Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности

Вейсман Михаил

Сказка со счастливым концом

Транспортная сеть клетки названа в честь ее открывателя – Камилло Гольджи. Этот известный ученый родился в 1844 году, а прославившее его имя открытие сделал на 54-м году жизни. Впрочем, целью его исследований была не просто клетка как таковая, а нервная ткань человека.

В середине XIX века об электронных микроскопах даже не мечтали, а разглядеть что-то в обычный, оптический, было довольно затруднительно. И тогда Гольджи придумал собственную методику – он окрашивал срез клетки препаратами серебра. Все детали при этом становились более контрастными, и можно было судить о внутреннем строении клетки по ее срезу.

В 1898 году он заметил внутри нервных клеток тонкую сеть из переплетенных нитей. С тех пор «аппарат Гольджи» многократно наблюдался в разных клетках в течение многих лет. Затем, в 1930-40-е

гг., после изобретения электронного микроскопа – в сотни раз более мощного, чем самый лучший оптический микроскоп, – «аппарат Гольджи» стал считаться искусственной структурой, возникающей лишь в процессе окрашивания. Однако с совершенствованием техники электронной микроскопии «аппарат Гольджи» был вновь признан реально существующим: ныне считается, что он участвует в преобразовании и выведении белков. Таким образом, как в сказочном хеппи-энде, справедливость восторжествовала.

Если рибосомы можно сравнить с рабочим классом города-клетки, а комплекс Гольджи – с транспортной системой, то роль уборщиков играют лизососмы. Как и полагается представителям малопрестижной профессии, лизососмы очень опасны и коварны. По сути это мешочки из однослойной мембраны, наполненные ферментами. Ферменты необходимы для того, чтобы расщеплять белки, углеводы и липиды и – или подвергать их переработке, или выводить наружу. Пока в городке все спокойно, лизосомы бродят по его улочкам и выполняют свои прямые обязанности. Но если повредить лозосомную мембрану (а такое случается при некоторых заболеваниях или генетических нарушениях), ферменты вырываются наружу и начинают разрушать все подряд, до полной гибели клетки.

Глава 4. Откуда в клетке электричество?

Итак, мы преодолели крепостную стену-мембрану, побродили по «замку» – информационному центру, покатались по узким каналам и даже ознакомились с канализационной системой клетки-городка. Но что заставляет двигаться все это чудо? Где моторчик, наполняющий клетку энергией?

Роль электростанции в клетке играют митохондрии. Это сложное название родилось из двух греческих слов – мито (нить) и хондрион (зернышко). А все потому, что митохондрии выглядят как короткая нитка или вытянутое зернышко-гранула. Впрочем, они довольно легко меняют форму, оставаясь при этом постоянными в диаметре. Весь секрет в том, что митохондрии состоят из двух слоев мембранной ткани. Наружный слой – гладкий и может слегка вытягиваться или сжиматься. А вот внутренний «смят» в складки в форме гребней или трубочек (они называются «кристы», а содержимое митохондрии, окруженное ее внутренней мембраной, – «матрикс митохондрии»). В состав внутренней мембраны входит особое вещество, делающее мембрану абсолютно непроницаемой для электрических частиц – протонов. О том, какие возможности это дает, расскажем чуть позже.

Митохондрии – совершенно удивительные образования. В отличие от всех других систем клетки, они – совершенно самостоятельны и обособлены. Они даже размножаться могут самостоятельно, независимо отделения клетки. Ученые считают, что происходит это оттого, что когда-то митохондрии были отдельными организмами – чем-то вроде бактерий – и наши далекие предки (совсем далекие, еще одноклеточные) в незапамятные времена, вместо того чтобы просто проглотить их, приспособили для внутренних нужд. Вот такие были мудрые, эти простейшие.

Не знаю, как для вас, дорогой читатель, но для меня именно эта часть жизни клетки является самой удивительной. Ну как из электрических частиц образуется материя и наоборот? Как из белков, углеводов и жира получают чистую энергию?

Для того чтобы понять, как действуют эти мини-электростанции, сначала вспомним несколько терминов. Уверена, вы не раз слышали об АТФ. Но что это такое? Полное название – аденозинтрифосфорная кислота. Это особое вещество, которое с полным правом можно считать аккумулятором энергии. Дело в том, что в нем связи между атомами фосфора и кислорода являются макроэргическими, то есть при их разрыве выделяется большое количество энергии.

Задача митохондрии – синтезировать, то есть собрать молекулу АТФ из подручных средств, которые можно найти в клетке. Для этого она использует самые различные механизмы.

Основные закономерности преобразования энергии митохондриями изложены в одноименной статье лауреата Государственной премии СССР профессора А. Д. Виноградова. Это подробный рассказ, понятный (честно говоря) только узким специалистам. Но если немного упростить изложенное, то завеса тайны поднимется и для широкого круга читателей.

Итак, первый механизм называют «клеточным дыханием». Это цикл химических реакций, проистекающих с участием кислорода, – от этого и пошло название. В каждой реакции выделяется совсем небольшое количество энергии, но ее достаточно, чтобы произошла следующая реакция и так далее, пока не будет собрана «аккумуляторная батарейка» – АТФ.

Для своей работы митохондрии могут использовать только самые простые составляющие глюкозы (углеводов, попадающих в наш организм с едой). Поэтому первый этап дыхания – это подготовка глюкозы к использованию, или гликолиз. Глюкоза расщепляется вне митохондрий – в цитоплазме. Если вспомнить школьный курс органической химии, можно иметь в виду, что в ходе гликолиза молекула глюкозы превращается в два остатка уксусной кислоты. В митохондрию они «проталкиваются» специальным переносчиком – коэнзимом А. Коэнзим А присоединяет к себе остаток уксусной кислоты, превращается при этом в ацетилкоэнзим А, или, кратко, ацетил-КоА, и в таком виде «протискивается» сквозь внешнюю мембрану митохондрий.

Тут «контрабандиста» уже поджидают. Захваченные им атомы надо пересадить с коэнзима и пустить в дело дальше. В этой операции участвует так называемый цикл Кребса – это кольцевая последовательность реакций, в ходе которых исходное вещество возвращается в свое первоначальное состояние. Этот цикл можно сравнить с водяной мельницей – вода льется на лопасти колеса и заставляет его двигаться, но само колесо при этом остается на месте.

Как это происходит? Давайте считать началом цикла молекулу щавелевоуксусной кислоты. В первой же реакции на нее переносится с ацетил-КоА остаток уксусной кислоты (он состоит из двух атомов углерода, трех – водорода, и одного атома кислорода), в результате получается изолимонная кислота. В ходе остальных реакций цикла атомы-перебежчики (те, которые были названы выше) отделяются от изолимонной кислоты и следующих молекул органических кислот, и в последней реакции снова получается щавелевоуксусная кислота. Точнее говоря, в каждом цикле от изолимонной кислоты и получающихся из нее молекул отделяются составные части остатка уксусной кислоты, присоединенного два цикла назад.

Реакции цикла Кребса происходят в жидкости, заполняющей митохондрию, а вот следующий процесс – окислительное фосфорилирование – в ее внутренней мембране. В тончайшем слое мембранной ткани «дрейфует» пять типов специальных окислительных белков. Они «вылавливают» освобождающиеся в процессе цикла Кребса атомы водорода и «сжигают» их с образованием молекул воды. Это делается так: белок № 1 отбирает у водорода один электрон и передает его белку № 2, тот – белку № 3, и так далее, до белка № 5. Белки № 2 и № 4 имеют небольшие размеры, поэтому в мембране они двигаются значительно быстрее № 1, 3 и 5, и по сути дела, играют роль курьеров, разносящих электроны по назначению. При этом энергия электрона все время уменьшается. Белок № 5 накапливает четыре таких электрона, а затем производит реакцию образования воды:

4 e^– + O₂ + 4H⁺ = 2 H₂O.

Энергию, выделяющуюся при прохождении электрона по дыхательной цепи, белки № 1, 3 и 5 расходуют на выбрасывание протонов изнутри митохондрии в пространство между ее мембранами. В этом пространстве создается положительный заряд, а внутри митохондрии – отрицательный.

По сути, глюкоза нужна нашему организму именно как «горючее» для производства энергии. Это – важный момент в понимании энергетической сущности процессов, происходящих в митохондриях. Разница зарядов заставляет протоны стремиться обратно, внутрь, но плотная внутренняя мембрана их не пропускает. Тогда протоны начинают искать «лазейки» или «шлюзы». Такими шлюзами выступают специальные молекулы АТФ-синтетазы. Само название молекул подсказывает, что как раз они занимаются «сборкой» наших «батареек» – АТФ. Они синтезируют молекулу, пропуская протоны через себя и запасая энергию во внутренних связях АТФ.

Вот так работает самая крошечная электростанция в мире.

Часть II. ДНК – история человечества

Ученые подсчитали, что каждый белок, составляющий основу клетки, живет не больше трех часов. Затем он расщепляется и выводится из организма, чтобы дать место новому образованию. Получается, что каждые три часа состав нашего тела полностью обновляется! То есть мы не та застывшая структура, какой привыкли себя воспринимать, а в буквальном смысле – поток протонов и электронов, на которые распадаются строительные материалы нашего тела.