Маршруты:Взглянем на карту

Прежде чем отправиться в путешествие по клетке, взглянем на ее карту, чтобы разобраться, куда следует держать путь, что нас ожидает и как лучше организовать само путешествие. Сейчас мы только назовем основные части клетки и их функции. Со временем, в ходе путешествия мы познакомимся с ними поближе.
Наиболее типичным свойством любой эукариотической клетки, известным уже ранним цитологам, было различие между находящимся в центральной части клетки ядром и окружающей его цитоплазмой. Эти две части соотносятся друг с другом примерно так же, как косточка вишни с ее мякотью (слово «ядро» произошло от латинского пис1еиз — орех). Подобно вишне, клетка покрыта кожицей, или мембраной — плазмалеммой или плазматической мембраной.
Ядро — это хранилище генетической информации клетки, размещенной в химически закодированном виде в определенных единицах -(структурах), хромосомах. Как правило, они настолько тесно переплетены, что кажется, будто они образуют, единую массу — хроматин, неравномерно разделенный на более плотные (гетерохроматин) и менее плотные (эухроматин) участки. В хроматине имеются одна или несколько структур специального назначения — ядрышки. Вся эта масса полностью заключена в мембрану и пропитана жидкостью — нуклеоплазмой.
Основные функции ядра имеют прямое отношение к переработке информации. Сюда входит хранение или, в случае необходимости, восстановление генетической информации и особенно ее транскрипция. Этим термином обозначается крайне сложный, высоко-избирательный процесс, с помощью которого специфические инструкции считываются с хранящейся информации и передаются в цитоплазму для экспрессии. Посредством этих механизмов гены передают свои команды клетке. При подготовке клетки к делению ядро должно выполнить еще одну работу: подготовить полный и точный дубликат генетической информации. Затем ядро подвергается сложному процессу реорганизации, называемому митозом, в ходе которого хромосомы становятся временно различимыми в виде отдельных палочек. В-результате этих изменений образуются два ядра.
Цитоплазма состоит из бесформенного геля — цитозоля, поддерживаемого цитоскелетом и содержащего ряд погруженных в него органелл. Последние осуществляют разнообразные функции, связанные с работой клетки «на экспорт» («внешние дела»), и «для себя» («внутренние дела»),
«Внутренние дела» живой клетки в основном связаны с биосинтезом и производством энергии. Биосинтез — процесс, продолжающийся непрерывно, даже в клетке, которая не растет, ибо клетки химически не статичны. Они постоянно и с высокой скоростью разрушают и восстанавливают большую часть своих компонентов. При этом расходуется много энергии. Энергия нужна также для других видов деятельности клеток, связанных с передвижением, молекулярным транспортом, производством электричества, передачей информации и в некоторых случаях с излучением света. Клетки покрывают эти расходы энергии, разрушая богатые энергией питательные вещества, получаемые из окружающей среды или из собственных запасов. Клетки зеленых растений и фотосинтезирующие бактерии получают необходимую энергию за счет поглощения и утилизации солнечного света. Совокупность всех этих реакций составляет процесс, который ученые называют метаболизмом и который в свою очередь подразделяется на анаболизм (процессы биосинтеза) и катаболизм (реакции распада).
Системы, выполняющие столь разнообразную деятельность, размещены в цитозоле и в ряде тесно связанных с ним органелл. Среди последних следует выделить митохондрии (называемые часто силовыми станциями клетки), где протекают основные окислительные реакции — осуществляются механизмы, благодаря которым энергия, высвобождаемая в ходе окислительных реакций, вновь улавливается и приобретает форму, необходимую для утилизации клеткой; хлоропласты, в которых происходит фотосинтез в клетках зеленых растений; микротельца, гетерогенное семейство метаболических органелл, из которых важнейшими являются пероксисомы. Необходимо также упомянуть о различных структурах, связанных с клеточным движением; о рибосомах, являющихся центрами синтеза белка и, следовательно, основными исполнителями указаний генетических команд, исходящих из ядра. И наконец, назовем разнообразные цитомембраны, которые не только участвуют во «внешних делах» клетки (см. ниже), но и содержат целый ряд важных метаболических систем.Под словами «внешние дела» мы подразумеваем различные способы взаимодействия клетки с внешним миром и обменные процессы между ними. Помимо плазматической мембраны, которая по сути дела является границей клетки, эта активность присуща также сложнейшей се™ внутриклеточных мембран, связанных с плазматической мембраной и образующих множество замкнутых мешковидных структур. Эти структуры способны устанавливать — прямо или косвенно — временные связи друг с другом или с плазматической мембраной. Они предназначены для хранения, переработки и внутриклеточной транспортировки веществ, получаемых извне и расщепляемых на составные части внутри клетки, или веществ, образуемых внутри клетки для экс-порта. Чрезвычайно важно, что в ходе всех этих обменов никогда не происходит ни малейшего повреждения или разрыва мембран. Таким образом содержимое «мешочков» всегда отграничено мембранами от цитозоля. Подобно плазматической мембране при обмене веществ между клеткой и окружающей средой, эти мембраны выступают в качестве посредников, пропуская вещества в сегрегированные участки (мешочки) клетки и из них.
Система цитомембран (ранние цитологи называли ее ныне почти забытым, но достойным восстановления термином «ва- куом») состоит из двух раздельных, однако тесно связанных между собой отделов, служащих соответственно для импорта и экспорта. Они в свою очередь подразделяются на функционально различные подотделы, компартменты. В отдел импорта входят: специализированные участки плазматической мембраны, служащие для захвата внеклеточного материала посредством эндоцитоза, компартмент хранения, образованный эндосомами, занятыми в основном сортировкой и перемещением захваченных в клетку веществ, и комплекс пищеварительных вакуолей, или лизосом, в которых захваченные вещества расщепляются на составные части. Экспортная система начинается с шероховатого (гранулярного) эндоплазматического ретикулума (сети), который собирает и дорабатывает вновь синтезированные и предназначенные для экспорта белки. Белки синтезируются в рибосомах, прикрепленных к пограничным мембранам ретикулума. Посредством эндоплазматического ретикулума с гладкой поверхностью (к нему рибосомы не прикрепляются) эта структура связана со сложной системой аппарата Гольджи. В этих двух компартментах протекает дальнейший процесс переработки и сортировки экспортируемого материала. Из аппарата Гольджи после накопления и концентрации в секреторных гранулах продукты направляются к периферии клетки, откуда они выводятся посредством экзоцитоза. Специальный набор везикул переносит вещества из аппарата Гольджи к лизосомам. Другие везикулы вовлечены в рециркулирование мембран, принимающих участие в описанных процессах.

Мир молекул

Чтобы узнать, каким образом построена клетка и как она работает, необходимо прибегнуть к языку химии. А так как процессы химического превращения, происходящие в живых клетках, исключительно важны, следует пользоваться наиболее усложненной формой этого языка. Именно отражением этой сложности и прогресса в понимании химических процессов объясняется бурное развитие биохимии в последние годы.
Однако не все туристы могут оказаться учеными. И будет очень обидно, если вся прелесть и очарование жизни клетки откроются только небольшой группе знатоков, знакомых с миром биомолекул. Разумеется, мы заинтересованы взять с собой как можно больше людей и приложим усилия к тому, чтобы предоставить такую возможность всем желающим. Но все же нам понадобятся некоторые знания химии — без них большая часть путешествия окажется бессмысленной.
Итак, допустим, что все мы в некоторой степени знакомы с концепциями и законами химии. По возможности я буду использовать образы и модели для объяснения основных химических понятий. Полагаю, что научная строгость и точность не пострадают от такого вынужденного упрощения.
При этих условиях, надеюсь, наше путешествие станет возможным для многих. Более того, думаю, что у всех путешественников возникнет желание глубже проникнуть в мир молекул, так как наслаждение от изучения жизни живой клетки станет еще больше. Ведь для того, чтобы любоваться пирамидами и сокровищами фараона Тутанхамона, вовсе не обязательно быть египтологом. Однако, чем больше вы узнаете историю этих знаменитых объектов, тем больше удовольствия и пользы получите от их созерцания.

Подготовка к путешествию

Нам предстоит посетить незнакомый мир, удивительный, таинственный и в то же время очень далекий от наших повседневных представлений. Это мир, который существует в каждом из нас и в любом живом организме, увеличенный более чем в 10 миллиардов раз. Все организмы состоят из одной или более единиц микроскопических размеров, называемых клетками, которые, находясь в определенных условиях, способны вести независимую жизнь. Путешествуя по клетке, мы с вами будем рассматривать жизнь в ее наиболее элементарной и основной форме. Но вначале сделаем краткое вступление.

1945 год: прорыв Часть 2

Вторым методом, радикально изменившим .химическое исследование живых клеток, явился метод изотопного мечейия. Изотопы — это разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся по атомной массе. Некоторые изотопы существуют в природе, а многие могут быть получены искусственным путем в процессе ядерных реакций. Так, помимо атома водорода ‘Н с атомной массой 1, наиболее распространенного в природе, существуют тяжелый природный изотоп 2Н (дейтерий) и еще более тяжелый искусственный изотоп 3Н (тритий). Все три разновидности водорода имеют весьма схожие химические свойства: они соединяются с кислородом с образованием воды, с углеродом — с образованием углеводородов и т. д. Но они отличаются друг от друга по масс-спектрографии, которая, как явствует из самого названия, разделяет атомы в соответствии с их массой. Особенно легко выявляется тритий, так как в дополнение ко всему он радиоактивен, как и большинство изотопов, используемых для мечения.
Преимущество исследований с помощью изотопов заключается в том, что они используются для специфического мечения определенных молекул или частей молекул; таким образом, эти молекулы можно узнать и отличить от родственных им молекул почти без нарушения общей структуры. Наиболее плодотворно этот метод используется при анализе биосинтетических процессов, большая часть которых не могла бы быть раскрыта иным путем. Например, с получением меченых аминокислот появилась возможность изучать их соединение в белки в живом организме или в экспериментальных условиях, даже несмотря на бесконечно малое количество вновь образованного белка по сравнению с предсуществующим содержанием белка. Вновь образованные белки, не выявляемые химическим путем, могли быть определены и даже измерены благодаря их радиоактивности. Использование изотопов для подобных исследований началось накануне второй мировой войны; в то время были доступны несколько природных (2Н, 15М) или искусственных (32Р) изотопов. Однако широкое распространение этот метод получил лишь с созданием атомных реакторов и производством широкого спектра радиоизотопов по доступной цене. Без метода меченых атомов поистине феноменальные достижения последних десятилетий в клеточной и молекулярной биологии были бы невозможны. Метод служит одним из важных примеров использования атома в мирных целях.
Хотя и морфология, и биохимия, обога-щенные новыми методиками, постоянно совершенствовались, все же для ликвидации существующего между ними разрыва по- прежнему испытывалась необходимость в создании мостика. Этот разрыв становился все меньше по мере развития методов разделения клетки на части таким образом, что каждую из них можно было полностью изучить. Для этого биохимики должны были прежде всего научиться «раскрывать» клетку настолько осторожно, чтобы выделить ее хрупкие составные части, но при этом не повредить их. Как только это было достигнуто, появилась возможность использовать различия в физических свойствах, в частности величине и плотности, тех или иных составных частей клетки для отделения их друг от друга. Методы, применяемые для подобного фракционирования, основывались главным образом на центрифугировании. В этом отношении развитие центрифугирования как аналитического метода и создание высокоскоростных ультрацентрифуг в 20-е — 30-е гг. сыграли весьма важную роль.
Благодаря удивительному историческому совпадению все новые методы стали доступными почти одновременно в середине 40-х гг. Среди многих имен, связанных с этими событиями, имя Альбера Клода, умершего в мае 1983 т., заслуживает особого упоминания. Клод родился в Бельгии на пороге нового века, а в 1929—1949 гг. работал в Рокфеллеровском научно-исследовательском медицинском институте в Нью-Йорке, где впервые самостоятельно, практически без посторонней помощи использовал электронный микроскоп для изучения клеток, а также разработал основные методы фракционирования клеток при помощи центрифугирования. Тем самым, образно говоря, он ввел армии морфологов и химиков на девственные территории клетки, объединил их и показал, сколь плодотворно такое объединение. Сегодня область, открытая Клодом, настолько хорошо изучена, что позволяет даже совершать путешествие по ней, что мы и собираемся сделать. Однако одна часть клетки — ее важнейшая центральная часть, ядро — осталась бы в значительной степени недоступной, если бы не произошло еще одно событие.

Морфологический подход

Мир клеток невидим невооруженным глазом. Он оставался полностью неизведанным до середины XVII столетия, пока люди с пытливым умом и искусными руками не научились шлифовать линзы и использовать их для расширения возможностей зрения. Одним из первых создателей микроскопа был англичанин Роберт Гук — физик, метеоролог, биолог, инженер, архитектор, один из самых замечательных представителей своего времени. В 1665 г. он опубликовал прекрасный альбом рисунков под названием «Микрография», изображающих его наблюдения под микроскопом. Среди них был и тонкий срез пробковой ткани дерева, структура которого напоминала соты, четкое и правильное расположение «микроскопических пор», или «клеток». Гук использовал слово «клетки» в его подлинном смысле, имея в виду маленькие камеры наподобие помещений, в которых сидят заключенные, или монашеских келий. Это слово закрепилось в науке, но теперь оно означает не мелкие дырочки, которые видел Гук в мертвой коре дерева, а «зернышки» вещества, заполняющего поры живого дерева.
Одним из одареннейших современников Гука был голландец Антони ван Левенгук, создавший более двухсот микроскопов особой конструкции. Они состояли из небольшого стеклянного шарика, вставленного в медную пластинку. Держа такое приспособление близко к глазу и рассматривая через стеклянный шарик различные предметы, укрепленные на кончике иглы, при этом работая винтом, Левенгук смог добиться увеличения в 270 раз и сделал замечательные открытия. Он сумел впервые увидеть то, что было им названо «аниман- кулюсы», в крови, сперме и воде, взятой из болот и прудов. Достойно удивления, что Левенгуку удалось увидеть даже бактерии, которые он зарисовал с такой точностью, что специалисты и сейчас могут их распознать.
Однако не все исследователи, в прошлом пользовавшиеся микроскопом, оказались столь наблюдательными. Когда дело доходило до объектов, таких малых, как живые клетки, которые ученые наблюдали с помощью примитивных инструментов, очертания их были настолько расплывчатыми, что большинство деталей приходилось дополнять за счет воображения. Одни исследователи — и таких было немало — проявили похвальную сдержанность и не давали воли своей фантазии. Другие же» пользовались ее преимуществами вовсю и достигали при этом большой известности, как, например, француз Готье д’Агости, восторженный приверженец теории преформизма, суть которой заключается в том, что, по предположению, в головке спермальной клетки находится полностью сформированный ребенок.
В течение долгого времени исследования с помощью микроскопа проводились в основном вокруг мира клетки, пока в 1827 г. итальянскому физику Джованни Батисте Амичи не удалось исправить основные оптические аберрации линз. Увеличение четкости изображения имело такие важные последствия, что уже через несколько лет можно было сформулировать общую теорию, согласно которой все растения и животные состоят из одного или более элементов — клеток. Эта теория была предложена для растений в 1837 г.немецким ботаником Маттиасом Шлейде- ном и распространена на животный мир его другом, физиологом Теодором Шванном. Немного позже ее дополнил патолог Рудольф Вирхов, который в 1885 г. провозгласил: Omnis cellula e cellula — «каждая клетка происходит из клетки», что является перефразированным выражением: Оmпе vivum ех оvо — «любой живой организм происходит из яйца», принадлежащим Уильяму Гарвею, английскому врачу, который впервые обнаружил циркуляцию крови (Гарвей умер за несколько лет до открытия Роберта Гука). Вирхов также первым развил клеточную теорию в патологии, о чем свидетельствует название его книги «Клеточная патология», опубликованной в 1858 г. В середине XIX в. клеточная теория стала общепризнанной и послужила основой для науки о клетке, или цитологии (от греч. rytos— полость). В 1884′ г. появился первый журнал, посвященный клеточной биологии. Он был создан Жаном-Батистом Карнуа в Католическом университете в Лувене (Бельгия) и назывался La cellule («Клетка»). К концу столетия был открыт ряд важных компонентов клетки, все они были описаны и получили названия.
Со временем, однако, исследователи столкнулись с новым препятствием, казалось, непреодолимым, так как оно было обусловлено самими законами физики. Даже с помощью весьма совершенных инструментов нельзя было увидеть деталей, размеры которых были меньше половины длины волны света; это полностью ограничивает разрешающую способность микроскопа, использующего видимый свет с дли-ной волны около 0,25 мкм. В мире клеток такие размеры достаточно велики — разумеется, относительно. Только представьте, что в окружающем нас мире нельзя различить ни одну деталь, которая была бы меньше 25 6м! Это все, что смогли бы увидеть исследователи с помощью классического микроскопа, если бы они пустились в путешествие по живой клетке, увеличенной в миллионы раз, что мы с вами и собираемся предпринять.