Molecular Biology of the Cell: пост 12
Сегодня пару слов о специализации клеток.
Рассмотрим в самых общих чертах три разных типа клеток человеческого организма (которых около 220). Не будем углубляться в детали, потому что про детали пишут целые учебники, а мы ни разу не микробиологи. Итак:
Нервные клетки (нейроны)
Как и полагается, эти клетки содержат ядро, органеллы, про которые рассказывалось в предыдущий раз, и все это окружено мембраной, состоящей из знакомого нам двойного липидного слоя. Поверхность клетки, однако, не совсем простая. Она образует отростки, называемые дендритами и аксонами. Мембрана содержит интегральные белки, служащие для транспорта питательных веществ, а также специальные белки, свойственные нервным клеткам: одни реагируют на внешние раздражения, другие действует как ионные каналы. Последние белки называют ионными насосами обменниками. Общий принцип работы нервной клетки заключается в следующем: при наличии раздражения воспринимающие его молекулярные рецепторы в местах контакта (синапс) с другой клеткой вызывают генерацию специальных веществ внутри клетки, которые сопровождаются изменением электрического потенциала мембраны. Это изменение передается вдоль поверхности аксона и далее к другим нервным клеткам опять же через синапсы. Разные типы нервных клеток осуществляют отправку сигналов в нервную систему (клеткам кожи горячо, мозг, сделай что-нибудь!) и доставку из нервной системы к другим клеткам (мозг решил сократить мышечные волокна).
Неправильно думать, что при работе этой системы передается электрический заряд, потому что передается только сигнал. Модель передачи электрического заряда не будет работать, ибо амплитуда сигнала быстро затухнет из-за конечного сопротивления канала передачи. Вся игра ведется на перекачивании положительных ионов натрия и калия через мембрану с помощью ионных насосов (особые молекулы, интегрированные в оболочку клетки). В нормальном состоянии потенциал мембраны поддерживается на уровне около -70 мВ. Таким образом, получается что-то вроде химической батареи, энергия для работы который берется из уже знакомых нам молекул АТФ, причем порядка 70% от них у нейрона идет на поддержание мембранного потенциала. В момент раздражения мембранный потенциал меняется (открываются ионные каналы для наружных ионов натрия, в нормальном состоянии закрытые), эти изменения распространяются вдоль поверхности, что конечном счете активизирует передачу сигналов через контакты синапсы другим клеткам за счет выработки специальных веществ трансмиттеров.
Структура нейрона
Click to viewВидео1
Схема работы нитрий-калиевого насоса. Интегральный белок, выполняющий роль насоса ионов сквозь мембрану, создает дефицит ионов натрия и избыток ионов калия внутри мембраны, перенося три иона первого вида наружу клетки, и два иона второго вида внутрь клетки. Третичная структура (конформация) белка меняется за счет энергии из молекулы АТФ.
Mышечные клетки (миоциты)
Эти клетки содержат вытянутые структуры состоящие из белков миозина и актина. В момент изменения мембранного потенциала активизируется выход положительных ионов кальция внутри клетки. Кальций активизирует выход энергии, запасенной в молекулах АТФ, что, в свою очередь, заставляет нити белков вдвигаться друг в друга, мышца в это время сокращается. После возвращения мембранного потенциала к нормальному уровню концентрация ионов кальция падает, и белки опять раздвигаются, вызывая расслабление мышцы. Побуждением к сокращению является сигнал, переданный через нервные клетки с помощью синапсов. Как уже сказано, они активизируют передачу веществ, запускающих процесс высвобождения ионов кальция в мышечных клетках.
Видео2
Модель работы сокращения мышц.
Клетки тонкого кишечника (энтероциты)
Они составляют верхний слой ворсинок тонкого кишечника и осуществляют мембранный транспорт веществ в кровь и лимфу. На их поверхности расположена сеть молекул-ферментов, расщепляющих пищу на макромолекулы, которые затем на поверхности мембраны расщепляются с помощью мембранных ферментов на мономеры, например, аминокислоты, моносахариды. Затем мономеры транспортируются внутрь клетки с помощью т.н. активного транспорта. Этот вид переноса веществ происходит против градиента концентрации, что автоматически означает необходимость энергетических затрат для его осуществления. Энегрия опять берется из АТФ молекул. Важные участники такого транспорта - те самые натриевые ионные насосы. Для предотвращения попадания ненужных структур (молекул или бактерий) над поверхностью мембраны расположено молекулярное сито - сеть молекул, образующая физический барьер.
Ну и что?
Как видно, клетки в человеческом организме (да и в любом другом эукариотическом многоклеточном организме) совешенно разные. Разные они не только по форме, но и по набору инструментария, который производится клеткой для выполнения определенных функций. А теперь вопрос: как получаются такие разные клетки? Ведь в каждой клетке находится одна и та же ДНК! Ответ на этот вопрос уже проскальзывал в предыдущих обсуждениях: ДНК действительно содержит полный набор информации, необходимый для производства всех белков для всех типов клеток. Но какие гены выключать в нужном типе клеток, определяют регуляционные механизмы.
Если говорить о бактериях, естественный отбор в конечном счете оставил клетки с маленькими геномами, как было сказано ранее. Напротив, геномы большинства эукариотов могли свободно увеличиваться в размерах. Возможно, хищнический тип жизни сделал большие размеры преимуществом: хищники должны быть больше своих жертв, а размер генома примерно пропорционален размерам клетки. Этот размер на два-три порядка больше, чем у бактерий.
Большие размеры геномов у эукариотов означают не только большее количество генов, кодирующих различные протеины. Это также означает наличие большого количества участков, не кодирующих никакие белки. В геноме человека около 98.5% ДНК бесполезна (по сравнению с 11% у бактерий), если говорить о построении белков, выполняющих всяческие функции. Такое большое количество ненужного хлама, накопившегося в ДНК человека, возможно по причине отсутсвия потребности в компактности генома с точки зрения эволюции. Просто намного легче было оставлять ненужные части, чем тщательно отфильтровывать ненужные участки ДНК и избавляться от них, благо размер клетки это позволяет.
“Хлам”, о котором сказано выше, на самом деле содержит полезные регуляционные участки. Они позволяют контролировать, какие белки производить в данной клетке, а какие не надо. Эта сложная система контроля включения/выключения определенных генов чрезвычайно важна дла построения многоклеточного организма. Все клетки образуются из одной единственной, и их специализация (или дифференцировка) начинается уже на самом начальном этапе роста эмбриона. Клетки постепенно проходят несколько стадий, самая последняя из которых заканчивается тем, что клетка полностью заточена на выполнение определенных функции, например, она становится частью нервной или мышечной системы. Именно так из одной "протоклетки" вырастает многоклеточный организм, в ктором все клетки не похожи друг на друга. Возможен и обратный процесс, но он наблюдается только у низших форм животных и у растений (так из сформированных на сломе растения дедифференцированных клеток отрастают корни). У взрослого человека все клетки узкоспециализированы, но есть немного клеток, которые находятся в неком общем состоянии: они готовы пройти процессы дифференцировки, чтобы восполнить потерю нужных клеток (например, восполнение кровяных клеток или поврежденных тканей). Эти клетки называют стволовыми, они используются в трансплантации для восстановления кровяных клеток при лечении соответсвующих болезней.
Кроме того, окружающая среда также воздействует на сенсоры клеток, тем самым включая нужные гены, т.е. имеет место обратная связь (это когда результат работы системы влияет на ее параметры).
Как работает регуляция генов? Геном содержит гены, отвечающие за специальные белки, которые взаимодействуют (косвенно или непосредственно присоединением) на регуляционные участки, находящиеся рядом с регулируемыми генами. Таким образом подавляется или активизируется, например, транскрипция последних.