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.

Направление лекарственных в лизосомы веществ

Существует много причин для целенаправленного введения лекарственных веществ в лизосомы. Наиболее очевидная — исправление некоторых местных расстройств, многие из которых, как мы только что видели, имеют разное происхождение. Но в других случаях лизосомы используются не столько как мишени, сколько как средство терапевтического вмешательства. Большая группа веществ — среди них многие лекарственные препараты, а также ряд красителеи, в частности нейтральный красный — спонтанно направляется в лизосомы, где происходит очень быстрое их накопление до концентрации, в несколько сотен раз превышающей их концентрацию в других частях клетки. Все эти вещества, называемые лизосомотропными, представляют собой слабые основания; они легко проходят сквозь мембраны, включая лизосомальную, в непротонированной, незаряженной и соответственно липофильной форме. Под влиянием кислой среды лизосом эти вещества получают протоны и приобретают один-два положительных заряда, которые не позволяют им пересечь мембрану в обратном направлении.
Этот феномен протонной ловушки не ограничивается лизосомами. Он встречается в эндосомах и в других структурах (некоторые отделы комплекса Гольджи?), сохраняя кислую среду за счет работы протонного насоса, и лежит в основе ряда интересных явлений. Наиболее эффектным является прижизненное (витальное) окрашивание, при котором все эндосомолизосомальное пространство светится подобно созвездию ярких звезд. Известный более сотни лет, этот феномен лишь недавно получил объяснение. Другим примером лизосомотропизма может служить вакуолизация клеток, возникающая в результате -осмотического набухания захваченных структур. Кроме того, многие лизосомотропные вещества препятствуют перевариванию в лизосомах, нейтрализуя местную кислотность, а иногда также подавляя одну или более гидролаз. Такие механизмы лежат в основе ряда токсических эффектов и терапевтических воздействий. Интересным примером может служить антималярийный препарат хлороквин, являющийся выраженным лизосомотропным веществом и накапливающийся, как полагают, в лизосомах малярийного плазмодия; в них-то он и блокирует переваривание гемоглобина — единственного, источника питания плазмодия, живущего в эритроцитах.
Другой путь проникновения в лизосомы — эндоцитоз. Этот способ сулит особенно обнадеживающие перспективы благодаря своей избирательности. Проникновение в клетку путем эндоцитоза регулируется поверхностными рецепторами, которые варьируют от одного клеточного типа к другому. Теперь, когда нам кое-что известно о происходящих в лизосомах процессах, мы можем добавить новую страницу к нашему рассказу. Предположим, мы хотим направить лекарство избирательно к определенному типу клеток — например раковой клетке или патогенному паразиту. Если выбранная нами мишень имеет рецепторы, которых нет или они менее выражены на клетках, которые мы намерены защитить, то осложнений но предвидится. Все, что надо сделать, это прикрепить лекарство к переносчику, который распознается этими рецепторами, причем использовать такую химическую связь, которая расщепляется внутри лизосом. И хотя для этого требуются некоторые дополнительные условия, по существу перед нами концепция, вселяющая надежду, что в будущем в руках ученых могут появиться «волшебные пули».

Вакуом

В начале XX столетия французские цитологи предложили название «вакуом» для обозначения сложной системы вакуолей и гранул, обнаруженной в растительных и животных клетках. По их мнению, вакуом состоял из множества цитоплазматических структур, в том числе аппарата Гольджи, за исключением митохондрий, которые они рассматривали как отдельную систему, хондриом. Такое разделение оказалось настоящим предвидением, и слово «вакуом», которое ранее не находило всеобщего признания, заслуживает быть воскрешенным. Термин «вакуолярная система», который иногда используется в таком же значении сегодня, более расплывчатый, поскольку им длительное время обозначали только импортную часть всей системы.Импорт и экспорт, каждый с соответствующими реакциями процессинга в них, — основные функции вакуома. Если, однако, рассматривать анатомическую и функциональную организацию системы, то наиболее .поразительной чертой окажется ее разделение на два домена аппаратом Гольджи.
Эндоплазматический ретикулум (ЭР), или эндоплазматический домен, располагается по одну сторону от Гольджицис- сторону, которую мы называем эндоплазматической. Связанный с производством белков, ЭР имеет отчетливо выраженную полярность от участков, связывающих рибосомы, в шероховатом ЭР к переходным элементам между гладким ЭР и Гольджи. За исключением этой асимметрии, мембраны ЭР, которые также являются местом «обитания» некоторых метаболических систем, не связанных с секрецией (см. гл. 13), во многом однородны по составу. Продвижение по этой части вакуома осуществляется весьма просто и в одном направлении. ЭР направляет свое содержимое в Гольджи со слегка заметным обратным током. Согласно имеющимся данным, секреторные продукты перемещаются через эффективную одностороннюю «замок — ловушку», даже если их транспорт может зависеть от двустороннего направленного мембранного челнока. Это означает также, что импортный поток останавливается у барьера Голь-джи. Действительно, материалы, захваченные эндоцитозом, не попадают в эндоплазматический домен. Нам удалось сделать это, но только прокладывая путь через «ловушку».
Совсем иная картина наблюдается по другую сторону от аппарата Гольджи, где располагается то, что можно назвать экзоплазматическим доменом вакуома (не общепринятое, но весьма полезное название, которое мы распространяем на транс-поверхность аппарата Гольджи). Этот домен включает множество везикул, вакуолей и гранул всевозможной формы и величины, связанных с аппаратом Гольджи, друг с другом и с околоклеточным пространством сложной сетью транспортных путей. Мембраны, окружающие эти структуры, имеют некоторые общие свойства с плазматическими мембранами. Они толще мембран ЭР (около 10 нм против 7 нм) в значительной степени из-за большей плотности олигосахаридных боковых цепочек, расположенных на внутренней поверхности. Они также содержат преобладающее количество некоторых фосфолипидов, таких, как сфингомиелин, и высокие концентрации холестерина. Однако их белковый состав далеко не однороден, даже плазматическая мембрана разделена на отдельные области.
Передвижение в этой части вакуома чрезвычайно затруднено и осуществляется в разных направлениях. Из Гольджи основной поток секреторных продуктов направляется к сайтам (местам) их выгрузки, расположенным на клеточной поверхности, либо непрерывно посредством цепочки мелких везикул, либо прерывисто, с промежуточной остановкой в секреторных гранулах после концентрации в конденсирующих вакуолях. По одному из важных путей кислые гидролазы доставляются из Гольджи в лизосомы. Кроме того, перегрузка секреторного пути ведет к открытию кринофагического обходного пути, который направляет избыточные продукты из секреторных гранул в лизосомы.
Фагоцитоз, опосредованный рецепторами эндоцитоз и, возможно, другие формы эндоцитоза составляют импортные пути. Они сходятся в основном в лизосомах, но по пути могут, особенно проходя через эндосомы, образовывать ответвления — пути, которые обходят лизосомы и по которым поглощенные материалы Доставляются к тому месту, где они проникли в клетку (так называемая регургитация), или переносятся через клетку к определенному внеклеточному району (диацитоз), или доставляются в гранулы хранения.
Эта сеть транспортных путей, по-видимому, значительно усложнится, если одновременно рассматривать движение как содержимого, так и контейнеров, в которых оно перемещается. Еще до недавнего времени величину перемещения контейнеров недооценивали. Обычно считалось, что мембранный материал, включенный в плазматическую мембрану при экзоцитозе, возвращается при эндоцитозе, присоединяется к лизосомальным мембранам при слиянии эндосом с лизосомами, поглощается при аутофагической сегрегации и в конце концов разрушается при переваривании в лизосомах. Как полагали, в целях компенсации новая мембрана создается в эндоплазматическом ретикулуме и передается в Гольджи для замещения материала, израсходованного плазматической мембраной, при экзоцитозе. Согласно этой концепции, известной как теория «мембранного потока» и включающей динамическую модель функционирования Гольджи , вновь синтезированные мембраны проходят через один экспортно-импортный цикл и затем разрушаются. Иными словами, клетка использует имеющиеся в ее распоряжении свободные контейнеры.
Однако концепция оказалась несостоятельной, когда удалось оценить степень выраженности передвижения контейнеров. Железистая клетка способна удваивать поверхность своей плазматической мембраны при каждой секреторной разгрузке. Макрофаг заглатывает каждый час в два раза большую поверхность, чем поверхность его плазматической мембраны. Подобные скорости по меньшей мере на порядок больше, чем скорости обмена составных частей мембран. Вот почему клеточные контейнеры не могут быть свободными; они должны находиться в состоянии оборота.
Пути рециклирования (перемещения) мембран все еще выясняются. Возможно, наряду с прямыми челноками они включают окольные пути. Центр этого рециклирования мембран лежит в области клетки, иногда называемой ГЭРЛ (сокращение от слов: Гольджи — эндоплазматический ретикулумлизомосы), основным компонентом которой теперь принято считать эндосомы. Удивительно, что это быстрое и сложное рециклирование контейнеров лишь незначительно нарушает идущий в одном направлении транспорт содержимого, хотя, как мы уже видели , и наблюдается некоторое «слюнотечение». Судя по всему, клетка располагает эффективными механизмами для передвижения пустых контейнеров, возможно в виде уплощенных везикул. По-видимому, кислая среда в эндосомолизосомальной части экзоплазматического домена (отдела) играет ключевую роль в «раздевании» и освобождении мембран от лигандов перед их рециклированием.
Еще более значительной представляется способность клетки сохранять высоко- дифференцированную организацию ее вакуома. Каким-то образом, несмотря на бесчисленные слияния между мембранами различного состава, вряд ли существует какое-либо «перемещение» компонентов путем латеральной диффузии через их соединение. Поддерживаются (или даже соз-даются) отчетливые «разрывы», как при группировке занятых рецепторов, которые играют важную роль в избирательном транспорте. Где бы ни происходила сортировка — на поверхности клетки, в эндосомах, в Гольджи, возможно еще где нибудь, — в этом процессе всегда участвуют несущие рецепторы мембранные «пэтчи». Возможно, на эти участки оказывают определенное влияние расположенные под мембраной и прикрепленные к ней элементы цитоскелета .
Теперь, когда мы внимательно взглянули на вакуом, нам стало понятнее наше ощущение не вполне полного пребывания внутри клетки на этом этапе проделанного путешествия. Особенно заметно это было в экзоплазматическом домене, где мы наблюдали поистине удивительную картину перемещения, когда кусочек мембраны, которому в данный момент случилось оказаться в составе клеточной мембраны, в следующий момент мог стать частью эндосомо-лизосомальной системы, чуть позже появиться в Гольджи и в конце концов вернуться обратно на поверхность клетки, и все это за несколько минут! Пер- меазы, насосы и другие транспортные системы, присутствующие на плазматической мембране, по-видимому, продолжают свою работу при попадании внутрь, катализируя те же обменные реакции между цитозолем и содержимым везикул, как они это делают, находясь на клеточной поверхности, между цитозолем и внеклеточной средой. (Однако эффекты могут быть не одинаковы; вспомним протонный насос.) На самом деле, «с точки зрения функционирования», мы только наполовину находимся в клетке — или наполовину вне клетки, — пребывая внутри экзоплазматического домена вакуома. То же характерно и для его содержимого, которое либо только что попало в клетку путем эндоцитоза, либо вскоре будет удалено из клетки путем экзоцитоза. Мы оказываемся чуть глубже в клетке, попадая в эндоплазматический домен, за счет того, что «замок», или «ловушка» Гольджи защищает нас от захвата внеклеточными объектами. С другой стороны, безвозвратная передача содержимого эндоплазматического ретикулума в экзоплазматический домен, чаще всего с последующим выбросом во внеклеточное пространство, отчетливо придает полостям эндоплазматического ретикулума характер превнекле точного пространства.

Трехступенчатые процессы

Эти процессы систематически начинаются с двухступенчатого согласованного механизма, катализируемого лигазой. Они отличаются от других уже рассмотренных нами процессов того же типа тем, что активированная группа прикреплена к носителю, а не к биосинтетическому строительному блоку. Конечная сборка осуществляется на третьей стадии переносом группы от носителя к биосинтетическому акцептору.
Реакции, зависящие от уд-переноса. Два важных комплекса группы с носителем собираются с помощью АТФ-образующих лигаз по общей схеме уа-двухступенчатого последовательного переноса групп. Один из них — карбоксибиотин, имеющий сходную с карбаматом структуру, и связанный с ферментом карбоксилфосфат; он выступает в роли посредника и является донором активированных карбоксильных групп в ряде реакций карбоксилирования, как показано на схеме.
Биотин, или витамин Н, который играет каталитическую роль во всем трехступенчатом процессе, принадлежит к молекулам, представляющим исторический интерес. В названии этого вещества нашло свое отражение раннее открытие в области пищеварения, касающееся фактора роста дрожжей, которое принадлежит бельгийскому биохимику Эжену Вильдьерсу. Ис-следователь был так поражен жизненной силой найденного им фактора, что назвал его «биос». Позднее производное от этого названия нашло. отражение в названии одного из витаминов в память выдающегося открытия. При выполнении функций переносчика биотин ковалентно связывается с гибкой полипептидной «рукояткой», входящей в мультиферментный комплекс, который содержит лигазу и карбоксилазу. Его транспортная функция ограничена челночным движением карбоксильных групп между активными центрами двух ферментов.
Похожий трехступенчатый механизм, но с участием формилфосфата, связанного с ферментом, выступающим в роли посредника, служит для прикрепления форматов (солей муравьиной кислоты) (Н—СО—О»») к носителю, тетрагидрофолату (ТГФ) ->- производному витамина фолиевая кислота (лат. {оИит—лист), который является одним из скрытых ингредиентов шпината, известного своими противоанемическими свойствами. ТГФ не только несет активированную формильную группу к различным формилтрансферазам, но нередко «предлагает» ее некоторым модифицирующим фер-ментам, способным переводить ее в метениловую (—СН=), метиленовую (—СН2—), гидроксиметиленовую (—СНгОН), метиль — ную (—СНз) или формиминовую (—СН=ЫН) группы. Каждая группа принимает участие в ряде реакций переноса. Таким образом, мы имеем дело с весьма «многосторонним» коферментом, который действует одновременно и как носитель, и как «рукоятка» для активированных групп. Среди многих веществ, образование которых зависит от ТГФ, назовем аминокислоту метионин (см. с. 162—163), пури — новые основания и пиримидиновое основание тимин, один из компонентов ДНК Реакции, зависящие от рр-переноса. С помощью этого механизма происходят два главных биологических процесса. В обоих карбоновая кислота (К—СО—О-) является строительным блоком, а АТФ используется в качестве энергетического донора; оба зависят от АМФ-образующей лигазы для создания стабильного, растворимого ацилнесущего комплекса при помощи связанного с ферментами ацил-АМФ — посредника:
Одним из таких процессов является синтез белка, в котором аминокислоты являются X—О — строительными блоками, а соотвзтствующие транспортные РНК (тРНК) — носителями. Отметим, что полипептидные цепи растут с «головы» (см. с. 154—155). Это означает, что между промежуточной и конечной стадиями сборки в приведенной схеме имеется дополнительная стадия, на которой комплекс носитель —СО—К (аминоацил-тРНК) выполняет роль акцептора растущей цепи.
В другом процессе, также происходящем с помощью трехступенчатого ^-механизма, используется набор органических кислот, среди которых имеются жирные кислоты, обнаруживаемые в липидах в качестве строительных блоков X—0~, и кофермент А, выступающий в роли носителя. Своим названием последний обязан тому, что впервые его обнаружили как кофактор в реакциях ацетилирования. Он является производным витамина Р, или пантотеновой кислоты, — повсеместно распространенного вещества (греч. рап1о1Неп — всюду); в свое время оно получило весьма сомнительную известность как восстановитель волосяного покрова: нехватка витамина вызывает преждевременное поседение у крыс.
Кофермент А — сложная молекула, со-держащая, помимо пантотеновой кислоты, несколько других составляющих, в том числе молекулу АМФ. Это вещество имеет в своем составе тиольную группу (—5Н) в качестве реактивного конца и сокращенно обозначается КоА—5Н. Производными ацил-КоА являются тиоэфиры, которые, как мы уже отмечали, представляют собой высокоэнергетические соединения с «физиологическими» групповыми потенциалами порядка —14 ккал/г-моль. Тем * не менее их образование высокоэкзергонично, так как требует 28 ккал/г-моль.
Основными акцепторами V—Н-ациль — ных групп, представляемых коферментом А, являются спирты:
Получаемые в результате реакции эфиры — низкоэнергетические соединения, которые осуществляют заключительный перенос и делают его практически необратимым процессом. Среди молекул, образующихся таким образом, имеются нейромедиатор ацетилхолин (уксусная кислота плюс холин), различные эфиры жирных кислот и глицерин, обнаруживаемые в нейтральных липидах и фосфолипидах, а также ряд других веществ. Кофермент А участвует в ряде других важнейших реакций как медиатор активированных ацильных групп, метаболическая «рукоятка» и участник некоторых окфос-блоков субстратного уровня. (Вспомните роль тиоэфирных связей в работе таких блоков, о которых шла речь на с. 151 —153.) Это ключевой участок клеточного механизма.

Материалы за 01.10.2010

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.

Необходимое снаряжение для подводного плавания

Разрешите сделать последнее замечание, пока мы еще не отправились в путь. Клетки живут в воде, даже если организмы, частью которых они являются, живут на суше. Возьмем, например, наши собственные клетки. За исключением внешних слоев кожй, состоящих из мумифицированных, мертвых клеток, все клетки нашего тела погружены в какую-нибудь жидкость, будь то кровь или производное от нее. Точно так же клетки растений омываются растительным соком. Даже наиболее устойчивые бактерии нуждаются во влаге. Они могут выжить и в отсутствие влаги, но только переходя в состояние спячки; все процессы приостанавливаются, и это состояние длится до тех пор, пока вода не вернет их к жизни. Состояние спячки может наступать и в жизни более сложных клеток, например плесени или семян.
Таким образом, путешественники в мир живой клетки напоминают исследователей подводного царства из фильмов Жака Кусто. Они путешествуют вплавь, ибо без воды многое из того, чем они любуются, сморщилось бы наподобие тех хрупких существ, которые покрывают поверхность подводных камней.
Итак, наденьте акваланг и прыгайте в воду.
Мы отправляемся в путь!

Доктор, каково это — понять, что вы сделали искусственную жизнь? Интервью Крейга Вентера

В первый раз появилась жива клеточка, стопроцентно управляемая искусственно синтезированной хромосомой, сказал в интервью The Independent Крейг Вентер, управляющий исследователей. «В первый раз человек сделал полностью хромосому из 1,08 млн пар оснований и трансплантировал ее в клеточку, а хромосома в первый раз взяла под контроль клеточку и фактически превратила ее в существо нового вида, определяя его характеристики», — объяснил он. «Считаете ли вы, что это искусственная жизнь?» — спросил корреспондент Стив Коннор.
Крейг ответил утвердительно, пояснив, что ученые начали с живой природной клеточки, но синтетическая хромосома стопроцентно преобразила эту клеточку, так что вышла искусственная: «Единственная ДНК в клеточке — синтезированная, единственные белки — закодированные в синтезированной ДНК». «Мы сделали новейшую жизнь на базе уже имеющейся: при помощи синтетической ДНК перепрограммируем клеточки, превращая их в новые, с данной ДНК», — добавил ученый.
В качестве «подопытного зайчика» была выбрана амеба Mycoplasma mycoides, потому что ученые знали о ее био активности. Искусственная амеба живет в лаборатории в специальной среде и без помощи других плодится, но во наружной среде выжить не может, сказал Крейг.
По словам ученого, создание бактерии шло нелегко: когда в геноме допустили всего одну ошибку из более чем миллиона, клеточка не оживилась. Конечная цель исследовательских работ — разобраться в природе жизни и ответить на вопрос, какой малый набор генов нужен, чтоб существо оживилось. «Мы не знаем всех функций генов какой-нибудь раздельно взятой клеточки», — увидел Крейг.
Как выделил ученый, способ также позволит создавать живы организмы со особыми функциями — к примеру, создавать новые виды горючего из углекислого газа либо срочно синтезировать новые вакцины.
«Я сравниваю это с 1940-1950 годами, когда революция в электронике только начиналась. Те, кто тогда моделировал схемы, навряд ли представляли для себя телефоны либо индивидуальные компы», — увидел Крейг. Меж тем в наиблежайшие 30-40 лет население Земли должно возрости с 6,8 миллиардов человек до 9 миллиардов, и нужны революционно-новые технологии, чтоб прирост населения не спровоцировал экологической катастрофы.
«Вы играете в сотворение жизни, как будто вы Бог?» — спросил корреспондент. «Мы об этом уже гласили: это клише всякий раз вспоминают, когда в науке, в особенности в биологии, совершается радикальное открытие», — ответил Крейг. Он заявил, что наука старается использовать новые зания на благо населения земли, но следует бояться использования новых открытий в дурных целях. «Я предложил новые регуляторные меры в этой области: думаю, что имеющихся недостаточно», — добавил Крейг.
«Вентер немного приоткрыл важнейшую дверь в истории населения земли. Он не просто делает искусственные копии живых созданий либо подвергает их генетической модификации, он движется к роли Бога: делает искусственную жизнь, которая никогда бы не появилась в природных критериях. Нам нужны новые эталоны оценки безопасности схожих исследовательских работ и механизмы их защиты от использования военными либо террористами в предосудительных целях», — увидел доктор Оксфордского института, спец по прикладной этике Джулиан Савалеску.

Химический подход

К тому времени, когда микроскописты трудились над усовершенствованием своих приборов, относится второй этап изучения клетки — начало ему положили открытия таких ученых, как француз Антуан де Лавуазье, англичанин Джозеф Пристли и другие; в конце XVIII в. они создали новую науку — химию. В отличие от морфологии, которая развивается от сложного к простому, химия продвигается от простого к сложному. Начиналась химия с идентификации элементов, атомов и затем про-двигалась по пути изучения некоторых их более простых комбинаций молекул. Исторической вехой проникновения химии в живой мир является впервые проведенный немецким ученым Фридрихом Вёлером в 1828 г. синтез биологической молекулы — мочевины. Это позволило пересечь границу между неорганической и органической химией, которая, по мнению многих, могла быть преодолена только с помощью «жизненной силы».
Следующие сто лет отмечены значительными успехами в наших представлениях о химическом составе живых клеток. Были открыты, очищены, структурно изучены и получены синтетическим путем аминокислоты, сахара, жиры, пурины, пиримиднны и другие небольшие существующие в природе молекулы. Ученым удалось в известной мере составить представление о метаболизме этих веществ в организме и путях образования из них основных биологических молекул: белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот. Но тут опять возникли труднопреодолимые препятствия на пути к прогрессу. Перед сложностями структурной комплексности, обнаруженными в этих крупных молекулах, классическая химия оказалась почти бессильной.