Знание - сила, 2003 № 09 (915)

Коллектив авторов

Все живое обладает способностью к самодвижению — это его отличительная особенность. Положите выделенную из организма клетку почки или простаты на стеклянную пластинку. и эта клетка начнет ползти по ней, то распластываясь, то подтягивая свою заднюю часть, как это делает всем знакомая гусеница. Проследите за нервной клеткой, извлеченной из эмбриона животного, и вы увидите, как она выпускает длинный отросток, филоподию, и нащупывает им, где находится другая такая же клетка, чтобы установить с ней контакт.

Движутся не только сами живые клетки — движение происходит и во внутриклеточном пространстве. Гормоны и питательные вещества переносятся с поверхности клетки в ее протоплазму. Химические вещества, инструкции генов на изготовление белков-ферментов и сами эти белки движутся к местам своего назначения от клеточного ядра к периферии. А

самой, быть может, впечатляющей иллюстрацией этого внутриклеточного движения является то открытие, которое по счастливой случайности совершил в 1981 году Роберт Аллен. Желая показать своим студентам, что происходит в длинном отростке нервной клетки — аксоне, он присоединил видеокамеру к микроскопу, и сам с огромным удивлением увидел, как по волокнам, тянущимся внутри тонкой (в I мм) и длинной (около I метра) трубки аксона, равномерно, один за другим ползут в обе стороны, точно вагончики какого-нибудь песчаного карьера, маленькие круглые прозрачные пузырьки примерно в стотысячную долю сантиметра в диаметре. То было не просто перемешение, а строго организованное и направленное перемещение, и, глядя на эти упорно ползущие по своему назначению ультрамикроскопические дрезины, не трудно было понять, почему ученые еще в XIX веке считали, что в клетках существует какая-то таинственная «жизненная сила», которая и является первопричиной всех клеточных и внутриклеточных движений.

Но на дворе стоял уже, как было сказано, 1981 год, и поэтому открытие Роберта Аллена положило начало не поискам этой «жизненной силы» — в нее уже никто к тому времени не верил, а планомерному изучению тех физико-химических факторов, тех «клеточных моторов», которые делают возможными все эти «движения живого».

Молекулы, осуществляющие функцию движения в нашем теле, в том числе и в самых крохотных его Структурах, имеют причудливый вид, но для всех них характерно одно: на концах молекул — наличие подвижных головок- блоков, которые, собственно, и служат движущим элементом. (Слева — молекула кинезина, в середине — динеина, справа — миозина.)

Поиск этот оказался сложным и продолжается по сию пору — со все возрастающим успехом. Один такой выдающийся успех был достигнут буквально на днях, когда группе исследователей под руководством С. Берджесса удалось разгадать принципы работы очередного такого «клеточного мотора» — молекулы динеина. Было бы жалко не приобщить читателя к той изумительной по тонкости и сложности картине «внутримолекулярной жизни», которую вскрыла в молекуле динеина группа Берджесса, но увы — даже просто рассказать об этой работе, а тем более — растолковать ее суть и значение, оказалось никак невозможно, предварительно не рассказав, хотя бы бегло, о молекулярных моторах вообще. Вот так это открытие и послужило первоначальным толчком к целому рассказу. Как говорится, был бы повод, а рассказ найдется. А рассказ, думается, полезен, ибо молекулярные эти моторы и в самом деле представляют огромный интерес. Ведь именно им жизнь обязана всей той особой, специфически присущей ей динамикой, без которой она, жизнь, была бы попросту невозможна.

Первым шагом к ответу на этот вопрос стало открытие того факта, что все клетки в организмах более сложных, чем бактерии, обладают двумя важнейшими свойствами, которые, собственно, и позволяют им существовать: исчезновение хотя бы одного из этих свойств приводит к гибели клетки. Это открытие было сделано в самые последние десятилетия и буквально перевернуло все прежние представления.

Одним из этих жизненно важных свойств является сложная организованность внутриклеточного пространства. Живая клетка — не просто «мешочек с протоплазмой», как говорил еще в XIX веке страстный пропагандист дарвинизма Томас Хаксли. Исследования последних десятилетий показали, что внутренность клетки ячеиста — она состоит из отдельных ячеек, «помещений», отделенных от других собственной мембраной. Каждая такая ячейка, или органелла (маленький орган) клетки имеет свою внутреннюю структуру и свой набор химических вешеств, каждая выполняет свою функцию. И каждая покрыта системой белков-рецепторов, задача которых — распознать, что из всего, что куда-то движется в клетке, предназначено именно для данной ячейки.

Движутся же в клетке те

химические вещества, что необходимы для ее жизнедеятельности, и молекулы этих веществ не просто хаотически плавают в протоплазме, а направленно и организованно перемещаются в различных направлениячх, упакованные в крохотные контейнеры — те самые прозрачные пузырьки, которые впервые увидел Аллен. При этом каждый такой контейнер снабжен своим «опознавательным знаком», своим рецептором, белковой молекулой такой формы, которая распознается рецептором той — и только той — ячейки, для которой этот контейнер предназначен. Когда оба рецептора сочленяются, пузырек приваривается к органелле, и его содержимое переходит в нее, чтобы она могла выполнять свои функции.

Начатки такой организованности обнаружены уже у одноклеточных водорослей и бактерий, и раз эта внутренняя организация клеток давала бесспорные преимущества ее обладателям, а мутации непрерывно порождали все новые и новые (лучшие и худшие) варианты такой организованности, природе (естественному отбору) оставалось только отбирать то, что оказывалось организованным все лучше и все сложнее.

Видимо, именно таким путем когда-то возникли и начатки второго типа организации внутриклеточного пространства, второй особенности живых клеток — наличие в них внутреннею «скелета» и «системы транспортных путей», вместе с теми пузырьками, которые по этим путям движутся, и теми молекулярными моторами, которые движут пузырьки по этим путям.

«Скелет» клетки образован длинными молекулами белка актина, и каждая такая полимерная молекула состоит из множества отдельных звеньев-мономеров. Клетка обладает способностью по надобности убирать и наращивать эти кирпичики-мономеры, тем самым меняя форму и размеры молекул актина, а с ними — и всего своего скелета. Это-то и позволяет ей распластываться и ползти, и выпускать отростки, и округляться, и делиться. (Кроме того, волокна актина вместе с волокнами другого белка, миозина, осуществляют сокращение и расслабление мышечных клеток тела, но об этом чуть дальше.)

Взаимодействие молекул миозина и актина е наших мышцах.

Вверху: мышца в расслабленном состоянии.

Внизу: молекулы начинают скользить друг по другу, и мышца сокращается.

Подробности взаимодействия молекул двух веществ показаны на рисунке на с. 54

Что же касается «системы транспортных путей», то она образована длинными волокнообразными белковыми микротрубочками, тысячи которых пересекают внутреннее пространство клетки в самых разных направлениях. Именно по этим микротрубочкам, как по рельсам, и движутся — с помошью молекулярных моторов — пузырьки с химическими веществами из центра клетки на ее периферию и с поверхности клетки к ее ядру. Скорость этого движения невелика. Так, самая длинная «магистраль» в нашем теле — это аксон, идущий от позвоночника к пальцам ног, его длина у взрослого человека составляет около метра, и вот пузырьки проходят это расстояние за три-четыре дня. Но в пределах подавляющего большинства других клеток, где расстояния не превышают тысячных долей сантиметра, время движения пузырьков составляет доли секунды, и именно это позволяет клеткам так быстро осуществлять сложнейшие каскады биохимических процессов, которые составляют ее жизнедеятельность. Не будь этой системы путей, и нужные вещества могли бы попадать в нужные места клетки лишь случайно, в результате долгих хаотических блужданий. Теперь, думается, понятно, почему наличие «транспортной сети» дает такое преимущество ее обладателям и почему порча этой сети выводит клетку из строя. Некоторые ученые считают, что, например, болезнь Альцхаймера имеет первопричиной порчу системы микротрубок в нейронах.

Даже в таком упрошенном описании можно ошутить, как изумительно тонко, сложно и согласованно построена и работает живая клетка. И даже эта упрошенная картина уже порождает множество вопросов: как и по каким инструкциям образуются и меняются в клетке ее «скелет» и системам микротрубок? откуда берутся пузырьки-«контейнеры»? как происходит упаковка именно нужных веществ в каждый из них? каким образом появляются на них «опознавательные ярлыки»-рецепторы? чем задается направление движения? И так далее.