Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Изображение клетки с демонстрацией нескольких структур, включая эндоплазматический ретикулум (ER), ядро (N), РНК (R), клеточную мембрану (СМ), хроматин (С), пероксисому (Р), аппарат Гольджи (G), митохондрию (М), рибосому (Rb) и мембранный белок (МР). Волокна внутри клетки изображают элементы цитоскелета. Рисунок выполнен автором без соблюдения масштаба.
Как можно было ожидать, поначалу Паладе обнаружил радиоактивный сигнал в рибосомах, где синтезируются белки (рибосомы и были теми крохотными плотными частицами, которые он нашел на поверхности ЭПР). Но затем, к его удивлению, некоторые белки направились от рибосом внутрь эндоплазматического ретикулума[44].
Следя далее за перемещением белка, Паладе обнаружил, что тот проходит через ЭПР и попадает в специализированный отдел, названный аппаратом Гольджи в честь итальянского микроскописта Камилло Гольджи, который первым увидел эту структуру в 1898 году, но так и не определил ее функцию. Отсюда меченые белки направляются в секреторные гранулы, отпочковывающиеся от аппарата Гольджи для отправки к пункту назначения – для выведения из клетки18. (В новаторском исследовании биологов Джеймса Ротмана, Рэнди Шекмана и Томаса Зюдхофа было показано, как белки направляются к месту локализации внутри клетки. Все трое в 2013 году были удостоены Нобелевской премии за работу по изучению внутриклеточного транспорта белка.) И почти в каждой точке пути некоторые белки подвергаются изменениям: они укорачиваются, химически модифицируются за счет присоединения сахарной группы или сворачиваются вокруг другого белка (сигналы для проведения таких модификаций обычно изначально заложены в последовательности самого белка).
Весь процесс в каком-то смысле сравним со сложной почтовой системой. Он начинается с лингвистического кода генов (РНК), который расшифровывается и применяется для написания письма (последовательность белка). Белковая последовательность записывается (синтезируется) клеточной печатной машинкой (рибосомами), а затем опускается в почтовый ящик (пора, через которую белок попадает в ЭПР). Через пору белок попадает на главный почтамт (эндоплазматический ретикулум), откуда письмо (белок) переправляется на сортировочную станцию (аппарат Гольджи) и, наконец, помещается в фургон почтовой машины (секреторной гранулы). Существуют даже коды, прикрепленные к самому белку (штампы), при помощи которых клетка определяет конечное назначение белка. Паладе понял, что эта “почтовая система” обеспечивает доставку большинства белков к их месту назначения в клетке.
(а) Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) в клетке надпочечника человеческого зародыша. Вверху расположено ядро (здесь – полусфера); параллельные структуры посредине – это гранулярный эндоплазматический ретикулум, окруженный гладким эндоплазматическим ретикулумом, (б) Перемещение секреторного белка от рибосомы в ЭПР, аппарат Гольджи и, наконец, в секреторные гранулы (рисунок автора). Обратите внимание, что белок проникает в ЭПР еще до окончания синтеза. В ЭПР белок подвергается модификации, например, к нему могут присоединяться сахарные группы. Далее белок перемещается в аппарат Гольджи, где может дополнительно модифицироваться, а затем попадает в секреторную везикулу, которая выносит его из клетки, или в другие везикулы, которые направляются к другим клеточным структурам.
Инновационные исследования Паладе, Портера и Клода открыли окно в новый мир внутриклеточной анатомии. Объединение двух методов наблюдения (микроскопии и биохимии) произвело синергический эффект. Благодаря этому подходу биологи обнаружили десятки функциональных и анатомически дискретных внутриклеточных структур. Бельгийский биолог Кристиан де Дюв, также работавший в Институте Рокфеллера, открыл внутриклеточную структуру, нагруженную ферментами, которую назвали лизосомой19. Этот клеточный “желудок” переваривает изношенные элементы клеток, а также попадающие в клетку бактерии и вирусы[45].
В растительных клетках содержатся структуры, называемые хлоропластами; здесь происходит фотосинтез – процесс, в ходе которого энергия света преобразуется в энергию химических связей в синтезируемых молекулах глюкозы. Хлоропласты, как и митохондрии, имеют собственную ДНК, что тоже подтверждает их происхождение от микробов, захваченных другими клетками. Кроме того, де Дюв открыл окруженную мембраной пероксисому, где в замкнутом пространстве происходят одни из самых опасных клеточных реакций, например окисление, и образуется чрезвычайно активное химическое соединение – пероксид водорода. Если пероксисома вдруг откроется и высвободит содержащиеся в ней активные соединения, они атакуют саму клетку. Поэтому клетка держит этот сосуд с ядом для переваривания других ядов плотно закрытым.
Под конец рассказа я приберег самую важную и самую таинственную органеллу клетки – ядро. У бактерий ядра нет, но в тех клетках, у которых оно есть (а это все клетки растений и животных, включая человека), в нем содержится генетический материал – инструкции для жизни клетки. Это банк, где хранится ДНК, где сосредоточен геном.
Ядро – это командный пункт, капитанский мостик клетки. Именно сюда приходит и отсюда выходит большинство жизненно важных сигналов. РНК, содержащая информацию о синтезируемых белках, образуется в ядре, а затем из него экспортируется. Ядро – это центр центрального элемента жизни.
Роберт Браун, изучавший анатомию клетки, увидел ядро в клетках орхидеи в 1836 году[46]. Обратив внимание на центральное положение этой структуры, он назвал ее греческим словом kernel. Однако функция этой органеллы и ее главенствующая роль в жизни клетки оставались неизвестными еще целое столетие. Как и клетка, ядро само тоже окружено пористой двумембранной оболочкой, однако поры этой оболочки не так хорошо исследованы.
Как я упомянул выше, в ядре хранится клеточный геном, состоящий из длинных последовательностей дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Двойная спираль ДНК специфическим образом обернута вокруг молекул, называемых гистонами, и далее свернута еще более плотно в хромосомы. Если бы мы могли развернуть ДНК одной клетки и вытянуть в одну линию, как проволоку, ее длина составила бы около двух метров. А если сделать это с ДНК всех клеток человеческого тела и сложить их концом к концу, такая нить протянется от Земли до Солнца и обратно более шестидесяти раз. Свяжите между собой ДНК всех живущих на Земле людей, и вы протянете нить до галактики Андромеды и обратно примерно два с половиной раза20.
Ядро, как и внутриклеточная жидкость (цитоплазма), имеет собственную организацию, хотя мы по-прежнему знаем о ней немного. Ученые, занимающиеся ядром, считают, что в нем есть собственный скелет, состоящий из молекулярных волокон[47]. Белки, пересекающие цитоплазму, проходят через поры в ядерной оболочке, связываются с ДНК и включают и выключают гены. Связанные с белками гормоны входят в ядро и выходят из него. Универсальный источник энергии – АТФ – легко проникает
