«Чудесная жизнь клеток. Как мы живем и почему мы умираем» Льюис Уолперт
Самой важной функцией клетки является ее способность образовывать новые клетки, что происходит благодаря ее увеличению и последующему делению.
Содержимое готовящейся к делению клетки удваивается, чтобы каждая из двух дочерних клеток получила все, что ей требуется: гены, белки, митохондрии, клеточную оболочку и множество других необходимых молекул. Чтобы это стало возможным, клетка должна сначала значительно вырасти. И действительно, перед моментом разделения клетка весьма увеличивается в размерах.
Перед разделением клетки должна быть продублирована и находящаяся внутри клеточного ядра молекула ДНК. Это единственная молекула клетки, которая подвергается точному дублированию, и это не случайно - в ДНК содержится информация, на основе которой образуются белки, выполняющие основные жизненно важные функции внутри клетки. Специальные белки отвечают за то, чтобы соединить длинные молекулы ДНК в нити хромосом, которые образуют систему витков и петель, благодаря чему ДНК не переплетаются ни друг с другом, ни с другими хромосомами. Точная копия каждой из 46 хромосом, содержащихся в каждой клетке нашего тела, во время процесса митоза переходит в каждую из двух дочерних клеток.
Все другие компоненты клетки также должны быть продублированы перед ее разделением. Каждая митохондрия - а митохондрий в каждой клетке содержится несколько сотен - также будет скопирована вместе с содержащейся внутри нее спиралью ДНК. Во время роста клетки перед ее делением происходит синтез новых белков, жиров и углеводов, и во всех этих процессах ведущую роль играют белки.
Простые одиночные клетки, такие, как клетки дрожжей, делятся каждые два часа. У большинства же клеток цикл жизнедеятельности от одного деления до другого занимает обычно 24 часа. Этот цикл разбит на четыре фазы. Первой и самой длительной является фаза роста. Во время второй фазы происходит дублирование хромосом со всеми их ДНК и генами. За ней следует третья фаза, подготовка к делению, и после нее наступает четвертая - деление клетки, то есть митоз.
Процесс деления клетки имеет основополагающее значение для ее жизнедеятельности, поэтому нет ничего удивительного в том, что существует особая система контроля за делением, которая обеспечивает то, что непосредственное физическое разделение клетки происходит только в нужное время, а не раньше того, например, момента, когда будут точно и достоверно продублированы хромосомы. Сам митоз происходит в течение относительно короткого времени - не более одного часа, однако подготовка к нему может длиться от 12 до 24 часов. В рамках цикла жизнедеятельности клетки существуют отдельные контрольные точки, которые обеспечивают правильное и последовательное прохождение всех подготовительных фаз деления. Ни одна следующая фаза не может начаться до того, пока она не будет полностью подготовлена.
Время и последовательность событий в каждой фазе контролируются в основном за счет специальных белков, называемых циклинами, концентрация которых по необходимости возрастает и убывает. Циклины позволяют исполнять свои функции другим белкам клетки главным образом за счет того, что либо присоединяют к белку главный источник энергии - фосфор, производимый молекулами АТФ, либо, наоборот, отнимают его. Например, ряд циклинов начинает вырабатываться сразу же после разделения клетки в процессе митоза, и их концентрация постепенно нарастает в течение всего периода жизнедеятельности клетки вплоть до начала следующего митоза, наступлению которого эти циклины и способствуют. В момент, когда завершение митоза близится, концентрация циклинов резко снижается, а затем постепенно начинает нарастать вновь. Эта последовательность роста и снижения концентрации циклинов в клетке повторяется вновь и вновь. Другие виды циклинов вызывают начало других важных процессов внутри клетки - например, таких, как синтез ДНК.
Внутри клетки имеются контрольные и ограничительные механизмы, действующие на всем протяжении ее роста и деления. Главный механизм включается в самом начале цикла, перед тем как клетка начнет синтезировать новый набор хромосом и дублировать содержащиеся в ней ДНК. И если в спирали ДНК имеются повреждения, то синтез новой ДНК не начинается. В выполнении этих контрольных функций участвует крайне важный белок «р53», который откладывает начало синтеза ДНК до тех пор, пока повреждение ДНК не будет восстановлено. Его воздействие либо вызывает прекращение роста и деления клетки, либо приводит к самоуничтожению клетки ради того, чтобы в организме не появлялись раковые клетки с поврежденными ДНК.
Этот же контрольный механизм определяет, имеются ли благоприятные условия для роста и деления клетки - скажем, есть ли необходимые питательные вещества. Если результаты такой проверки оказываются неудовлетворительными, то весь процесс роста и деления клетки приостанавливается. Оказавшаяся в подвешенном состоянии клетка может оставаться пассивной в течение длительного времени. Перед митозом вступает в действие другой контрольный механизм, который должен проследить за тем, чтобы все спирали ДНК оказались продублированными. Существуют также контрольные механизмы, которые выявляют поврежденные хромосомы перед разделением клетки и откладывают митоз клетки до устранения повреждения.
Процесс дублирования хромосом прямо связан с особенностями структуры ДНК. Главным открытием в области ДНК, случившимся в 1953 году и дополнившим то, что ранее обнаружили Уотсон и Крик, стало обнаружение спиралеобразной структуры ДНК. Ученые выяснили, что ДНК состоит из двух спирально закрученных вокруг друг друга цепочек, построенных из четырех различных типов нуклеотидов. Молекулы ДНК лежат в основе 46 наших хромосом. Каждая хромосома представляет собой длинную молекулу ДНК, состоящую из двух цепочек, закрученных в знаменитую двойную спираль. При этом сами цепочки ДНК представляют собой набор из связанных воедино четырех различных видов нуклеотидов, благодаря которым саму ДНК следует считать разновидностью нуклеиновой кислоты.
Четырьмя различными видами нуклеотидов являются аденины (А), цитозины (Ц), тимины (Т) и гуанины (Г). Цепочка ДНК представляет собой набор отдельных нуклеотидов, соединенных друг с другом в строгой последовательности. Нуклеотиды всегда располагаются так, что аденин (А) в одной нити спирали ДНК соответствует цитозину (Ц) в противоположной нити, а тимин (Т) соединен с аденином (А), и так далее. Благодаря такому соединению и образуется двойная спираль ДНК. Поскольку одна нить молекулы ДНК в плане расположения в ней нуклеотидов четко соответствует другой нити, и наоборот, дублирование спирали ДНК не вызывает затруднений: каждая из нитей ДНК служит матрицей, согласно которой формируется ее точная копия. Когда начинается формирование одной нити спирали ДНК, одновременно с ней в строгой последовательности начинает формироваться и другая нить, пока не образуется двойная спираль ДНК, являющаяся точной копией уже присутствующей в данной клетке. Подобный порядок формирования ДНК делает эту молекулу уникальной и позволяет ей служить главным передаточным механизмом наследственной информации от поколения клеток - или людей - в другое поколение.
Процесс дублирования спирали ДНК начинается с того, что белки способствуют разведению в разные стороны нитей, из которых состоит эта спираль. Разведение нитей в разные стороны начинается одновременно в нескольких местах. Процесс этот идет довольно быстро - за одну секунду разводятся в разные стороны до ста нуклеотидов. Затем белковый механизм, отвечающий за дублирование ДНК, принимается строить новую двойную спираль ДНК, используя каждую из разведенных нитей в качестве матрицы и помещая нуклеотиды на точно обозначенные места. Процесс синтеза новой двойной спирали ДНК происходит сразу с двух направлений. В результате вместо одной первоначальной молекулы ДНК образуются две новые, совершенно одинаковые.
Когда процесс репликации достигает концевых участков нити ДНК, возникает проблема их недорепликации из-за нехватки места для воспроизведения цепочки ДНК. Эта проблема решается за счет того, что на концевых участках хромосом существуют особые структуры, которые называются теломерами («теломер» по-гречески означает «концевой участок»). При каждом следующем делении клетки участок теломер на конце спирали ДНК становится все короче, если только специальные энзимы не восстанавливают длину участка теломер в прежнем виде. Чем большее число раз делится клетка, тем короче становится участок теломер. Если спираль ДНК утрачивает участок теломер, то ее репликация становится более невозможной. Укорачивание участка теломер на концах хромосом может являться одним из факторов старения организма.
Ошибки при репликации хромосом встречаются крайне редко, как если бы появлялась одна неправильная буква при перепечатке тысячи книг. Однако неправильное размещение даже одного-единственного нуклеотида в цепочке ДНК может привести к серьезным последствиям, и для того, чтобы предотвратить или скорректировать подобные сбои во время репликации, существует особый механизм.
Каждая дочерняя клетка должна получить свой набор хромосом, абсолютно идентичный хромосомам, присутствующим в изначальной материнской клетке. После завершения процесса дублирования хромосомы переходят в компактное состояние и становятся ясно различимыми в микроскоп. Именно в таком состоянии их удалось увидеть впервые. После этого хромосомы должны разделиться и перейти каждая в свою часть клетки, чтобы в дальнейшем образовались две дочерние клетки с одинаковым набором хромосом.
Процесс деления клетки называется «митоз», и главным инструментом его осуществления становится митотическое веретено деления. Как и подразумевает это название, оно представляет собой веретенообразную структуру, построенную из микротрубочек, которые, в свою очередь, созданы из белков. Микротрубочки обладают способностью быстро собираться в определенных местах, реагируя на необходимые химические сигналы, и так же быстро рассасываться. Их относительная нестабильность позволяет им быстро перестраиваться и принимать любые формы, поэтому они активно участвуют в процессе разделения клетки и расхождении хромосом. Своим видом митотическое веретено напоминает рождественское печенье, концы которого имеют звездообразную форму. Эти звездчатые зоны называются цитастерами.
При митозе центральная часть веретена начинает выпячиваться в районе клеточного экватора; к этому месту в последующем устремятся хромосомы. Само веретено деления имеет два полюса. Они состоят из белков и являются системообразующими элементами веретена. В самом начале митоза оба этих полюса находятся вместе внутри клеточного ядра. Затем они отделяются друг от друга и начинают движение к противоположным концам ядра, и между ними вытягивается тело самого веретена деления. После этого оболочка клеточного ядра разрывается, и хромосомы двигаются в направлении экваториальной плоскости веретена. Там они прикрепляются к микротрубочкам так, что каждая пара хромосом оказывается разделенной. При взаимодействии микротрубочек полюса веретена расходятся к противоположным сторонам клетки, в результате чего веретено растягивается в длину.
Затем сила, заставляющая реплицированные хромосомы держаться вместе, перестает действовать, и хромосомы с равномерной скоростью расходятся к противоположным полюсам веретена деления. В результате у каждого из полюсов образуется одинаковый набор хромосом, вокруг которого сразу же начинает формироваться ядерная оболочка, и образуются два новых клеточных ядра. Теперь клетка полностью готова к тому, чтобы разделиться на две.
Представьте себе, как вы завязываете веревку вокруг детского шарика и затем начинаете тянуть за оба конца этой веревки так, что середина шарика сжимается и у вас в руках образуется сразу два шарика. В разделяющейся клетке роль подобной веревки играет поперечная клеточная перетяжка, которая формируется внутри клетки и располагается между двумя вновь созданными ядрами будущих дочерних клеток. Положение поперечной перетяжки определяют цитастеры веретена деления. Перетяжка начинает воздействовать на клеточную оболочку, создавая силу давления на нее. Взаимодействие цитастер с участками клеточной оболочки в районе полюсов веретена деления приводит к тому, что давление на оболочку в этих местах ослабевает, но при этом продолжается в экваториальной плоскости, где образуется кольцо из актиновых и миозиновых филаментов. Постепенно образуется борозда деления, которая углубляется вплоть до полного разделения клетки и образования двух дочерних. Так происходит размножение клеток.
Второй важнейшей особенностью жизни является поддержание порядка внутри клетки.
Синтез новых молекул во время фазы роста клетки, движение материи внутри клеток и сокращение мускульных клеток, вывод из клеток солей натрия - все это требует расходов энергии.
Питание клеток осуществляется за счет той еды, которую мы потребляем, и именно она служит их основным источником энергии. Энергия же вырабатывается благодаря соединениям атомов кислорода и водорода, содержащимся в молекулах углеводов и жиров и в других молекулах, поставляющих питание клеткам.
Органами, отвечающими за выработку энергии в клетках животных, являются митохондрии. Они производят основной источник внутриклеточной энергии - АТФ, аденозинтрифосфорную кислоту. Объемы внутриклеточной активности обычно зависят от того, сколько в них используется молекул АТФ. Мы едим и дышим прежде всего для того, чтобы наши клетки могли вырабатывать АТФ. А АТФ необходима, чтобы обеспечивать энергией все происходящие внутри нас процессы. Когда мы занимаемся физическими упражнениями, мы ускоренно потребляем эту энергию, и именно это приводит к усталости.
АТФ является универсальным источником энергии для всего, что происходит внутри клетки - от мускульных сокращений до синтеза белков. Когда молекула АТФ вырабатывает энергию, жертвуя для этого одной из трех своих фосфатных групп, то она превращается в АДФ - аденозина дифосфат. АДФ может затем быть вновь превращена в источник энергии благодаря тому, что митохондрия снова присоединит к ней фосфатную группу, которая образуется при расщеплении углеводов.
Клетки заботятся о том, чтобы, расщепляя еду на молекулы ради получения энергии или строительного материала, по ошибке не расщепить собственные молекулы. Отчасти эта задача решается за счет того, что первичное расщепление пищи происходит в небольших клеточных органеллах, которые называются лизосомами. В лизосомах содержатся энзимы, помогающие перевариванию пищи. Следующая и самая важная фаза процесса происходит в митохондриях, куда поступают продукты переваривания пищи и где происходит разрушение молекул углеводов и выработка на основе этого АТФ. Там вырабатывается большая часть энергии, и ключевым элементом для этого служит кислород.
Большинство вырабатываемых в нашем организме молекул АТФ - результат деятельности митохондрий. Впоследствии мы установим, что митохондрии - это не что иное, как бактерии, видоизмененные в процессе эволюции для того, чтобы обеспечивать энергией клетки нашего тела. Процесс производства митохондриями АТФ происходит на протяжении уже миллиардов лет. Его механизм достаточно сложен, он основан на прохождении через оболочки митохондрий электронов. Митохондрии имеют двойную оболочку - внешнюю и внутреннюю. При этом внешняя оболочка митохондрий обладает большой степенью проницаемости, в то время как внутренняя проницаема гораздо в меньшей степени.
Попадая в пространство между внешней и внутренней оболочками митохондрий, электроны заставляют двигаться протоны - ионы водорода. Протоны устремляются вдоль оболочки и проходят через специальный белковый механизм, который производит АТФ путем добавления одной фосфатной группы к АДФ. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется примерно тридцать молекул АТФ.
Ключевыми факторами смерти клетки являются непоправимые повреждения оболочки клетки и митохондрий, в результате чего перестает вырабатываться энергия, необходимая для жизнедеятельности. И, как и все, что связано с клетками, механизм их смерти способен удивить.
Точно так же, как в процессе эволюции развились сложные системы, отвечающие за рост и размножение клеток и позволяющие корректировать различные сбои в их работе, развились и механизмы, обеспечивающие самоубийство клеток. В нас ежедневно умирают миллиарды клеток костного мозга и пищеварительного тракта. Смерть клеток в результате самоубийства кардинальным образом отличается от их гибели, вызванной различными травматическими воздействиями, ибо во втором случае содержимое клетки выплескивается наружу и может вызвать воспалительные процессы.
Самоубийство клеток называется апоптозом. На него в соответствующих обстоятельствах запрограммированы все клетки, за исключением кровяных, которые не имеют ядра. Когда программа апоптоза начинает осуществляться, клетка уменьшается в размерах, и все, что находится внутри ее, расщепляется и погибает в результате воздействия особых энзимов. Особые белые кровяные тельца, отвечающие за очистку тканей нашего организма, получают в случае апоптоза сигнал и устремляются к умершим клеткам, чтобы поглотить их содержимое - дабы оно не выплеснулось наружу и не навредило окружающим клеткам.