Рафаил Нудельман: Загадки, тайны и коды нашего тела. Занимательная физиология человека
Двигатели молекулярного размера
Два главных внутриклеточных молекулярных мотора - это динеин и кинозин. Удобнее, однако, начать разговор обо всех этих «великолепных машинах», как назвал молекулярные моторы один из исследователей, с третьего основного мотора - того миозина, что вместе с актином, образующим клеточный «скелет», заведует мышечными сокращениями, а через них - всеми МАКРО движениями наших тел. Мышцы движут нашими конечностями (через особые тяжи, состоящие из длинных белковых волокон). Мышцы заведуют биениями нашего сердца, деятельностью легких, движениями языка и голосовых связок, перистальтикой кишечника и многими другими механическими действиями в нашем организме. Есть мышцы, заведующие выдавливанием жидкости из почек и подрагиваниями кровеносных капилляров, подталкивающих кровь к клеткам. Есть даже крохотные мышцы, управляющие сокращениями и поворотами нашего зрачка. И как не упомянуть о мускульчиках, заставляющих волосы на коже вставать дыбом от холода, а саму кожу при этом дрожать, чтобы выделять согревающую нас энергию!
Как ни различны все эти мышечные клетки, механизм их действия всегда одинаков и притом тот же самый, который движет клетками, когда они ползут или делятся. Если клетки мускулов и отличаются чем-то от других клеток, то лишь концентрацией молекулярных моторов. Эта повышенная концентрация дает им силу. Кроме того, архитектура этих моторов в мышечных клетках постоянна, а в других клетках меняется по мере надобности.
Архитектура эта такова. Внутри каждой мышечной клетки имеются длинные волокна белка миозина. Каждая молекула миозина выглядит как палочка, конец которой расходится двумя шариками. Эти молекулы группируются по 400 в связке так, что прямые их концы лежат параллельно, а головки-шарики расходятся во все стороны, точно букет цветов. Параллельно этому букету со всех сторон расположены длинные волокна белка актина, и каждая миозиновая головка присоединяется к одному такому волокну. Всё это вместе образует один сегмент мышечного волокна. Волокно в целом представляет собой множество таких сегментов, идущих вдоль него друг за другом. И таких волокон в клетке много. И клеток в мышце много. И концы всех волокон во всех клетках крепятся к одному и тому же тяжу. Поэтому при сокращении актиновых волокон один тяж тянет сразу миллионы молекул.
Такое устройство обеспечивает мышцам их силу. Но за эту силу приходится расплачиваться. Каждое сокращение мышечной клетки забирает энергию у ее энергетических машин - уже хорошо известных нам молекул АТФ, а также оставляет после себя определенные химические «отходы» (молекулы молочной кислоты). В результате мышцы постепенно устают. Систематическая тренировка, вроде ходьбы или плавания, создает в мышечных клетках больше АТФ и больше кровеносных сосудов, поставляющих кислород и питательные вещества и удаляющих «отходы», и потому улучшает работу мышц, повышая их выносливость. А вот тяжелые упражнения, вроде подъема штанги, увеличивают лишь количество мышечных волокон, подготавливая их к резким нагрузкам (как происходит такое увеличение, пока непонятно), но выносливости не повышает.
Как, однако, происходит само сокращение каждого мышечного сегмента? Все начинается с прихода нервного сигнала. Этот крошечный электрический импульс открывает воротца в оболочке нервного волокна, т. н. ионные каналы, и внутрь нерва входят ионы кальция немного, считанные десятки, но и этого вполне достаточно, чтобы вызвать появление в нервном волокне множества пузырьков, наполненных нейротрансмиттером ацетилхолином. Эти пузырьки достигают того конца волокна, где оно соединяется с мышечным сегментом, там молекулы ацетилхолина выходят из пузырьков и сочленяются с рецепторами мышечного волокна, и это понуждает мышечную клетку выделять из своих ячеек новые ионы кальция, которые садятся на волокна актина в тех местах, где к нему прикасаются головки молекул миозина. Обычно эти места соединения актина в следующем месте, заставляя его еще немного сократиться. То же самое происходит одновременно со всеми волокнами актина окружающими данную группу миозиновых молекул. Все они сокращаются и в то же время сближаются друг с другом. В результате мышечное волокно в целом становится короче и толще, а все его актиновые молекулы разом тянут коллагеновый тяж, к которому прикреплены их вторые концы (первые прикреплены к костям скелета), и приводят его в механическое движение, которое затем передается соответствующему органу или конечности.
Это, конечно, упрощенная картина. В действительности механизмы работы мышечных клеток куда более разнообразны: так, например, сила скелетных мышц обусловлена еще и тем, что отдельные их клетки вдобавок соединены в т. н. «суперклетки»; а с другой стороны, в организме существуют другие мышцы, не скелетные, а заведующие движениями внутренних органов, и этим мышцам, в отличие от скелетных, приказы отдает подсознательная часть мозга - мы даже не сознаем, что управляем своими внутренними органами. А вот, к примеру, сокращения сердечной мышцы контролируются, кроме того, еще и маленькой, с монету величиной, группой нервных клеток т. н. «ритмизатором», который расположен у вершины сердца (и который, как известно, можно заменить искусственным прибором для управления сердечным ритмом). Можно было бы привести множество других примеров такого разнообразия, но важно подчеркнуть, что в конечном счете работа всех без исключения мышц сводится к работе крохотных миозиновых моторов.
Кроме того всякий процесс мышечного сокращения начинается с прихода ионов кальция, а потому без кальция этот процесс не может происходить вообще, и этим фактом объясняются многие знакомые нам явления. Скажем, яд кураре, используемый первобытными охотниками Амазонки, парализует жертву как раз благодаря тому, что молекулы этого яда, попав в кровь, проникают к рецепторам ацетилхолина и «усаживаются» на них, так что, когда к этим рецепторам приходит сам ацетилхолин, свободных мест для него уже нет и процесс передачи сигнала на мышечное сокращение прерывается. Аналогично работает белок ботулин, вызывающий одно из опаснейших пищевых отравлений - ботулизм. А вот вирус полиомиелита попросту разрушает те нервные волокна, по которым с помощью кальция подаются сигналы на мышечное сокращение, и мышцы, оставшись без употребления, постепенно высыхают. С другой стороны, этот же «кальциевый привод» можно использовать в благих целях. Так, сердечные больные нуждаются в понижении ритма биений сердца, в противном случае оно при нагрузках будет требовать больше кислорода, чем способны дать сузившиеся из-за атеросклероза сосуды. Этим людям помогают т. н. «бета-блокаторы» - препараты, которые несколько блокируют кальциевые каналы, тем самым понижая уровень кальция и, соответственно, уменьшая размах сокращений сердечной мышцы.
Рассказ о миозиновом моторе можно было бы продолжать еще и еще, но, как мы уже говорили, список молекулярных моторов клетки не исчерпывается миозином. Более того, миозин, скорее, весьма специфический мотор, работающий исключительно в мышечных клетках. А вот все перемещения внутри обычных клеток осуществляют другие моторы. Первый из них - кинезин (от греческого kinesis, что значит «движение»). Это тот мотор, который осуществляет перемещение пузырьков-«контейнеров» по «транспортным» микротрубкам внутри клетки. Оказалось, что он работает по тому же удивительному принципу, который уже знаком нам по миозину: молекула мотора получает порцию химической энергии от АТФ; это приводит к изменению химических связей внутри молекулы, что влечет за собой изменение формы самой молекулы; а уже это изменение формы, в свою очередь, превращается в механическое движение.
Молекула кинезина по своей форме напоминает молекулу миозина- те же две округлые головки на длинной ножке, только в данном случае эта ножка расширяется и утолщается к концу. Двумя головками молекула хватается за поверхность микротрубки, а к торчащей вверх ножке крепится пузырек-«контейнер». Под воздействием АТФ происходит следующее: молекула изгибается так, что ее передняя головка уходит чуть дальше от задней и в результате хватается за микротрубку чуть дальше по ходу движения; затем молекула воз-вращается в исходное состояние так, что задняя головка вновь подтягивается к передней. Затем этот «силовой толчок» повторяется. В итоге пузырек, сидящий на ножке молекулы, рывками движется по микротрубке. Картина напоминает ползущую (или, если угодно, «шагающую») по ветке гусеницу. Скорость такого ползания, как уже говорилось, невелика - по измерениям Рииза и Шитца, около 35 см в сутки. Измерена также сила, развиваемая одной молекулой, - она составляет 5-7 пиконьютонов, чего достаточно, чтобы за полсекунды поднять груз, равный примерно двум тысячным веса рисового зернышка, на высоту 2 см.
Чуть ли не самое поразительное в этой удивительной картине движения «молекулярной гусеницы» состоит в том, что кинезин способен переносить пузырьки с необходимыми клетке химическими веществами только в одном направлении - от центра клетки к ее периферии. Почему - неизвестно, но дело выглядит так, будто микротрубки имеют какие-то поверхностные особенности, что-то вроде зубчиков, мешающих молекулам кинезина ползти в обратном направлении. Именно молекулам кинезина, потому что молекулы второго из двух главных клеточных молекулярных моторов-динеина преспокойно движутся по этим микротрубкам как раз в обратном направлении: от периферии к центру. Но зато (вы уже, конечно догадались?) они не могут двигаться от центра к периферии.
Сегодня считается, что в клетках действует не меньше полусотни молекул, переносящих или
передвигающих микрогруз, а если учесть еще необходимость перемещения многочисленных белков-ферментов по длине генетических молекул ДНК, то, может быть, таких моторов целая сотня. Но все они работают, как уже сказано, по одному и тому же фундаментальному принципу - принципу преобразования химической энергии в энергию изменения формы гибкой молекулы, которая за счет этого изменения оказывается способной хватать и перехватывать («руками» своих химических связей) некое гибкое длинное внутриклеточное волокно и в результате ползти по нему вместе с грузом.
Лишь некоторые белки (например, в линзе нашего глазного хрусталика) сохраняются многие годы; срок жизни большинства других исчисляется неделями или даже днями, а 20% всех белков удаляется в течение одного дня, или нескольких часов, или даже считанных минут, по принципу: сделал свое дело - убирайся. И это всегда разумно. К примеру, во время деления клетки ее генетические молекулы удваиваются. Пока это происходит, образующуюся пару держит рядом специальный белок, но если их не расцепить после удвоения, процесс деления клетки нарушится, что может привести к тяжелейшим последствиям, из которых смерть самой клетки будет самым благополучным. Стало быть, этот белок следует удалить, и притом сразу же после того, как он выполнит свою полезную роль, чтобы она не превратилась во вредную.
Расщепление клеточных белков не идет при отсутствии молекул т. н. АТФ - главных поставщиков энергии. В 1978 году сумели показать, что везде присутствует какой-то устойчивый и активный белок, который играет главную роль в разрушении других белков, подлежащих изъятию из внутриклеточного обращения. Вскоре выяснилось, что белок этот - давно известный убиквитин. Он называется убиквитином, потому что встречается во многих видах тканей и органов (ubique по-латыни - вездесущий) и по этой причине достаточно хорошо изучен. Убиквитин - небольшой белок, всего из 76 звеньев, но эта его структура и химический состав практически одинаковы у всех высших организмов - достаточно сказать, что убиквитиновые молекулы у дрожжей и человека отличаются всего тремя звеньями. Иными словами, природа, создав убиквитин, на протяжении миллиардолетий сохраняет его состав, и уже это указывает на какую-то необыкновенную его важность. Выработка убиквитина в клетках управляется двумя видами генов: одни порождают одиночные молекулы этого белка, другие, в которых один и тот же ген повторяется несколько раз, порождают целые цепи таких молекул. В 1980 году Гершко. Чехановер и Роуз сделали второе важное открытие выяснили, что энергия, требуемая для изъятия нежелательного белка (и получаемая от АТФ), идет на присоединение к этому белку целой цепи убиквитиновых молекул (этот процесс называется длинным словом «полиубиквитинация»).
В процессе присоединения убиквитина к белкам участвуют три особых фермента, которым были даны названия El, Е2 и ЕЗ. Клетка действительно расщепляла ненужные ей белки с помощью убиквитин-ферментной системы. Главные этапы этого поразительного процесса были выяснены во всех деталях.
Он состоит из трех этапов. На нервом этапе фермент Е1 активирует убиквитин - грубо говоря, готовит его к предстоящей работе. Эта подготовка состоит в том. что одно звено на конце убиквитиновой молекулы выдвигается в поисках нужного белка. На втором этапе фермент 13 распознает, какой белок нужно расщепить. Наконец, на третьем этапе фермент Е2, получив энергию от АТФ, соединяет выдвинутое звено убиквитина с одним из звеньев намеченного к расщеплению белка. Если в процессе участвовала только одна молекула убиквитина. то он повторяется, пока на белке не образуется целая цепь таких молем л. В таком виде комплекс «белок-убиквитин» распознается особой органеллой клетки - так называемой протеазомой. Тут-то и происходит желаемое расщепление белка.
Протеазом в клетке - порядка 30 тысяч. Все они предназначены природой для расщепления белка. Каждая из них выглядит как поставленная на попа нитяная катушка. С одного конца в «катушку» входит подлежащий расщеплению белок, из другого выходят его обломки. Но если бы все было так просто, то любой белок, случайно попавший в «пасть» протеазомы, изымался бы из обращения, в том числе и нужный. Чтобы этого не происходило, «пасть» закрыта на замок и открывается только по специальному сигналу. Сигналом этим (что и установили Гершко, Чехановер и Роуз) как раз и является наличие на белке цепи молекул убиквитина. Эта цепь играет роль метки на белке, опознавательного знака для протеазомы: открыть пасть! Сезам, откройся! Сезам открывается и делает свое грязное, но жизненно важное дело: отщепляет убиквнтиновую цепь от белка, а сам белок втягивает внутрь себя и расщепляет до неузнаваемости на небольшие фрагменты. Было бы, однако, неверно думать, будто убиквитин играет во всем этом пассивную роль. Он тоже работает. Без него белок, предназначенный для уничтожения, хотя и вступил бы в реакцию с протеазомой, но довольно скоро мог бы и отделиться от нее. Наличие убиквитина удерживает этот белок на протеазоме до его полного поглощения.
Описанный процесс жизненно необходим для всего цикла нормального функционирования и репродукции клетки.
Самоопыление у растений ведет к постепенному спаду их генетического разнообразия, что влечет та собой вымирание целых видов. Оказалось, что растительные клетки используют убиквитин для уничтожения белкой собственного семени, тем самым препятствуя самоопылению.
Как мы говорили выше, при делении клетки ее генетические молекулы удерживаются белковой «обвязкой». В нужный момент убиквитин изымает из клетки белок, который подавляет фермент, способный разорвать эту обвязку, тогда этот фермент эту обвязку разрывает и деление клетки благополучно завершается. Если убиквитин почему-либо не работает (например, его ген поврежден мутацией), «обвязка» сохраняется слишком долго, нормальное деление клетки нарушается, и это может привести к появлению в клетке лишней генетической молекулы, что ведет к синдрому Дауна, или нескольких лишних таких молекул, что влечет за собой перерождение клетки в раковую.
Ещё один пример. В клетке есть белок р53, который, и числе прочих своих функций, выслеживает повреждения генетических молекул. В нормальных условиях убиквитин уничтожает лишние молекулы р53. Это повреждение генетической молекулы автоматически меняет р53 так, что он перестает связываться с убиквитином. В результате концентрация р53 быстро нарастает, а это ведет через ряд промежуточных этапов к замедлению деления испорченной клетки, чтобы дать ей время па «ремонт повреждения», либо же, в крайних случаях, к «самоубийству» (апоптозису) безнадежно испорченных клеток.
И напротив, вирус одного из видов рака - человеческой папилломы, ухитряется избежать атаки со стороны р53 благодаря тому, что меняет фермент ЕЗ, необходимый для работы убиквитима, таким образом, что убиквитин начинает уничтожать даже необходимый клетке р53, оставляя ее беззащитной.
Убиквитин важен н для нормальной работы иммунной системы. В иммунных клетках есть белок-транскриптор, который управляет многими генами, необходимыми для иммунного ответа на вторжение вируса. Обычно этот белок подавлен другим белком - ингибитором. Но, как правило, появление вируса ведет к активизации убиквитина, который уничтожает этот ингибитор, и освободившийся транскриптор берется за дело иммунного ответа.
Ну и последний пример - муковисцидоз (cystic fibrosis). Эта наследственная болезнь обусловлена неисправностью канала, по которому а клетку проходят необходимые ей ионы хлора. Сама неисправность вызывается мутацией, из-за которой белок, входящий в состав этот канала, рождается дефектным, его молекулярная цепочка не закручивается в нужную форму. Убиквитин распознает все такие испорченные белковые молекулы и уничтожает их так же, как излишние. Поскольку белок уничтожается, канал не может работать нормально: это влечет за собой выделение и накопление внутри легких густой вязкой флегмы, резко затрудняющей дыхание.