Внеклеточные структуры. Знакомство с полисахаридами и протеинами (белками)

Перед тем как войти в живую клетку, взглянем на ее поверхность, имеющую заслуживающие интереса особенности. Однако найти одиночную клетку нелегко, так как по большей части клетки окружены довольно развитой сетью внешней защиты и «лесами», которые часто полностью прячут клетку от глаза и значительно затрудняют подход к ней. Эти структуры не являются составными частями клетки, но они создаются ими из веществ-предшественников, которые секретируются самими клетками и впоследствии соединяются в различные комбинации практически любой возможной формы и последовательности, от мягкого геля до плотного дерева и скорлупы. Иногда они пропитаны минералами, которые могут придавать их органическому матриксу прочность камня или твердость эмали. Эти внеклеточные конструкции служат своеобразными опорами клетки; именно им клетка обязана той формой, которую жизнь создает на нашей планете. Без них не было бы ни деревьев, ни цветов, ни животных — ничего, кроме аморфной массы илистой слизи, представляющей собой мириады беспорядочно двигающихся друг по другу клеток.

Система тубулин — динеин

Свыше миллиарда лет назад живой организм «открыл» для себя преимущество строительства опорных элементов из трубчатых элементов; открытие это нашими инженерами сделано лишь недавно. Как полагают, это эволюционное приобретение было получено благодаря обычному механизму «случайная мутация — естественный отбор». Возможно, какой-то актиноподобный глобулярный белок, обладающий способностью к продольной самосборке, претерпел генетическое изменение и в результате утратил способность к латеральному объединению, после чего отдельные филаменты начали образовывать цилиндрические структуры — пласты вместо двойных спиралей.
И действительно, тубулин, составная часть микротрубочек, представляет собой, как и актин, небольшой глобулярный белок диаметром около 4 нм, имеющий комплементарную ось «замок—ключ», что позволяет осуществлять безграничное линейное объединение молекул. Однако имеются два тубулина, обозначенные как а и Р, которые, несомненно, являются эволюционными близнецами, о чем свидетельствует ярко выраженное сходство их аминокислотной последовательности. Существует предпочтительное а—р-соединение, которое остается стабильным при распаде микротрубочек, поэтому истинным эквивалентом й-актина следует считать аргетеродимер, а не мономер. Эти субъединицы линейно объединяются посредством обратимых (s—а-связей с образованием протофиламентов . Последние в свою очередь объединяются латерально посредством второй системы «замок—ключ», ступенчато, таким образом, что каждая а—р-субъединица граничит с соседней р—а-парой, сдвинутой примерно на четверть ее длины. Образующийся пласт имеет не плоскую, а изогнутую поверхность и превращается в цилиндрическую структуру, когда ровно 13 протофиламентов выстраиваются в ряд бок о бок.
Как и в случае превращения й-актина в И-актин, сборка микротрубочек связана с гидролизом нуклеозидтрифосфата, но в этом случае ГТФ (вместо АТФ для актина). Существует связывающий ГТФ сайт на аргетеродимере. При сборке ГТФ расщепляется на ГДФ, который остается связанным, и Фн, который высвобождается. Если принять во внимание упомянутое выше сходство, можно допустить, что между актином и тубулином имеется эволюционное родство; произошли генетические изменения, вполне возможно — явившиеся ключевым событием дивергенции. В результате один ген принял две формы (предшественники генов аиртубулина). Однако все, что нам известно об аминокислотной последовательности актина и тубулина, не подтверждает эту гипотезу.
Независимо от их эволюционного происхождения, развитие микротрубочек, бесспорно, сыграло важную роль в появлении эукариотов, в растительных и животных аналогах которых они повсеместно присутствуют. Согласно одной теории, микротрубочки впервые появились у некоторых жгутиковых микроорганизмов (которые постепенно становились симбиотически адап-тированными общими предшественниками эукариотов), чтобы обеспечить эти клетки наряду с другими преимуществами и элементами митотического веретена. Но в отличие от митохондрий и хлоропластов центриоли — организующие центры митотического веретена, удваивающиеся при каждом делении клетки, — судя по всему, не содержат ДНК.
Для туриста, вознамерившегося проникнуть в клетку и экипированного увеличивающими в миллион раз приборами (очками, микроскопом, биноклем и т. д.), микротрубочки предстают в виде неких толстостенных садовых шлангов с наружным диаметром немногим более 2,5 см (28 нм — их истинная величина) и внутренним диаметром 1,25 см (14 нм — истинная величина). Микротрубочки имеют бугристую поверхность; выступы диаметром около 4 нм расположены 13 продольными рядами, в которых незначительные различия в форме отражают регулярное чередование а- и р-субъединиц. В результате зигзагообразного расположения рядов выступы образуют многообразие спиральных структур вокруг трубки. Среди них имеются правозакрученная спираль из одинаковых субъединиц (все а или р) с шагом витка 40 нм и левозакрученная спираль из чередующихся субъединиц аире шагом 12 нм. Как правило, основной скелет затем обрастает дополнительными белками (ассоциированные с микротрубочками белки, или МАБ), частично погруженными в продольные желобки, а частично свободно выступающими в виде волосков или пушистых выростов, также спирально обвитыми вокруг стержня микротрубочки. В целом микротрубочки представляют собой весьма привлекательное зрелище. Но еще привлекательнее структуры, для строительства которых они используются.
Многие такие структуры образуются из подвижных микротрубочек. Они непостоянны и изменчивы, так как являются продуктами динамического равновесия между двумя противоположными процессами, которые продолжаются более или менее постоянно. Это равновесие легко нарушается. Так, распаду микротрубочек благоприятствуют охлаждение, высокое давление, ионы кальция и -такие лекарственные вещества, как колхицин или некоторые алкалоиды (винбластин, винкристин), экстрагированные из барвинка мало-го Vinca rosea. Названные лекарственные вещества связываются со свободными гетеродимерами и тем самым препятствуют их соединению друг с другом. С другой стороны, нагревание и обработка тяжелой водой благоприятствуют сборке микротрубочек.
Мир клеток изобилует поразительными примерами упомянутых феноменов. Среди путешественников по живой клетке особой популярностью пользуется группа простейшихНеПогоа . Эти одноклеточные организмы получили свое название благодаря тому, что они выпускают длинные тонкие жесткие отростки—лучи (аксоподы), радиально расходящиеся во все стороны от тела клетки и достигающие в длину 0,5 мм. Только представьте себе картину, открывающуюся вашему взору через увеличительные стекла: огромный шар диаметром свыше 10 м утыкан гигантскими отростками, достигающими 1,5 м в ширину и более 500 м в длину! Если вы решитесь прогуляться по одному такому отростку, то обнаружите, что он поддерживается центральным стержнем (осью), образованным сотнями параллельных микротрубочек, поперечно связанных в удивительную двойную спираль с 12-кратной симметрией. Вы заметите также двустороннее движение частиц и молекул; они деловито перемещаются вдоль оси, связывающей тело клетки с верхушками аксопод, где наряду с другими событиями происходит и эндоцитоз.

Четвертое измерение

Биология, как геология и космология, тесно связана с историческими событиями. Объекты ее исследования насчитывают возраст около нескольких миллиардов лет. Это четвертое измерение стало очевидным только около 200 лет назад, когда были обнаружены окаменелости, которые, как доказали ученые, не являются жертвами Великого потопа или шалостями некоего божества, посадившего несколько мертвых видов среди живых особей (так полагали некоторые). Это были кости и оболочки давно вымерших животных, окаменевшие отпечатки растений, которые пышно цвели много тысячелетий назад. По мере разработки методов определения возраста в геологии исторические события начали проясняться: чем древнее были остатки ископаемых, тем примитивнее оказывался уровень их организации. Так, выяснилось, что моллюски появились раньше рыб, развитие которых в свою очередь предшествовало возникновению пресмыкающихся. Птицы и млекопитающие появились позже, за ними последовало появление первых гуманоидов. На основании полученных учеными данных в первой половине XIX в. была создана концепция эволюции живых организмов, вершиной которой явилось опубликование в 1859 г. Ч. Дарвином основополагающей работы «Происхождение видов путем естественного отбора».
Хотя окаменелые остатки содержат ключи к разгадке эволюции клеток, недавние достижения в области биохимии и молекулярной биологии снабдили нас новыми мощными средствами, позволившими воспроизвести прошлое путем исследования настоящего. Открытия в этой области вызвали большой интерес, и четвертое измерение вошло в биологию клетки и проникло в концепции о живой клетке и ее составе. В таком путешествии, как наше, мы не можем пройти мимо этих фактов. Поэтому иногда, делая остановку, мы с вами будем возвращаться к происхождению и эволюции наблюдаемых явлений.

Растительная клеточка / Что изучает ботаника? / Ботаника

Что такое растительная клеточка?
Это мелкие частички, из которых состоят все растения. Разглядеть их строение можно только под микроскопом — особым прибором, который наращивает в несколько тыщ раз.
Любая клеточка имеет плотную прозрачную оболочку, которая пронизана микроскопичными отверстиями. Эти отверстия именуются ПОРЫ. Под оболочкой снутри клеточки находится тусклое вязкое вещество. Оно именуется ЦИТОПЛАЗМА. Цитоплазма всё время медлительно движется и может сжиматься. При сильном нагревании либо замораживании цитоплазма разрушается. Тогда клеточка гибнет.
В цитоплазме находится ЯДРО. В ядре находятся особенные образования, которые именуются ХРОМОСО-МЫ. Хромосомы могут иметь форму нитей, палочек либо шариков. Число, форма и величина хромосом схожа для каждого вида растений. К примеру, в клеточках кукурузы их 20, а у картофеля 48.
Полости в клеточках именуют ВАКУОЛИ. Они заполнены КЛЕТОЧНЫМ СОКОМ. В особенности много клеточного сока в клеточках зрелых плодов. Если мы разрезаем, к примеру, абрикос, то повреждаем ножиком оболочки клеток, и из вакуолей вытекает сок.
Клеточный сок представляет собой воду с растворёнными в ней солями и сахаром. В клеточном соке лимона растворена лимоновая кислота. В клеточном соке содержатся также разные красящие вещества, которые присваивают лепесткам растений голубую, фиолетовую либо малиновую расцветку.
Но расцветка растений зависит не только лишь от клеточного сока, также и от ПЛАСТИД — маленьких телец, которые находятся в цитоплазме. У цветковых растений различают зелёные пластиды, жёлтые, оранжевые, красноватые и тусклые.
В растительных клеточках происходит непрерывное движение цитоплазмы. Пластиды, которые находятся во внутреннем слое цитоплазмы, плавненько скользят в одном направлении. Движение цитоплазмы способствует перемещению в клеточках питательных веществ и растворённого в ней воздуха. Благодаря ему клеточка дышит и питается.
Благодаря цитоплазме одна растительная клеточка связывается с другой клеточкой, которая размещена рядом. Эта связь устанавливается при помощи тончайших нитей цитоплазмы, которые попадают через поры оболочек клеток.
Любая клеточка является составной частью организма растения. Это похоже на кирпичик, который применяется при строительстве. Из огромного количества кирпичей строится здание. Из огромного количества клеток состоит растение. Но если при строительстве строения, чтоб не рассыпались кирпичи в стенке, употребляется для их скрепления цемент, то растительные клеточки соединяет меж собой особенное МЕЖКЛЕТОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО.
Межклеточное вещество находится меж оболочками клеток. Если межклеточное вещество разрушается, то клеточки разъединяются. Это можно созидать на примере вареного картофеля. Он становится рассыпчатым, оттого что межклеточное вещество разрушилось при сильном нагревании воды.
Расцветка, форма и размеры клеток разных органов растений очень многообразны. Любая жива клеточка дышит, питается, растёт и плодится. Вещества, которые нужны клеточке для питания и дыхания, поступают вовнутрь её из окружающего воздуха, земли, также из клеток, которые размещены рядом.
Благодаря размножению клеток растение будет расти.

Гликолиз: производящая энергию «змея»

Дрожжевые клетки перерабатывают сахар в этиловый спирт (этанол) в процессе двенадцати последовательных химических реакций, которые образуют реакционную цепь. Такой же путь — проходят до десятой ступени молочнокислые бактерии (те самые, что загрязняли чаны винодела Биго.)-; те же процессы происходят и в наших мышцах, когда им приходится делать внезапное усилие. Только на одиннадцатой ступени их путь разветвляется и становится иным, чем у дрожжей; при этом происходит превращение промежуточного продукта ^ (пировиноградной кислоты) в молочную кислоту вместо образования СО2 и этилового спирта.
Таким образом, спиртовое и молочнокислое брожение отличаются только в самом конце реакционной цепи. До этого они проходят один и тот же маршрут, известный как гликолитическая цепочка. Этот маршрут не оставляет заметного следа в цитозоле, ибо у «змеи» нет ощутимой плоти. Если мы оденем наши химические «очки», обладающие большим увеличением, то увидим хаотическое, беспорядочное движение молекул А, В, …, Л, К, смешанных с множеством других промежуточных продуктов других реакций. Объединяют все эти реакции и составляют плоть «змеи» стрелки; каждая из них указывает на наличие специфических ферментов (гл. 2), которые катализирурт указанные химические превращения. Последовательность участия двенадцати ферментов, вовлеченных в гликолитическую цепь, автоматически вытекает из природы их субстратов и продуктов реакций. Реакция, дающая начало образованию О из С, должна непременно последовать сразу же после превращения В в С и предшествовать образованию Е из Э. Для направления молекул к месту их назначения никаких физических каналов не требуется. Кажущийся хаос, который мы видим, заключает в себе высокую степень упорядоченности, динамическую организацию, обусловленную свойствами участвующих ферментов.
Этот урок гликолиза можно обобщить. За каждой из тысяч химических реакций, протекающих в живых клетках, скрывается фермент. Сейчас это общеизвестный факт, но его установили только после того, как была разгадана гликолитическая цепь, ответственная за спиртовое брожение в дрожжевых клетках. Энзимология, наука о ферментах, значительно обогатила наше понимание как самой жизни, так и химии и теперь начинает — приносить большую практическую пользу. Ферменты, выделенные из природных источников, широко используются в промышленности. Условия нашего путешествия не позволят нам детально останавливаться на этой важной отрасли биохимии. Но мы должны постоянно помнить о том, что любая наблюдаемая нами деятельность независимо от ее природы обусловлена каталитическим участием ферментов.
Ферментам, как правило, помогают до-полнительные вещества, называемые кофакторами или коферментами. В гликолизе необходимо обратить внимание на два кофактора. Один из них называется НАД, что означает никотинамидадениндинуклеотид. Как вы еще заметите, биохимики очень любят сокращения. Но у них есть оправдание: большинство веществ, с которыми им приходится иметь дело, слишком сложные, чтобы их можно было называть полностью при каждом упоминании. НАД — одно из них, и мы даже не будем пытаться рассматривать его химическую структуру. Однако хотелось бы отметить, что никотинамидная часть молекулы — это витамин РР, что означает pellagra preventiva. Его нехватка в пище вызывает пеллагру — тяжелое заболевание системы пищеварения, ранее широко распространенное на Американском континенте. И это не единственный пример. Большинство витаминов действуют как коферменты или являются их частью, именно поэтому ор-ж ганизм не может обходиться без витаминов. С функцией НАД мы познакомимся несколько позднее.
Другой кофактор, который следует рассмотреть, обозначается как АТФ, или аденозинтрифосфат. В конечном итоге нам придется изучать его структуру, но в данный момент необходимо знать лишь, что молекула АТФ может быть гидролизована (разрушена с помощью воды) на аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат (Фн) и, наоборот, может быть образована (с потреблением энергии) при конденсации АДФ и Фн с выделением воды.Важность функции АТФ в процессе гликолиза выяснилась после того, как было показано, что разрушение глюкозы связано с образованием АТФ: при превращении каждой молекулы глюкозы в молочную кислоту или этиловый спирт происходило фосфорилирование двух молекул АДФ й превращение их в АТФ. Эта взаимосвязь непоколебима. Если синтез АТФ не происходит, например в случае нехватки АДФ, гликолиз прекращается.
Истинный смысл этого удивительного явления выяснился только после установления энергетики самого процесса. Брожение глюкозы приводит к высвобождению свободной энергии: на каждую грамм-молекулу (г-моль) распавшейся глюкозы образуется около 47 килокалорий (ккал). С другой стороны, образование АТФ из АДФ + Фн требует затрат энергии: около 14 ккал на 1 г-моль образующегося АТФ. Следовательно, из 47 ккал, высвобожденных при разрушении глюкозы, 2X14=28 ккал, или 60% идет на образование АТФ, вместо того чтобы рассеиваться в виде тепла. Гликолиз снабжает энергией синтез АТФ; в объединении этих двух процессов и заключается механизм восстановления энергии.
Изучение этого вопроса, как и прежде, началось с гликолиза. Когда позднее по-следовательно были открыты другие катаболические процессы, оказалось, что и они связаны с образованием АТФ. Не только гликолиз, но катаболизм в целом снабжает энергией процесс образования АТФ: взаимосвязь лежит в основе универсального механизма восстановления энергии.Что же можно сказать относительно самой молекулы АТФ? Зачем нужен ее синтез? Ответ на этот вопрос, вернее намек на ответ, впервые был получен в начале 1930-х годов, после того как выяснилось, что мышца, теряющая способность к гликолизу после отравления (моноиодуксусной кислотой), все же может осуществлять небольшую часть работы за счет запасенной, «связанной с фосфатом энергии». Со временем было показано, что химическая реакция, прямо связанная с сократи-тельным механизмом, есть не что иное, как гидролиз АТФ до АДФ и Фн. Следовательно, АТФ является недостающим связующим между гликолизом и мышечной работой. Гликолиз способствует образованию АТФ; расщепление АТФ снабжает энергией работу мышц.
Это было открытие необычайной важности, распахнувшее одну из главных дверей на пути к пониманию сущности живого. Ибо не только мышечная работа,но и практически любой другой вид работы, выполняемой живыми организмами, снабжается энергией от АТФ. Рассмотрим, хотя бы поверхностно, любой биодвигатель, будь то ионный насос в мембране, сократительные волокна в жгутике, генератор света в личинке светляка или любые другие сложные синтетические реакции, посредством которых живые организмы вырабатывают свои собственные компоненты: практически всюду мы обнаружим АТФ, выступающий в виде источника энергии. Это главное топливо жизни, и функция катаболизма заключается в способности поддерживать восстановление АТФ.
Иллюстрацией такого взаимодействия служит классический (исторический) пример анаэробных дрожжей. Этот организм растет и размножается, достигая удивительного совершенства химической инженерии и передачи информации, с тем только, чтобы могла образоваться одна — единственная новая крошечная клетка дрожжей, полностью похожая на свою предшественницу. Все это дрожжевая клетка делает за счет превращения сахара в спирт, используя этот процесс как единственный источник энергии. И эта энергия через АТФ питает тысячи различных процессов, подобно тому, как энергия сжигаемых угля или нефти, преобразованная в электричество, обеспечивает удивительные достижения современной технологии.

Химики проявили путь к неорганической жизни

Ли Кронин (Lee Cronin) из института Глазго считает, что комплекс неорганических соединений способен самовоспроизводиться и эволюционировать так же, как это делают клеточки из органических веществ. В доказательство этой теории он выполнил несколько опытов.
Своё изобретение Ли именует «неорганические хим клетки» (Inorganic Chemical Cells — iCHELLs, на фото под заголовком). «Мы пытаемся сделать самовоспроизводящиеся, развивающиеся неорганические клеточки, которые, по существу, могли быть живыми. Вы могли бы именовать это неорганической биологией», — гласит доктор Кронин.
Пока, правда, Кронин сделал только 1-ые шаги к собственной цели. Как говорит пресс-релиз института, Ли и его коллеги показали метод сотворения iCHELL.
Чтоб структуру из огромного количества неорганических веществ можно было именовать клеточкой, это образование для начала обязано иметь границу — мембрану с избирательной проницаемостью для различных соединений. Мембрана изолировала бы несколько хим процессов снутри клеточки, обеспечивала бы энергетический обмен со средой. (Мысль эта перекликается с догадкой о ранешних предшественниках живых клеток — пузырьках в метеорах.)
На роль таких стен Ли провозгласил катионообменные полиоксометаллаты. Учёный на опыте показал, что у таких мембран может быть настраивать морфологию, характеристики и состав, что эти подобные клеточкам структуры владеют хиральностью, избирательной проницаемостью для малых молекул и способны на окислительно-восстановительную деятельность (а это возможный движок для «безуглеродной» жизни).
Англичане также говорят, что вкладывая несколько неорганических мембран друг в друга, можно создавать системы, в каких несколько хим реакций будут идти в строго данной последовательности.

Пероксисомы и другие микротельца

Первое микротельце было обнаружено в почке мыши в начале 1950-х гг. одним шведским анатомом, который нашел, что оно имеет на редкость неопределенную форму, а потому даже не смог придумать ему подходящего названия. Вскоре подобные частицы были обнаружены в печени крыс, а позднее и в ряде других клеток растительного и животного происхождения. Несмотря на свою широкую распространенность, эти микротельца встречались только в определенных типах клеток. У млекопитающих их находят преимущественно в печени и почках.
Где бы их не выявляли, микротельца имеют одинаковый внешний вид. Это неровные сферические структуры диаметром 0,5—10 мкм, т. е. несколько меньше митохондрий. Они окружены мембраной и чаще всего наполнены довольно компактным аморфным матриксом. В некоторых клетках этот матрикс содержит включение — плотную кристалловидную сердцевину (ядро), или нуклеоид, с удивительно красивой тонкой структурой. Эти чисто морфологические данные оставляли немало места для воображения; они и в самом деле давали основания для всяко рода фантастических толкований. Когда же биохимические доказательства в конечном итоге направили исследователей по верному пути, правда оказалась еще более удивительной, чем вымысел. Как выяснилось, существует несколько различных типов микротелец, и каждый из них связан с примитивным, если не доисторическим, набором метаболических реакций.

Воздействиe умирающих на окружающих: Искусственная клеточка

Весть о том, что южноамериканские ученые синтезировали живую клеточку с искусственным ДНК, навряд ли кого-либо оставило флегмантичным. В чем сущность открытия? По словам ученых, приобретенная клеточка бактерии — 1-ая форма жизни, которая стопроцентно контролируется искусственной ДНК.
Другими словами, была сотворена не сама жива клеточка, а механизм, по которой управлять ее эволюцией можно точь-в-точь как компом — давая команды искусственной ДНК создавать тот либо другой организм, ту либо иную живую ткань, тот либо другой живой орган.
Оптимисты здесь же возликовали такой способности продления жизни, «расцветающей юности», ряд американских ученых и политиков заговорили о том, что открытие раз и навечно решит делему голода на планетке и здоровья миллионов, хотя для решения этих заморочек не надо ничего изобретать. Просто не выкидывать на свалку товаров на 100 млрд баксов (как это происходит раз в год) и упразднить Всемирную Компанию Здравоохранения, которая вот уже несколько десятилетий стоит на охране интересов лекарственных компаний, заместо того, чтоб производить реальную охрану здоровья на Планетке.
Но вернемся к открытию создателя искусственного организма Крейга Ветнера и его коллег. К счастью, все мировое общество отнеслось к этому открытию с опаской, считая, что человек не имеет права брать на себя роль Бога и пробовать сделать новые формы жизни, хотя бы поэтому, что есть очень суровые опаски по поводу безопасности этой технологии для грядущего населения земли.
Доктор Джулиан Савулеску из Центра практической этики при Оксфордском институте считает, что потенциал этих исследовательских работ не только лишь небезопасен, да и непредсказуем. По его словам, мы не знаем, как это проявится в ближнем и отдаленном будущем, но уже на данный момент мы должны мыслить о том, что результаты исследовательских работ могут быть применены в военных либо террористических целях.
По словам других ученых, наибольшую опасность для общества представляет не само открытие, а отношение к нему со стороны людей науки. Так антрополог из английского Института Дарэма Ю. Егорова, которая брала интервью по этике исследовательских работ у больших ученых-генетиков, и аспирантов, констатирует: «Обычно, на вопрос о социальной ответственности ученого за свои изобретения большая часть отвечали, что практическое применение их открытия — не их дело. Мол, пусть этим занимаются политики, экономисты, инженеры и другие. Работа же ученого состоит в том, чтоб двигать науку вперед».
Вот где — самое ужасное последствие научно-технического прогресса — в заблуждениях. Расщепление атома ведь тоже было открыто ради того, «чтоб двигать науку вперед». А атомную бомбу позже скинули на Хиросиму и Нагасаки…
Николай Пастернак
№21(474) 30 мая 2010 года
http://www. chaspik. info/bodynews/6665.htm

Эндоцитоз

Для того чтобы лучше понять, что такое эндоцитоз, нам придется вернуться в прошлый век. Место действия — сицилийский город Мессина, где русский зоолог Илья Мечников, живший там в добровольной ссылке, наблюдал в микроскоп за прозрачной личинкой морской звезды. Как вспоминал ученый в своих мемуарах, «семья ушла в цирк полюбоваться выступлениями необыкновенных обезьян». В тот момент, когда Мечников следил за странствующей клеткой, передвигающейся наподобие амебы по тканям личинки, ему вдруг пришла в голову неожиданная мысль: что, если в каждом организме имеется группа подвижных клеток, назначение которых обнаруживать, преследовать, поглощать и уничтожать непрошеных пришельцев, например вирусы или микробы? Этот интуитивный вывод сделал Мечникова одним из основоположников иммунологии. С помощью друга-эллиниста он придумал термин для «пожирающей клетки», назвав ее фагоцитом . Сам же процесс поглощения твердой частицы, например бактерии, стал называться фагоцитозом, что буквально означает «клеточный процесс поедания».
В начале 30-х гг. нашего столетия американский биолог Уоррен Льюис обнаружил, что клетки в состоянии поглощать также капельки жидкости; он назвал это явление пиноцитозом . Со временем оказалось, что фагоцитоз и пиноцитоз — проявления более общего механизма захвата, которому дали название эндоцитоз.
Эндоцитоз может осуществляться по- разному, но неизменно зависит от плазматической мембраны, служащей «перевозочным средством» для проникновения внутрь клетки. Каким бы ни был захваченный клеткой объект, он всегда входит в нее, окутанный мембранозным мешком, образованным из инвагинации (впячивания) плазматической мембраны. Как мы уже знаем, биомембраны характеризуются текучестью и свойством самозамыкания. Это поможет нам лучше понять физические аспекты рассматриваемого явления. Представим себе такую картину: небольшой участок оболочки мыльного пузыря втягивается внутрь, после чего, отделившись от этого мыльного пузыря, образует маленький пузырь, заключенный внутри большого. Вопрос о том, каким образом происходит втягивание участка оболочки и каков его механизм, весьма сложен. Мы ответим на него, когда окажемся внутри клетки и увидим процесс изнутри.
Сейчас же, находясь вне клетки, мы можем увидеть немало интересных явлений, связанных с эндоцитозом. Наиболее удивительной представляется роль, которую при эндоцитозе играют поверхностные рецепторы. Как мы отмечали в предыдущей главе, часто за соединением рецептора с лигандом следует их втягивание в клетку. По сути дела основная функция многих рецепторов в том и состоит, что они отбирают из внеклеточной среды материал для последующего внутриклеточного поглощения. Этот процесс носит название эндоцитоза, опосредованного рецепторами. Он лучше всего виден, когда в околоклеточную среду вводятся молекулы лиганда, который специфически связывается с определенным типом рецептора. При захвате молекул-лигандов соответствующие занятые рецепторы быстро сходятся со своей «добычей» к образовавшимся в мембране углублениям, а затем постепенно исчезают по мере того, как ямки углубляются и их края сужаются. В конце концов остается только отверстие не больше булавочной головки, но и оно вскоре полностью исчезает, тогда как мембрана снова становится гладкой. По существу в ходе этого процесса мембрана лишилась целого участка — «пэтча», который, превратившись в закрытую везикулу, содержащую поглощенные вещества, свободно передвигается внутри клетки. Для обозначения везикул приняты следующие термины: „фагосома», „пиносома», „эндосома», „фагоцитарная», „пиноцитарная» или ,,эндоцитарная вакуоль». Термин „эндосома» приобрел специальное значение; им стали обозначать «кислотную сортировочную станцию», в которой захваченные материалы подвергаются первичной внутриклеточной переработке .
Тенденция связанных лигандами рецепторов группироваться в эндоцитарных углублениях служит прекрасной иллюстрацией способности мембранных белков свободно передвигаться в плоскости липидного бислоя благодаря латеральной диффузии. Что заставляет их собираться вместе, пока не ясно. Возможно, в некоторых случаях это вызвано поперечным связыванием двухвалентными или мультивалентными лигандами. В других случаях создается впечатление, что рецепторы вообще находятся в постоянном движении. Независимо от того, загружены они лигандами или нет, рецепторы то исчезают в эндоцитарных ямках, то непрерывным потоком появляются на поверхности клетки, напоминая в какой-то степени работу эскалатора или транспортера. Как в транспортере и эскалаторе, здесь механизм скрыт от глаз. Мы увидим его, когда посетим цитозоль. Снаружи нам только видна неясная структура, напоминающая «клетку», которая находится на дне эндоцитарной ямки; она словно втягивает участок («пэтч») мембраны внутрь и превращает его в вакуоль. Сделанная из
клатрина , эта структура на поперечном срезе выглядит как щетинистая оболочка. Поэтому о ямках и везикулах, ограниченных ею, говорят, что они «окаймлены» или покрыты щетинистой оболочкой.
Другой тип эндоцитоза, который в значительной степени зависит от межрецепторных связей, наблюдается, когда молекулы лиганда прикреплены к поверхности крупного объекта, например бактерии^ Как только установлен контакт между объектом и мембраной (путем соединения нескольких рецепторов и лиганда), с соседних участков поверхности клетки подключаются дополнительные рецепторы. Их связывание вызывает прогрессивное обволакивание покрытого лигандами объекта участком плазматической мембраны, содержащим рецепторы. Таким образом, эффект молекулярного «застегивания молнии» индуцирует процесс поглощения. Название «фагоцитоз» обычно употребляется только для этого типа захвата.
Механизм, с помощью которого антитела «клеймят» мишени для разрушения лейкоцитами, зависит от этого процесса (гл. 3). Антитела представляют собой У-образные белковые молекулы, прикрепляющиеся к соответствующим антигенам своим раздвоенным концом (его называют Рс-фрагментом). Эта часть антитела несет иммунологическую специфичность молекулы, поэтому она различна для каждого вида антител. «Ножка», или нижняя часть У-молекулы, называемая Рс-фрагментом, одинакова для всех антител. А теперь представьте себе, что микроб проник в иммунизированный организм, где он встретился с антителами, направленными против некоторых компонентов его стенки. Микроб покрывается молекулами антител, которые присоединились к нему своими ЕаЬ-фрагментами, а их прямые Рс-фрагменты торчат наружу. Оболочка из Рс-фрагментов вызывает поглощение микроба лейкоцитом, имеющим на своей мембране специфические Рс-рецепторы и пустившим в ход механизм поглощения типа застежки-молнии. Первые иммунологи назвали антитела, вызывающие фагоцитоз, опсонинами . Опсонины и в самом деле можно приравнять к приправе, которая придает приятный вкус пище, приготовленной для клеток- пожирателей.
Мы сможем лучше понять роль рецепторов эндоцитоза, когда узнаем, что происходит с объектами, поглощенными клеткой с их помощью. А пока необходимо помнить, что природа и плотность расположения рецепторов на поверхности клетки варьируют от одного типа клеток к другому и даже у одной и той же клетки они различны в зависимости от ее функционального состояния. Иными словами, посредством поверхностных рецепторов каждая клетка выбирает в окружающей среде свое специфическое меню.
Захват при эндоцитозе не ограничивается молекулами или объектами, отобранными рецепторами. Возможно также случайное попадание внеклеточных компонентов, как, например, растворенных веществ в поглощенных каплях жидкости. Такой процесс представляет собой пиноцитоз в первичном значении этого термина. Названный жидкофазным эндоцитозом, он способствует захвату больших количеств различных продуктов, поскольку клетка еже дневно легко «выпивает» количество жидкости, равное ее объему. Только представьте себе человека, выпивающего в день по 68—90 литров жидкости!
Еще больше поражает количество мембран, перемещающихся в процессе эндоцитоза, В течение часа клетка в состоянии поглощать при эндоцитозе мембрану, площадью вдвое превышающей площадь поверхности плазматической мембраны клетки, включая складки и пальцевидные выступы. Вряд ли клетки способны создать новую мембрану с такой скоростью. Поэтому они постоянно возвращают (рецнклируют) в поверхностную мембрану те ее участки, которые они использовали при эндоцитозе.

Кератин,материал прочности

Термином «кератин» — обозначают семейство богатых серой фиброзных белков, основных составных частей кожи, шкур животных, волос, рогов, копыт, ногтей, чешуи, перьев, клювов — одним словом, наружных покровов и производных кожи, которыми позвоночные вооружаются против нападенйя врагов из внешнего мира. В отличие от защитных покрытий у растений и низших животных, которые создаются внеклеточно из секреторных продуктов, у позвоночных аналогичные структуры образуются внутриадеточно в результате замечательного процесса дифференцировки.
Этот процесс совершается в эпителиальных клетках. Последние образуются из стволовых клеток, формирующих глубокий
слой под кожей. Стволовые клетки делятся неравномерно на недифференцированные стволовые клетки, остающиеся в герминативном слое, и дифференцирующиеся дочерние клетки. По мере шелушения поверхностных слоев кожи дочерние клетки, в свою очередь подталкиваемые к поверхности более молодым поколением дочерних клеток, медленно перемещаются, чтобы заменить их.
Если бы мы посетили такую молодую эпителиальную клетку в начале ее путешествия по направлению к периферии, то увидели бы, что ее цитоплазма тут и там пересечена плотными волокнами толщиной около 8 нм (треть дюйма при нашем увеличении). При более близком знакомстве волокна оказываются пучками филаментов, образованных из более тонких нитей, которые на первый взгляд напоминают структуру тропоколлагена. Как и основная единица волокон соединительной ткани, элементарная субъединица кератина представляет собой трехнитчатую суперспираль, составленную из белковых, также спирально скрученных цепей. Шаг скрученной спирали аналогичен таковому для тропоколлагена и равен приблизительно 6,5 нм. Однако при более близком знакомстве обнаруживаются существенные различия между двумя структурами. В кератине трехнитчатая спираль закручена влево, а не вправо, как в тропоколлагене. Три составляющие его полипептидные цепи обычно различны и каждая закручена в типичную правовращающую а-спираль наподобие спирали во многих белках . Мы встретимся с удивительными примерами этой структуры несколько позже, в миозине и тропомиозине. С другой стороны, спиральная структура коллагена с ее поворотом влево и высотой шага 1 нм уникальна и объясняется необычным аминокислотным составом и после-довательностью. Субъединицы кератина также короче тропоколлагена: 60—90 нм против 300 нм. Они собираются продольно и поперечно с образованием характерных промежуточных филаментов диаметром 8 нм.
Кератиновые пучки образуют рыхлую трехмерную сеть, окружающую ядро структурой в виде корзинки и натянутую между пластинками прикрепления, расположенными вдоль плазматической мембраны. Как правило, эти пластинки скрепляются при помощи определенного плотного клейкого материала с аналогичными пластинками на поверхности соседних клеток, образуя тем самым плотные адгезивные контакты, или десмосомы, которые привлекли наше внимание при первом визите в кровеносный сосуд . Тонофиламенты, прикрепляющие кератиновые волокна, направляются от десмосом латерально в глубь клетки и располагаются в десмосомах таким образом, чтобы установить прямые связи между кератиновыми сетями двух соседних клеток.
По мере своего медленного продвижения от слоя герминативных стволовых клеток к поверхности кожи эпителиальные клетки производят кератин во все увеличивающихся количествах за счет массивной аутофагии (самопожирания) своего содержимого.’ Одновременно кератиновые волок-, на начинают интенсивно связываться посредством поперечных дисульфидных связей между собой и с компонентами аморфного матрикса. К тому моменту, когда клетки достигают поверхности кожи, они сморщиваются и высыхают, становятся безжизненными, инертными, но в то же время чрезвычайно плотными. Прочно скрепленные друг с другом десмосомами, они образуют единый защитный пласт, роговой слой, который постоянно удаляется за счет поверхностного шелушения (десквамации) и замещается новыми дифференцированными эпителиальными клетками.
Если шелушению препятствует объединение наползающих клеточных слоев, то роговой слой утолщается до образования
мозоли. Если немного изменить характер роста клеток, модифицировать природу или соотношение различных полипептидов, строящих кератин, и степень их поперечного связывания, то в результате образуются чешуя, ноготь, коготь, рог или клюв. Если дифференцирующиеся клетки растут в виде трубки, а не пласта, то образуются все виды волос и игл (шипов), а путем более сложных взаимодействий — птичьи перья, колючки и пушок пернатых. В самом деле, число архитектурных вариантов, которые’ эволюция создавала путем кератинизации, беспредельно. Тысячелетиями некоторые из них обеспечивали человека одеждой и орудиями труда. Даже в наш век господства пластмасс ни одно искусственное волокно все еще не может конкурировать с кератином, который образуется у ангорской козы.
Как упоминалось выше, кератин — типичный продукт эпителиальных клеток. В клетках других типов поддерживающие промежуточные волокна — филаменты построены из других белков, которые объединяются по-иному. Но время не позволяет детально остановиться на их строении, а потому вернемся к «обобщенной» клетке, представляющей основной объект нашего путешествия.