Кен Окона-Менса
Взламывая анатомию
Строение клетки
Первооткрывателем клетки считают английского естествоиспытателя Роберта Гука (1635–1703 гг.). В 1665 году он изучал срезы пробки с помощью ранней версии микроскопа. Ученый заметил, что все срезы были похожи на маленькие комнатки – кельи, в которых жили монахи (лат. cellula, отсюда пошло английское название клетки – cell). На самом деле Гук увидел мертвые стенки растительных клеток с сотоподобной структурой.
На протяжении веков талантливые ученые открывали разные элементы клетки. В XIX веке немецкие ученые Теодор Шванн, Маттиас Якоб Шлейден и Рудольф Вирхов помогли сформулировать клеточную теорию. Один из ее принципов дал идеальную отправную точку для развития науки: он гласит, что клетка является базовой единицей жизни.
Самая большая и самая маленькая
В организме человека «живет» около 200 типов клеток, но самые большие и самые маленькие – те, которые отвечают за само наше существование. Яйцеклетка видна даже невооруженным глазом: ее размер составляет 0,5 мм в диаметре. В отличие от нее сперматозоид можно увидеть лишь под микроскопом, а длина его головки не превышает 0,004 мм.
Наше тело состоит из триллионов клеток. Довольно часто назначение клетки определяется ее строением (и наоборот). Но есть и фундаментальные структурные сходства. Все клетки, вне зависимости от своего типа, заполнены водянистым желеобразным матриксом, который заключен в наружную клеточную мембрану. Этот желеобразный матрикс, или цитоплазма, контролирует все, что входит и выходит, и поддерживает структуру клетки. Кроме того, в цитоплазме расположены микроскопические органоиды (органеллы), которые помогают клеткам выполнять специальные функции. С этой точки зрения отличия упираются в то, какие органеллы есть в клетке и сколько их.
Ядро
Во всех наших клетках присутствует (или присутствовал в начале их существования) некий центр управления под названием «ядро». Этот «командир» органелл определяет, к какому таксономическому типу отнести их обладателя: к простому, например бактериям, у которых нет ядра, или более сложному организму, обладающему собственным ядром. Ядро – это мозговой центр клетки, поэтому оно занимает центральное положение. Ядро содержит специальный код – нашу генетическую информацию – в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). О привилегированном положении ядра в клетке свидетельствует и то, что у него есть собственный матрикс, и то, что оно покрыто «двойной» мембраной.
Митохондрии
Если какая-то органелла и способная оспорить главенствующую роль ядра, то это колбасовидная структура под названием «митохондрия». Это не просто эволюционные гиганты с двойной мембраной и собственной генетической системой, именно они решают, будет ли клетка жить или умрет. Считается, что митохондрии развились из бактерий, которые когда-то давно проникли в клетку. Эти биологические «поселенцы» смогли обосноваться в определенной части клетки, установив симбиотические отношения с клеткой-хозяином.
В отличие от электрических генераторов, митохондрии сами вырабатывают всю необходимую для жизни энергию. Без этой способности они были бы не более чем плавающими частичками детрита. Митохондрии пользуются молекулами кислорода для преобразования энергии из питательных веществ (глюкозы) в высокоэнергетические молекулы (аденозинтрифосфат, или АТФ), нужные для всех химических реакций в организме. В результате этого процесса, известного как аэробное клеточное дыхание, выделяются углекислый газ, вода и тепло. Сам АТФ необходим клеткам для производства белков.
Эндоплазмическая сеть и рибосомы
По команде ядра в органеллы начинают каскадным способом передаваться белковые структуры. Первые «получатели» – это рибосомы, свободно плавающие в цитоплазме или связанные с мембранной сетью каналов, которую называют эндоплазматической сетью (ЭПС). Сферические рибосомы получают шаблон, на основе которого создаются белки.
Митохондрия
Эндоплазматическая сеть
Аппарат Гольджи
Вакуоль
Лизосома
ЭПС работает как конвейерная лента и получает готовые белки, собранные связанными рибосомами. Эти плоские и изогнутые мембраны помогают продуктам из ядра проникать глубоко в цитоплазму. Они поддерживают внутреннюю транспортировку и выведение таких белков, как антитела (используются в иммунной системе) и ферменты (ускоряют химические реакции). Не у всех ЭПС есть связанные рибосомы. ЭПС, которые не содержат рибосом, называют гладкими. Они производят компоненты жиров, а также гормоны и химические ионы, запускающие реакции.
Аппарат Гольджи
Было бы настоящим упущением не рассказать о том, как клеточные продукты связываются и упаковываются для использования внутри и вне клетки. Стопки мембран, более известных как диктиосомы, или аппарат Гольджи, были названы в честь итальянского биолога Камилло Гольджи (1843–1926 гг.). Эти органеллы отвечают за двустороннюю транспортировку веществ и добавляют финальные штрихи белкам из ЭПС перед тем, как упаковать их в маленькие мембраносвязанные везикулы (пузырьки).
Вакуоль
Эти крупные и заполненные жидкостью пузырьки служат плавающими контейнерами для хранения нужных клеткам веществ (питания и ферментов) либо специально изолированных субстанций.
Лизосома
В клетке проходит множество процессов, поэтому она должна тщательно следить за внутренним порядком. К счастью, в каждой клетке есть собственный центр переработки – лизосомы. Вам бы точно не захотелось очутиться внутри лизосом: они заполнены ферментами, которые перерабатывают и переваривают изношенные компоненты клетки, а также воздействуют на инвазивные инородные тела и саму клетку (если она повреждена и не подлежит восстановлению).
ДНК: все дело в основе
Клетки создают белки, а схему для их сборки берут напрямую из самих генов в ядре. Эти упорядоченные последовательности биологических данных, которые мы наследуем от родителей, влияют на работу организма. Все, начиная с нашего внешнего вида и заканчивая тем, как мы перевариваем пищу, представлено в виде инструкций, которые закодированы в основных единицах наследственности – удивительных молекулах ДНК.
Лауреаты Нобелевской премии Джеймс Уотсон (слева) и Фрэнсис Крик (справа) вывели молекулярную структуру ДНК на базе работ рентгеновских кристаллографов Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин.
Было бы настоящим кощунством описать структуру ДНК и не упомянуть Джеймса Уотсона (род. в 1928 г.) и Фрэнсиса Крика (1916–2004 гг.). В 1953 году эти кембриджские выпускники смогли определить молекулярную структуру ДНК. Говоря простым языком, структура молекулы похожа на винтовую лестницу, которую вертикально разрезали на две равные части. Обе части, или полотна лестницы, состоят из двух последовательно расположенных соединений: фосфатной группы и молекулы сахара, известной как дезоксирибоза. Это и есть основа ДНК. Под углом в 90 градусов к каждой связанной молекуле сахара одного полотна прикрепляется органическая молекула – углеродное основание, формирующее одну половину ступени. Эти основания бывают разных типов: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин). Порядок их расположения является ключом к расшифровке генетического кода.
Каждое основание в двойной спирали ДНК связывается с сахарной частью сахаро-фосфатного остова и комплементарной парой с помощью слабых водородных связей
Если совместить два этих полотна и объединить их углеродные основания с помощью слабых водородных связей, то образуются подвесные ступени, или пары оснований. (Водородная связь представляет собой особый тип силы, или притяжения, между атомом водорода и каким-то другим атомом.) Для конечной «подгонки» нужно соединить основания одной ступени с правильными (комплементарными) основаниями другой. В молекуле ДНК A связывается только с T, а Г – только с Ц. Далее лестница закручивается в спираль – и вуаля! – у вас получилась модель ДНК.
К чему этот поворот?
Не очень приятно думать, что мы обязаны всем одной цепочке молекул, скрученной как зефирная трубочка. Но давайте разберемся. В этой конструкции скрыто гениальное преимущество. Считается, что витки спирали защищают основания от деструктивных взаимодействий и поддерживают суперспирализацию ДНК в плотно упакованных хромосомах (см. параграф «Свертывание в хромосомы», стр. 34–35). Именно поэтому такие молекулы могут втиснуть 6 миллионов пар оснований в одну клетку. ДНК-основания гидрофобны, то есть не переносят воду, а наши клетки во многом состоят именно из нее. Поэтому можно с уверенностью предположить, что перекрученная структура молекулы обеспечивает максимальную защиту ее самых чувствительных областей.
Производство белков
Белки – это длинные молекулы, состоящие из цепочек одной или нескольких аминокислот. Порядок расположения аминокислот определяется последовательностями оснований в конкретной части ДНК. Белки необходимы для создания и работы всех клеток, тканей и органов человека. Но каким образом ДНК из двойной спирали переходит к созданию белков? Недостающим звеном процесса является рибонуклеиновая кислота (РНК).
ДНК и РНК очень похожи. С той лишь разницей, что РНК – это одиночная цепочка, а ее сахарный компонент состоит из рибозы (не «дезокси-», поскольку в данном случае он не пропускает атом кислорода). В отличие от ДНК, РНК связывает аденин (A) не с тимином (T), а с урацилом (У). Существует теория, согласно которой в ходе эволюции ДНК променяла свой урацил на тимин, поскольку последний создает более прочные структуры, через которые не могут пройти опасные частицы. Очевидно, что таким образом дальновидная ДНК изобрела куда более безопасный способ для хранения генетической информации.
Транскрипция
Как только ген включается для производства белка, или экспрессируется, определенная часть ДНК, кодирующая этот ген, раскручивается и начинает постепенно распаковываться. При этом молекула передает свои основания в белок под названием «РНК-полимераза». Этот фермент транскрибирует код из одной цепочки ДНК, совмещая последовательные блоки из фосфатной группы, рибозу (сахар) и присоединяемое основание (все вместе это называется рибонуклеотидом). Кроме того, РНК-полимераза следит за комплементарностью пар оснований по правилу Г – Ц и А – У. В результате образуется особая молекула РНК – матричная РНК (мРНК), а сам процесс называют транскрипцией.
Одна цепочка ДНК служит матрицей для транскрипции. Новообразованная молекула мРНК превращается в шаблон для связывания аминокислот при производстве белков.
Очевидно, что перемещать внутри клетки копии кода, а не священную ДНК, – в разы безопаснее. Завершив транскрипцию, мРНК выходит из ядра через пору мембраны и попадает в цитоплазму. Там она вступает во взаимодействие с рибосомами и продолжает процесс трансляции кода в аминокислоты.
Новые белки
Новые белки могут использоваться внутри клетки или готовиться для экспорта во вне. Ферменты ускоряют химические реакции, поэтому такие белки используются и внутри, и вне клетки. К внутриклеточным белкам относятся рецепторы, которые внедряются в наружную мембрану. Они преобразуют внешние сигналы во внутриклеточные действия. Мембранные белки можно сравнить со светофорами, регулирующими движение молекул на клеточной мембране.
Мембранные белки, характерные для клеточной мембраны, называются интегральными. Их функции зависят от их структуры.
Свертывание в хромосомы
Хромосомы – это ДНК, которая плотно обмотана вокруг своеобразных «катушек» – белков, называемых гистонами. Все наши клетки, кроме половых, содержат по 23 пары (или 46 единиц) хромосом, что называют диплоидным числом хромосом. Один набор берется от отца, а другой наследуется от матери. ДНК сворачивается в хромосомы, только когда клетка готовится к делению. И именно в этот момент хромосомы можно увидеть под микроскопом. Если бы ДНК не превращалась в хромосомы, то при делении клетки превращались бы в запутанные клубки.
В процессе репликации ДНК геликаза разделяет цепочки, а праймаза создает праймер, который указывает ДНК-полимеразе, с чего начинать копирование.
Перед тем как начать делиться, клетка должна реплицировать свою ДНК. А для упрощения процесса необходимо раскрутить спираль ДНК. Основная задача состоит в том, чтобы создать две копии одного и того же генетического материала. Тогда одна из копий будет передаваться из родительской клетки новым потомкам. Этот процесс регулируется ферментом – ДНК-полимеразой, которому помогают и другие белки. Например, ДНК-геликаза раскручивает спираль.
Короткое плечо хромосомы называют P-плечом, а длинное – Q-плечом.
Крайне важно, чтобы эти новые «комплементарные» цепочки ДНК копировались правильно. Поэтому, перед тем как новая ДНК будет закручена в двойную спираль, произойдет ее коррекция. Сформировавшаяся цепочка ДНК получается гибридной: одна ее половина – новая, а вторая является частью матричной цепи. По сравнению с объединением двух совершенно новых цепей, такая схема дает более точный результат.
Форма хромосом
Две копии ДНК, или сестринские хроматиды, сближаются и склеиваются в корсетоподобной перетяжке – центромере. Она разделяет хромосому на две части, или плеча. Каждую хромосому образует своя двойная спираль с собственным набором связанных генов.
Пары хромосом
Наша ДНК кодирует от 20 000 до 25 000 генов, в каждом из которых содержатся инструкции по созданию белков. Полный набор генов, или геном, распределяется между 23 парами хромосом, но неоднородно. Самой длинной является первая пара хромосом (в ней содержится около 2100 генов). Давайте сравним ее с последней парой (23), определяющей пол. Самая крупная из пар половых хромосом называется Х-хромосомой; меньшая по размеру – это Y-хромосома. (Эти термины не имеют ничего общего с формами хромосом.) Те, кто наследуют две копии Х-хромосомы, развиваются в особей женского пола. Получившие ХY-набор хромосом превращаются в особей мужского пола. У мужчин Y-хромосома, унаследованная от отца, короче материнской Х-хромосомы. Это объясняется тем, что вместо 800 генов в ней содержится лишь 50–70 единиц.
Деление клетки
Чтобы заменять мертвые или поврежденные структуры, клеткам нужно делиться. Кроме того, деление необходимо для роста и создания половых клеток, которые «собирают» нас из оплодотворенного яйца и превращают во взрослого человека. Деление клеток является сложным процессом, который подчиняется строгим правилам. Невыполнение этих правил может не только нести катастрофические последствия отдельной клетке, но и поставить под удар сам факт нашего существования.
В зависимости от сообщений, получаемых клеткой, она может находиться в состоянии покоя и выполнять свои обычные задачи, либо переходить в фазу активного деления. Часть клеточного цикла, предшествующая непосредственному делению, называют интерфазой. Во время этой фазы клетка увеличивается в размере, удваивает количество органелл, реплицирует ДНК и готовится к делению. Далее, в зависимости от типа клетки, она будет делиться с помощью митоза или мейоза.
Мейоз
Для полового размножения характерен тип деления клетки под названием «мейоз», при котором образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Мейоз создает четыре неидентичные дочерние клетки, каждая из которых содержит половину хромосомного набора родителя (гаплоидное число хромосом). Это происходит, потому что клетка делится дважды. В отличие от митоза, дочерние клетки в данном случае генетически отличаются друг от друга и от клеток родителей.
Перед 1-м делением мейоза сперматоцит (будущий сперматозоид) проходит через интерфазу. Затем начинается первая фаза – профаза 1, в ходе которой гомологические пары хромосом обмениваются генетическим материалом. У яйцеклеток 2-е деление мейоза завершается при оплодотворении.
Митоз
В результате митоза образуются две идентичные дочерние клетки, каждая из которых содержит то же диплоидное число хромосом, что и родительская клетка. Клетка делится один раз, но хромосомы исполняют причудливый четырехфазный танец.
Профаза.
На первом этапе деления, называемом профазой, растворяется ядерная оболочка и конденсируются сестринские хроматиды. Хроматиды сходятся на центромере, чтобы затем объединиться с парами хроматид, унаследованных от другого родителя.
Метафаза.
Все хромосомы сходятся на экваторе (в центре). Им помогают канатовидные белки, или микротрубочки, которые связывают между собой центромеры каждой хромосомы. Сами же микротрубочки прикрепляются к лебедкообразной перетяжке – центросоме, которая располагает их в нужном порядке.
Анафаза.
Центросома катализирует следующую фазу – анафазу, в которой сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки.
Телофаза.
Вокруг новообразованных хроматид вновь формируется ядерная оболочка, а цитоплазма разделяется на две части.
Цитокинез.
В процессе цитокинеза клетка окончательно расщепляется на две части и «оборачивается» в клеточную мембрану.
Многообразие клеток
Клетки в организме трудятся на благо своего хозяина, то есть нас. Эта внутренняя рабочая сила с различным опытом, компетенциями и ролями позволяет создавать более крепкую и динамичную структуру. Именно поэтому мы не похожи на гигантскую амебу или пласт однообразных клеток. По последним данным, в нас «живет» порядка 206 различных типов клеток, каждая из которых по-своему выполняет нужные команды. Давайте познакомимся с некоторыми из этих типов.
Фоторецепторы
Фоторецепторы – это клетки сетчатки, расположенной на задней стенке глаза. Они содержат светочувствительные пигменты, которые отвечают за реакцию на входящий свет, благодаря чему мы можем видеть. Эти уникальные клетки созданы для преобразования картинки, попадающей в глаз, в нервный импульс, который наш мозг интерпретирует как визуальный образ. Существует два типа фоторецепторов: палочки улавливают свет, темноту и движение, а колбочки отвечают за восприятие цвета.
Палочки и колбочки заселяют наружные слои тонкой ткани специализированных клеток, которые называются сетчаткой. Палочки более многочисленны, особенно на краях сетчатки. В центре сетчатки больше колбочек.
Вдоль кишечника и дыхательных Микроворсинки путей располагаются бокаловидные клетки. Они содержат множество секреторных пузырьков, которые вырабатывают защитное вещество – слизь.
Красные кровяные тельца
Чтобы выполнять важнейшую функцию в клетке, эритроцитам пришлось пожертвовать своим ядром в обмен на дополнительную рабочую поверхность. Структурная модификация, отличающая эритроциты от остальных клеток организма, позволяет им переносить как можно больше кислорода и доставлять этот жизнеобеспечивающий газ в наши ткани. Это чрезвычайно важная работа, поэтому эритроциты составляют почти треть всей популяции клеток в организме.
Гормоны и создание ферментов
Клетки, расположенные в эндокринной и пищеварительной системах, выполняют свои функции с помощь дополнительных инструментов. В этих клетках содержатся дополнительные рибосомы и комплексы Гольджи. Они нужны для производства и упаковки гормонов и пищеварительных ферментов, которые затем выделяются в кровь (гормоны) или желудок (ферменты).
Остеоцит занимает определенную костную область – лакуну. Его множество отростков (выростов цитоплазмы) соединяются с другими остеоцитами с помощью крошечных каналов, называемых канальцами.