Текст книги "Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности"

Михаил Вейсман
Тайная жизнь тела: клетка и ее скрытые возможности

Введение

Вы когда-нибудь наблюдали за стайкой рыбок в аквариуме? Иногда кажется, что они как один организм – одна рыбка вильнет, и вся стайка моментально копирует ее движения… Как это у них получается?

Ученые выяснили, что все чудо заключается в особенностях нервных клеток рыб: помимо обычных органов чувств у них есть еще одна – линия, идущая вдоль всего тела от жабр до хвоста. Считается, что собранные в ней нервные клетки позволяют ощущать вибрацию воды и движения «одностайников». Остальное совершается рефлекторно: спинной мозг рыбки получает сигнал от чувствительной линии и тут же дает команду на повторение движения.

Но если смотреть глубже, то можно понять, что схема не так проста, как это кажется на первый взгляд. Ведь ту же синхронность движений демонстрируют птицы в стае, муравьи в муравейнике и вообще практически все стадные животные. А как объяснить феномен толпы, когда огромная масса людей заражается настроением одного человека и теряет способность к самостоятельному мышлению?

Одна из современных теорий говорит об электрических (а точнее – энергетических) полях, которые могут создавать клетки нашего организма. И это – только одна из тайн, которую нам еще предстоит разгадать.

Вообще, клетка человеческого тела – это настоящий лабиринт, полный секретных комнат и тайных ходов. Каждый год ее исследователи делают новые открытия, и все же большая часть чудесных способностей клетки до сих пор не раскрыта. Чего стоят одни легенды о свойствах стволовых клеток! А генная инженерия? Клонирование? Мутации?

Каждое новое исследование клетки можно читать как захватывающий детектив с примесью фантастики (если, конечно, перевести все термины на человеческий язык). Но главное, это те возможности, которые сулят научные исследования всему миру. Кто знает, может быть, уже через десяток лет мы будем знать секрет вечной молодости или научимся лечить рак, а может быть, разгадаем тайну энергетических потоков и начнем летать как птицы? Кто знает…

Часть I. «Скелет в шкафу», или Что мы знаем о клетке?

Помните известную английскую поговорку – у каждой семьи есть свой скелет в шкафу. Так говорят о чем-то тайном, что рано или поздно становится достоянием гласности. У клетки в этом смысле – сплошные скелеты (уж простите за такой каламбур). Проще говоря, тайного в ее свойствах до сих пор больше, чем явного. Даже видные ученые иногда сравнивают ее с крепостью, в стенах (и за стенами) которой скрывается больше потайных ходов, чем в любом замке Средневековья.

Кстати, сравнение с замком очень помогает рассказать в общих чертах о строении и изученных функциях клетки. На самом деле каждая самая микроскопическая клетка – это целый городок, который живет и развивается по своим законам.

Глава 1. «Крепостная стена» клетки

Как и у любого уважающего себя средневекового города, у клетки есть вал, который окружает крепостную стену. Это – первая линия обороны клетки-городка. Ученые называют ее «оболочкой» клетки. Оболочка предназначена для защиты внутренних структур. При этом она довольно толстая (напоминаю, что речь идет о клетке размером в несколько микрон, и о толщине оболочки можно говорить только относительно других ее составных частей), но не очень прочная. И легко пропускает внутрь клетки все, что туда стремится, а из клетки – все, что стремится наружу.

Другое дело – мембрана. Именно ее можно назвать настоящей крепостной стеной. Как и в настоящей крепости, у нее есть «ворота», «калитки», «потайные ходы», «стража», «ловушки», а также «насосы» и другие нужные вещи. Она ограждает и защищает внутреннее содержимое клетки, не дает «лазутчикам» пробраться внутрь и очень внимательно относится к тому, что выходит из нее в обратном направлении.

Если отвлечься от нашей аллегории и вернуться в мир науки, можно отметить, что мембрана и внутреннее содержимое клетки состоят в основном из одних и тех же атомов. Эти атомы – углерод, кислород, водород и азот. На электронной фотографии тонкого среза клетки мембраны видны в виде двух темных линий. Они не монолитны. По сути мембрана – это очень мелкое молекулярное сито. Точнее – изрезанная извилистыми ходами толстая крепостная стена. На самом деле толстая, потому что диаметр каждого хода раз в десять меньше длины.

Таких ходов в каждой мембране не так уж и много – по сравнению со всей поверхностью клетки отверстия «ходов» занимают всего одну миллионную часть. Надо еще хорошенько потрудиться, чтобы найти вход!

Но еще больше предстоит попотеть, чтобы получить у «стражи» пропуск. Да-да, не удивляйтесь. У каждой клеточной мембраны есть своя стража – рецепторы, которые анализируют все, с чем соприкасается клетка, и выносят свой вердикт. На научном языке эти рецепторы носят название гликопротеины – эта цепочка, состоящая из молекул белка, выглядит как веточка коралла. Такие веточки «ощупывают»

все, что к ним приближается, и решают, пропускать это через мембрану или оттолкнуть.

Рецепторы мембраны играют очень важную роль. Узнавая родственные клетки, они помогают друг другу правильно выстроиться и создать ткань – костную, мышечную, нервную или любую другую. Они также допускают внутрь клетки белки, нуклеиновые кислоты, сахара и другие необходимые для жизнедеятельности клетки-города вещества. А вот «врагов» в виде болезнетворных вирусов они отталкивают – формируется так называемый иммунологический ответ. Правда, если стража обленилась или покинула свой пост (это бывает при снижении иммунитета) – вирусы проникают внутрь клетки и устраивают там погром. Хорошо, если у нас это проявляется только в чихании и заложенном носе, а ведь бывают и более трагические случаи!

Определенные рецепторы помимо прочего еще выполняют функции электрического поля – они переносят электроны и преобразуют энергию. Есть рецепторы, реагирующие на изменение химического состава среды – и сообщающие клетке о том, что такие изменения произошли. Короче говоря, как в любой уважающей себя армии, в мембране клетки содержатся различные рода войск, предназначенные для решения самых разных задач.

Как мы уже поняли, главным свойством крепостной стены-мембраны является избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия воды через мембрану называется осмосом.

Существует несколько способов прохождения веществ через мембрану. Один из них можно сравнить с водой в сообщающихся сосудах – если концентрация каких-то веществ вне мембраны выше, то они начинают просачиваться туда, где концентрация ниже. Просачиваются они через те самые ходы-поры, о которых мы говорили чуть выше. Но если речь о жирорастворимых веществах, процесс «доставки» становится сложнее (а попробуйте сами затолкать «толстяка» в узкий и извилистый ход!) – предварительно молекулы расщепляются с участием липидов и только после этого проводятся внутрь. Оба эти процесса называют диффузией.

Но бывает так, что клетке позарез нужны те или иные «продукты», а самостоятельно «заходить» они никак не хотят (то есть их концентрация внутри и так выше, чем снаружи). Тогда включается механизм активного транспорта (или насоса). Его можно рассмотреть на примере обмена натрия на калий. Его так и называют – Na-/K-насос. Суть его заключается в том, что клетка выталкивает ионы натрия, замещая их на ионы калия. Занимаются этим специальные белки-переносчики, которые и образуют так называемые ионные насосы. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация K– и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На такое замещение расходуется значительная энергия, зато этот механизм позволяет клетке получать различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты.

А что делать, если внутрь надо затащить совсем уж крупногабаритные предметы? К таким «роялям» и «шкафам» относятся макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеиновые комплексы и другие нужные вещества. И здесь в нашей крепостной стене начинают происходить настоящие чудеса. Кусок «стены» (мы же помним, что речь идет о клеточной мембране) выпячивается и захватывает нужный кусок внеклеточного материала. Затем он обволакивает его и расщепляет макромолекулы до простейших составляющих. А те уже легко проскакивают через знакомые нам проходы-поры.

Этот процесс называется эндоцитоз. То же самое, но только изнутри – наружу, носит название экзоцитоз. С помощью экзоцитоза мембрана помогает клетке избавиться от внутриклеточных продуктов или непереваренных остатков. Это можно сравнить с работой мусороуборочной машины: «мусор» заключается в своеобразный пузырек (вакуоль) и подводится к стене (мембране). Пузырек сначала прилепляется к внутренней поверхности стены, а затем как бы раскрывается в нее, выдавливая содержимое через ходы наружу. Вот такая чистюля – наша клетка.

Для понимания всех происходящих в мембране процессов следует помнить, что в отличие от настоящей крепостной стены ткань мембраны является подвижной, текучей структурой. Именно это свойство позволяет ей проявлять такие чудесные качества, как избирательность, различные механизмы транспорта веществ внутрь и наружу и так далее. Мембраны – структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях.

Из мембранной ткани формируются и некоторые «внутренние» помещения, вход в которые доступен не для всех. Но об этом – чуть позже.

Глава 2. Ядро – «мозговой» центр клетки

Если саму клетку мы сравниваем со средневековым городом, а мембрану – с крепостной стеной, то роль замка в нем играет, безусловно, ядро.

Ядро – самая большая и самая заметная составная часть клетки. Первым ее рассмотрел шотландский ученый Роберт Браунс в 1831 году. Он заметил, что ядро отделяется от остальной клетки двойной крепостной стеной-мембраной, а от нее в разные стороны расходятся цепочки пузырьков-«чистильщиков» (эндоплазматическая сеть) и загадочный комплекс Гольджи… Но обо всем по порядку.

Современные ученые сравнивают ядро с кибернетической системой, в которой происходит хранение, обработка и передача колоссального объема энергии. По сути все, что «знает» наше тело, хранится в ядре клетки. Получается, что именно отсюда, из «замка», идет управление всеми процессами, происходящими в нашем «городке». Ядро – стратегический центр и штаб клетки. Без ядра клетка погибает.

Форма ядра чаще всего шарообразная или яйцевидная. Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок, заполняющий пространство между структурами («комнатами») ядра. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. Это самые крупные «залы». Главная задача ядрышек – это производство рибосом. Рибосомы – очередное чудо клетки. Представьте себе мини-заводик, который из подручных материалов собирает молекулы белка. А теперь представьте, что таких заводиков – тысячи! Задача ядрышек – выпустить рибосому в цитоплазму (то есть из замка – в городок). Там уже рибосомы собираются в целые промышленные конгломераты и начинают производить белки.

Надо сказать, что клетка клетке рознь. В каких-то выпуск белка поставлен на промышленную остову (это клетки мышечной ткани, например), а в каких-то (в клетках костных структур) его образуется совсем немного. Так вот, чем активнее клетка, тем крупнее ядрышки в ее ядре – ведь им приходится работать день и ночь, чтобы производство не останавливалось ни на секунду!

Звучит все просто, но на деле все гораздо сложней. Рибосомы оказываются не просто промышленными конвейерами. Если продолжить проводить аналогии со знакомым нам миром, рибосомы окажутся похожими на сверхсовременных роботов, которые собирают дорогие автомобили. У них есть собственные «мозги» – программное обеспечение, которое заставляет их с потрясающей точностью воспроизводить молекулы белка совершенно определенного вида – по заданной матрице, как это принято говорить в мире науки. Матрица создается на основе генетической информации, заложенной в молекулы РНК – рибонуклеиновой кислоты.

Теория происхождения жизни

Как у каждого уважающего себя замка, у нашего обязательно должно быть несколько старинных преданий и легенд. Эта – рассказывает о возникновении жизни на Земле. Ряд ученых (в частности, Карл Вёзе, Лесли Оргел и Уолтер Гильберт) полагают, что когда-то, когда живая клетка еще не существовала на планете Земля, ее роль выполняли свободные рибонуклеиновые кислоты, которые вольготно себя чувствовали в воде и, перемещаясь, образовывали ансамбли с себе подобными. Они также могли обмениваться информацией и выступать катализаторами в некоторых химических процессах, благодаря чему примитивные формы жизни становились все сложнее и сложнее, пока рибонуклеиновые кислоты не научились отгораживаться друг от друга мембранами. Тогда «свободной любви» этих молекул пришел конец, зато наступила эра упорядоченных отношений, появилась молекула ДНК и возникла клетка – мельчайшая ячейка общества. Точнее – организма. Что-то есть до боли знакомое в этой истории, вы не находите?

Частично эту теорию подтверждают современные исследования, которые показали, что рибонуклеиновые кислоты вполне могут формировать колонии на гелях и твердых субстратах (правда, при создании определенных условий для репликации – самовоспроизведения). При этом они охотно обмениваются молекулами, которые при столкновении обмениваются свободными участками (то есть «делятся информацией»). Вся совокупность колоний при этом быстро эволюционирует.

Логично предположить, что, научившись синтезировать белок, колонии, в которых при мутации образовались молекулы-ферменты (их отличительная особенность в том, что они ускоряют некоторые химические процессы), стали развиваться еще быстрее и успешнее. И наконец, лидерами в этой гонке стали колонии, сформировавшие более надежный механизм хранения информации в ДНК и в конце концов отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Легенда – легендой, но главное, что нам предстоит усвоить: молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) – это простейшие хранители генетической информации. Именно они «учат» рибосомы, как создавать молекулы белка строго определенного вида. Давайте посмотрим, как это происходит.

Сначала в ядре из молекулы РНК выделяется небольшой кусочек – матричная РНК. Она выходит за пределы «замка» и встречается там с готовой рибосомой. Рибосома «узнает» свою матрицу и отвечает ей выработкой определенного белка. Одновременно с этим в ядрышке идет синтез других составляющих будущей рибосомы. Выработанный за пределами ядра белок протискивается сквозь стенки «замка», находит свою комнату-ядрышко и встречается там с остальными компонентами будущей рибосомы. Процессом «сборки» руководит уже знакомая нам РНК – она контролирует размер каждой составляющей, порядок их пристыковки друг к другу и так далее.

Надо сказать, что «новорожденная» рибосома – довольно крупное образование. Если бы речь шла о женщине, с таким «ребеночком» ей посоветовали бы делать кесарево сечение… А как же поступает клетка? Здесь природа предусмотрела свой механизм. Дело в том, что рибосома – это своеобразный конструктор. Сначала его собирают, а затем вновь разбирают на составные части. Вот так, по частям, они и покидают сначала ядрышко, а затем ядро, чтобы вновь встретиться за пределами «замка» и включиться в общую работу. Но об этом – чуть позже.

Кроме «комнат» в «замке»-ядре есть и целая система коридоров. Хотя правильнее было бы назвать их линиями связи. Эти нитевидные образования – хромосомы. В ядре каждой клетки строго регламентированное количество хромосом – 46.

Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по две хромосомы каждого вида, пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек. Следует отметить, что во всех соматических клетках (все клетки организма, кроме половых) хромосомы в парах всегда одинаковые по величине, форме и расположению, в то время как половые хромосомы (23-я пара) у мужчин неодинаковые (XY), а у женщин одинаковые (XX).

Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины. В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см.

Хромосомы, как и полагается уважающим себя информационным системам (не зря мы их назвали линиями связи!), отвечают за все, происходящее в «городке»-клетке. Но для того, чтобы понять, каким образом они это делают, сделаем небольшое отступление в область органической химии.

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.