имеют определенное сходство с генами и геномами бактерий, что вновь подтверждает теорию Маргулис о том, что раньше они были примитивными клетками, оказались захвачены другими клетками и вступили с ними в симбиотические отношения.
Как клетка производит энергию? Есть два пути: быстрый и медленный. Первый путь реализуется главным образом в протоплазме клеток. Ферменты последовательно расщепляют глюкозу на все более и более мелкие молекулы, и в результате этой реакции выделяется энергия. Поскольку в реакциях не задействован кислород, этот процесс называют анаэробным. В энергетическом плане конечным продуктом этого быстрого пути являются две молекулы химического соединения аденозинтрифосфата (АТФ).
АТФ – главная энергетическая валюта почти всех живых клеток. Любая химическая или физическая активность, для которой требуется
