Текст книги "Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек"

Организованная клетка. Внутренняя анатомия клетки

Дайте мне органическую везикулу [клетку], наделенную жизнью, и я верну вам весь организованный мир¹.

Франсуа-Венсан Распай

Клеточная биология наконец помогла реализовать столетнюю мечту: анализ болезней на клеточном уровне, первый шаг к окончательному контролю над ними².

Джордж Паладе

Как писал Рудольф Вирхов в 1852 году, “клетка является замкнутой единицей жизни, которая несет внутри себя… законы, управляющие ее существованием”³. Таким образом, ограниченная самостоятельная живая единица, “замкнутая единица”, которая несет в себе законы собственного существования, должна иметь границы.

Эти границы представлены мембраной – внешним пределом собственного пространства клетки. Тела ограничены многоклеточной мембраной – кожей. В человеческой психике тоже есть граница – собственное “я”. Границы есть у домов и у наций. Определить внутреннее содержимое означает определить контуры: установить, где заканчивается внутреннее пространство и начинается наружное. Без границы нет “своего”. Чтобы быть клеткой, чтобы существовать в таком качестве, необходимо разграничивать “свое” и “чужое”.

Что же такое граница клетки? Где заканчивается одна клетка и начинается другая? Все клетки начинаются и заканчиваются окружающими их мембранами.

Мембрана – парадоксальная структура. Если она герметична и не допускает никакого обмена между внутренней и внешней средой, она будет поддерживать целостность внутреннего содержимого. Но как в таком случае клетка удовлетворяет свои жизненные потребности и обязанности? Чтобы питательные вещества могли поступать в клетку и выходить из нее, клетке нужны некие поры.

Ей нужны станции приема сигналов, приходящих извне и переправляемых внутрь. А если организм голодает – и клетке нужно накапливать пищу и остановить метаболизм? А еще клетка должна избавляться от отходов, но опять-таки где (или как) делать шлюзы, через которые их можно выводить?

Каждое такое отверстие – исключение из правила целостности; в конце концов, дверь наружу одновременно является и дверью внутрь. Вирусы и микробы могут использовать пути для поступления питательных веществ или удаления отходов и через них проникать в клетку. Короче говоря, поры являются необходимым элементом жизни, но одновременно уязвимым местом живого существа. Идеально герметичная клетка – мертвая клетка. Клетка должна обеспечивать две функции: отгораживаться от внешней среды и одновременно открываться ей.

Из чего состоит клеточная мембрана? В 1890-е годы физиолог Эрнест Овертон (троюродный брат Чарльза Дарвина) помещал разные клетки в сотню различных растворов. Он обратил внимание, что жирорастворимые вещества проникали в клетки, в отличие от веществ, которые не растворяются в жирах. Овертон заключил, что клеточная мембрана должна представлять собой жировой слой⁴, но он не смог объяснить, как входят в клетку и выходят из нее нерастворимые в жирах вещества, такие как ионы или сахара.

Наблюдения Овертона лишь усложнили загадку. Клеточная мембрана толстая или тонкая? Состоит ли она из одного слоя жировых молекул (липидов[33]33
  Позднее компоненты мембраны были классифицированы подробнее. Больше всего в мембране липидов определенного типа с “головкой” из заряженных частиц (фосфатов) и с длинным углеродным “хвостом”. Кроме того, в липидную мембрану встроены дополнительные молекулы, такие как холестерин.


[Закрыть]), образующих единичную пленку, или она многослойна?

Топологическая структура клеточной мембраны была установлена благодаря тщательной работе двух физиологов. В 1920-е годы Эверт Гортер и Франсуа Грендель извлекли все жиры с поверхности известного числа эритроцитов крови, распределили эти молекулы в один слой и подсчитали его площадь⁵. Затем они определили площадь поверхности клеток, с которых сняли эти мембраны. Площадь слоя экстрагированных липидов почти вдвое превышала площадь поверхности эритроцитов.

Схема строения клеточной мембраны. Изображен липидный бислой с круглыми головками на внешней и внутренней поверхности и длинными хвостами посредине. Головки представляют собой заряженные фосфатные группы, которые растворимы в воде (и поэтому располагаются на поверхности мембраны), а связанные с головками хвосты – длинные последовательности атомов углерода и водорода, которые не растворяются в воде (и потому спрятаны внутри двойного слоя). Плавающие в мембране каплевидные структуры – это белки, играющие роль каналов, рецепторов и пор.

Этот результат открыл неожиданную истину: судя по всему, клеточная мембрана представляет собой двойной липидный слой. Представьте себе два склеенных листа бумаги, из которых сложен некий трехмерный предмет, скажем шар. Если шар – это клетка, то два листа бумаги – двухслойная клеточная мембрана.

Последняя часть загадки – как молекулы вроде ионов или сахаров проходят через двойной липидный слой и как клетки сообщаются с внешней средой – была разгадана в 1972 году, почти через пятьдесят лет после экспериментов Гортера и Гренделя. Биохимики Гарт Николсон и Сеймур Сингер предложили модель, в рамках которой белки встраиваются в клеточную мембрану, проходя через нее и образуя в ней отверстия, или каналы⁶. Липидный бислой не гладкий и не монотонный; в нем изначально существуют поры. В мембране плавают белки, пронизывающие ее поперек и позволяющие молекулам через нее проходить, а другим белкам и молекулам – связываться с внешней поверхностью клетки.

Отметив мозаичное строение мембраны, в которой соединены многие компоненты, Николсон и Сингер назвали свою модель жидкостно-мозаичной моделью клеточной мембраны, и ее точность была подтверждена методом электронной микроскопии.

Для простоты давайте представим себе, что мы проникаем внутрь клетки и начинаем исследовать ее содержимое, как космонавт исследует незнакомый ему космический корабль. Издали мы видим поверхность “корабля”: продолговатую серо-белую объемную форму ооцита или темно-красный диск эритроцита.

По мере приближения мы с большей четкостью различаем внешний слой мембраны. Из поверхности наружу выдаются белки. Одни служат рецепторами сигнальных молекул, другие играют роль молекулярного “клея” для скрепления клеток друг с другом, третьи выполняют функцию каналов. Если нам повезет, мы заметим, как молекула питательного вещества или ион проскальзывает через такую пору внутрь клетки.

А теперь мы с вами проникнем “на борт”. Нужно пронырнуть через “корпус”, т. е. через двухслойную мембрану: быстро пересечь пространство между двумя слоями мембраны шириной лишь около десяти нанометров (это в десять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса) и вынырнуть во внутриклеточном пространстве.

Поглядим вверх и вокруг себя: внутренний слой клеточной мембраны колышется над нами, как жидкая поверхность океана, если смотреть на нее из-под воды. Видны также внутренние части белков, трепыхающиеся над нами, как днища морских буйков.

Сначала мы проплывем по внутриклеточной жидкости, которую называют протоплазмой, цитоплазмой или цитозолем[34]34
  Уточним: цитозоль – это жидкое содержимое клетки, а цитоплазма – это все внутреннее содержимое клетки, включая цитозоль, но за исключением ядра. Протоплазма – это все внутреннее содержимое клетки, включая ядро. – Прим. перев.


[Закрыть]. Протоплазма – это “жизненный флюид”, обнаруженный биологами XIX века в живых клетках и в живых существах[35]35
  Протоплазма играет столь важную роль, что в 1850-е годы разгорелись горячие споры относительно того, не стоит ли считать единицей жизни не клетку, а именно протоплазму, тогда как клетка всего лишь служит сосудом, в который та заключена. Немецкий клеточный биолог Роберт Ремак был одним из наиболее известных сторонников этой идеи. В конце концов зародилась клеточная теория, и сторонники главенства протоплазмы согласились на компромисс, приняв главенство клетки, но с условием, что каждая клетка содержит “жизненный флюид”. Открытие многих других органелл в клеточной протоплазме дополнительно приглушило идею о том, что протоплазма является единственным необходимым и достаточным строительным элементом организма.


[Закрыть]. Хотя многие клеточные биологи и раньше видели, что в клетках содержится жидкость, первым данный термин использовал Гуго фон Моль в 1840-е годы. Протоплазма – это насыщенный химическими соединениями суп. В некоторых местах он имеет плотную коллоидную консистенцию, а в других более водянистую[36]36
  В последнее время активно исследуются вариации физических свойств протоплазмы (является ли она водянистой, полужидкой или гелеобразной). Маленькие капли химических веществ, накапливающихся в клетках и находящихся во взвешенном состоянии, могут быть центрами локализации тех или иных химических реакций. Уже установлено, какую важную роль эти “фазы”, как их называют, играют в осуществлении многих химических реакций, и такие исследования продолжаются.


[Закрыть]. И этот студень поддерживает жизнь.

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]37
  в ^04 году биолог Николай Кольцов одним из первых предположил, что протоплазма имеет внутреннюю организацию. Справедливость идеи Кольцова была доказана, когда с помощью мощных микроскопов удалось увидеть разные элементы цитоскелета.


[Закрыть]. Этот остов, называемый цитоскелетом, главным образом состоит из филаментов, образованных белком актином, и трубчатых структур, образованных белком тубулином[38]38
  В построении цитоскелета задействованы и другие белки. В некоторых клетках в составе цитоскелета есть третий тип белков, образующих так называемые промежуточные филаменты. В составе различных промежуточных филаментов обнаружено более семидесяти белков.


[Закрыть]. 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]39
  РНК выполняет много функций, в том числе регулирует включение и выключение генов, а также участвует в синтезе белка, однако мы сконцентрируем внимание на кодирующей функции этой молекулы.


[Закрыть]. 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 энергия, например, сокращение мышцы или синтез белка, происходит с использованием (или “сжиганием”) АТФ.

Более медленное и полное сжигание сахаров для производства энергии происходит в митохондриях (бактериальные клетки, у которых нет митохондрий, могут использовать только быструю последовательность реакций). В этих органеллах конечные продукты быстрого пути, который называется гликолизом (что означает “расщепление сахаров”), поступают в цикл реакций, заканчивающихся образованием воды и углекислого газа. Этот цикл реакций происходит с участием кислорода (и поэтому называется аэробным) и представляет собой маленькое энергетическое чудо: в нем образуется намного больше энергии опять-таки в форме АТФ.

Теоретически быстрый и медленный путь сжигания сахаров в сумме приводят к образованию тридцати двух молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы (реальное число несколько ниже, поскольку не все реакции происходят с идеальной эффективностью). За день мы вырабатываем миллиарды маленьких “канистр” такого топлива, чтобы питать миллиард маленьких “двигателей” в миллиардах клеток нашего тела. “Если бы все миллиарды этих маленьких костров погасли, – писал физико-химик Евгений Рабинович, – не смогло бы биться ни одно сердце, ни одно растение не смогло бы расти ввысь, преодолевая силу гравитации, ни одна амеба не смогла бы плыть, по нервам не передавалось бы ни одно ощущение и ни одна мысль не озарила бы человеческий разум”¹².

Дальше мы сможем увидеть лабиринт спутанных извилистых путей, пересекающих тело клетки и тоже связанных с мембранами. Эта органелла называется эндоплазматическим ретикулумом, хотя большинство биохимиков называют ее сокращенно просто ЭПР.

Данную структуру в конце 1940-х годов впервые описали клеточные биологи Кейт Портер и Альбер Клод[40]40
  Французский цитолог Шарль Гарнье был первым, кто увидел эндоплазматический ретикулум с помощью светового микроскопа в 1897 году, но он не приписал этой структуре никакой конкретной функции.


[Закрыть] из Института Рокфеллера в Нью-Йорке, работавшие в тесном сотрудничестве с Джорджем Паладе. Экспериментальное изучение этих клеточных путей и их центральной роли в биологии клетки представляет собой одно из самых знаковых путешествий в науке.

Джордж Паладе пришел в клеточную биологию непрямым путем. Он родился в 1912 году в городе Яссы в Румынии. Его отец был профессором философии и хотел, чтобы сын тоже стал философом, но Джорджа привлекали более “материальные и конкретные” дисциплины. Он изучал медицину и начал работать врачом в Бухаресте. Однако вскоре его увлекла клеточная биология. Подобно Рудольфу Вирхову, Паладе хотел объединить клеточную биологию, клеточную патологию и медицину. “Клеточная биология наконец помогла реализовать столетнюю мечту: анализ болезней на клеточном уровне, первый шаг к окончательному контролю над ними”, – писал он позднее¹³.

В 1940-е годы Паладе предложили исследовательскую позицию в Нью-Йорке. Его путешествие в США через раздираемую войной Европу стало тяжелым испытанием. Он проехал через несчастную угнетенную Польшу, где вынужден был задержаться в ожидании иммиграционных документов. “Он ощущал себя ученым в роли Кристиана из «Путешествия пилигрима»[41]41
  “Путешествие Пилигрима в Небесную Страну” (1678–1688) – роман английского писателя и проповедника Джона Баньяна. – Прим. перев.


[Закрыть], – рассказывал мне коллега Паладе¹⁴, – каким-то образом избежавшим всех препятствий и ловушек, которые могли прервать его путешествие в Нью-Йорк или, собственно, к центру клетки”.

В 1946 году в возрасте тридцати четырех лет Паладе наконец прибыл в Нью-Йорк. Он начал научную карьеру в Нью-Йоркском университете, а затем продолжил ее в лаборатории Института Рокфеллера. В 1948 году он получил должность доцента и лабораторию в “невзрачном подземелье” в трехэтажном подвале одного из старейших зданий института.

Это подземелье, пусть даже невзрачное, стало раем для клеточных биологов¹⁵. “Эта новая область фактически не имела традиций; все, кто в ней работал, приходили из других областей естественных наук”, – писал Паладе¹⁶. И он выбирал, заимствовал и воровал элементы из всех других направлений и областей науки, создавая, по сути, собственную дисциплину – современную клеточную биологию. Паладе начал сотрудничать с Портером и Клодом[42]42
  К сожалению, Клод покинул Институт Рокфеллера в 1949 году и вернулся на родину в Бельгию. В 1974 году он разделил Нобелевскую премию с Паладе и другим клеточным биологом, Кристианом де Дювом.


[Закрыть]. И вскоре его лаборатория стала интеллектуальным фундаментом научного направления, занимавшегося изучением анатомии и функции субклеточных структур, на котором строилась новая дисциплина.

Роберт Гук и Антони ван Левенгук произвели революцию в клеточной биологии в XVII веке при помощи микроскопов, а Паладе, Портер и Клод нашли более абстрактный способ “разглядывать” внутреннее содержимое клетки. Сначала они разрушали клеточную оболочку и подвергали содержимое клетки высокоскоростному центрифугированию в градиенте плотности. Центрифуга вращается с головокружительной скоростью, при этом более тяжелые элементы клетки осаждаются ближе ко дну пробирки, а более легкие остаются в верхних слоях, так что разные компоненты клетки оказываются в соответствующих участках градиента плотности по высоте пробирки.

Далее можно выделить каждый компонент из соответствующей части пробирки и изучить отдельно, анализируя его структурную анатомию и протекающие в нем биохимические реакции, такие как окисление, синтез, удаление токсичных веществ или выведение отходов жизнедеятельности. А потом, разрезав клетку на тончайшие срезы и наведя на них электронный микроскоп, можно понять, где эти компоненты и соответствующие реакции локализуются в животной клетке.

Это тоже “наблюдение”, но только с линзами двух сортов. С одной стороны, это абстрактные линзы биохимии: сначала нужно разделить субклеточные компоненты с помощью центрифугирования, а потом установить, какие химические процессы в них происходят. С другой стороны, это реальные линзы для электронной микроскопии. В результате стало возможным связывать химические процессы с анатомическими структурами клетки и их расположением. Паладе сравнил сочетание этих двух способов наблюдения с маятником, который раскачивается от микроскопической анатомии к функциональной анатомии и обратно:

“Структура – в традиционном видении микроскописта – сливалась с биохимией, а биохимия… субклеточных компонентов, как выяснилось, обеспечивает лучший путь к пониманию функции некоторых только что открытых структур”¹⁷.

Это была некая игра в пинг-понг, в которой выигрывали обе стороны. Микроскописты могли увидеть внутриклеточные структуры, после чего биохимики связывали их с конкретными функциями. А биохимики могли идентифицировать ту или иную функцию и попросить микроскопистов найти структуры, которые за нее отвечают. С помощью этого метода Паладе, Портер и Клод внедрились в светящееся сердце клетки.

Давайте вернемся в запутанный лабиринт эндоплазматического ретикулума, существующий почти во всех клетках. Это массивная структура: избыточная, обширная, как будто плиссированная. При изучении клеток поджелудочной железы собаки с помощью чрезвычайно мощного микроскопа выяснилось, что внешние контуры мембраны ЭПР украшены крохотными плотными частицами.

Таких структур было найдено очень много, но что все они делают? Паладе задумался. Из работ своих предшественников он знал, что ЭПР связан с синтезом и экспортом белков, которые выполняют в клетке фактически все виды работ. Некоторые белки, например ферменты, отвечающие за метаболизм глюкозы, синтезируются в клетке и остаются в ней для реализации своей функции. Но другие белки, скажем инсулин или пищеварительные ферменты, секретируются клеткой в кровоток или в кишечник. Ну а третьи, такие как рецепторы и поры, встраиваются в клеточную мембрану. Как белки достигают пункта назначения?

В 1960 году Паладе и его коллеги, в частности Филип Сикевиц, начали помечать внутриклеточные белки с помощью радиоактивной метки, а затем следить за их превращениями[43]43
  В 1961 году Кейт Портер вышел из группы, начав собственную работу в Гарварде, а Клод еще раньше перешел в Католический университет Лёвена в Бельгии. Но к Паладе присоединились другие специалисты по фракционированию клеток: Филип Сикевиц, Льюис Грин, Колвин Редман, Дэвид Д. Сабатини и Ютака Тасиро, а также два специалиста по электронной микроскопии – Люсьен Каро и Джеймс Джеймисон. Объединив усилия этих двух групп, Паладе отслеживал продвижение белков по эндоплазматическому ретикулуму.


[Закрыть]. Паладе вводил в клетки радиоактивно меченные субъединицы белков (аминокислоты), что позволяло помечать все белки, которые синтезировались в это время, а дальше определял локализацию конкретного белка, следя за его перемещениями с помощью электронного микроскопа.

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]44
  После открытия Паладе Дэвид Сабатини и иммигрант из Германии Гюнтер Блобел совершили одно из важнейших открытий, объяснявших, почему белки направляются либо в ЭПР для выведения из клетки, либо встраиваются в клеточную мембрану. Если говорить коротко, сигнальная последовательность, направляющая белок на выход из клетки или в мембрану, исходно включена в белок, как почтовый штамп. Специфические клеточные механизмы распознают этот штамп и направляют белок к месту назначения. Более подробное объяснение следующее. Сабатини и Блобел обнаружили, что секретируемые и мембранные белки несут в своих последовательностях специфический сигнал – определенную последовательность аминокислот. Когда рибосома расшифровывает РНК и синтезирует белок, молекулярный комплекс, называемый частицей распознавания сигнала (SRP), идентифицирует этот сигнал и направляет белок в ЭПР. Доставка белка в ЭПР происходит по специализированной клеточной поре.


[Закрыть].

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]45
  В 1974 году Кристиан де Дюв, Альбер Клод и Джордж Паладе были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине “за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки”. – Прим. перев.


[Закрыть].

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]46
  Роберт Браун также известен как автор одного из первых описаний неупорядоченного движения твердых тел в жидкости или газе, вызываемого тепловым движением окружающих молекул. В русском языке это явление принято называть броуновским движением (закрепилось написание фамилии ученого через букву “о”). – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. 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]47
  Представления о существовании в ядре своеобразного скелета, организующего внутриядерные процессы, в значительной степени устарели. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. 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 через ядерные поры.

Процесс включения и выключения генов жизненно важен и обеспечивает своеобразие каждой клетки. Набор включенных и выключенных генов делает нейрон нейроном, а лейкоцит – лейкоцитом. В процессе развития организма гены (точнее, кодируемые генами белки) сообщают клетке информацию о ее будущей локализации и определяют ее будущую судьбу. Гены включаются и выключаются под действием внешних стимулов, таких как гормоны, которые также передают сигналы, изменяющие поведение клетки.

При делении клетки каждая хромосома копируется – и две копии расходятся в пространстве. В человеческих клетках ядерная оболочка разбирается, и один полный набор хромосом переносится в каждую из двух новорожденных дочерних клеток, а затем вокруг него образуется новая ядерная мембрана – в результате появляется дочерняя клетка с новым ядром и упакованными в нем хромосомами.

Однако многое о ядре остается неизвестным, двери в “командный пункт” клетки все еще открыты не полностью. Как заметил один биолог, “мы можем только надеяться, что сказанное генетиком Дж. Б. С. Холдейном о космосе не окажется справедливым и для ядра: «Я подозреваю, что Вселенная не только страннее, чем мы себе представляем, но и страннее, чем мы можем предположить. Если мы осознаем, что ядро сложнее, чем мы когда-то думали, но при этом познаваемо, одно это убеждение даст силы нам, нашим ученикам и последователям, чтобы проникнуть в манящие нас глубины. Есть все основания верить в эту программу. Так что давайте будем оптимистами»”²¹.