Хромосомы, как и полагается уважающим себя информационным системам (не зря мы их назвали линиями связи!), отвечают за все, происходящее в «городке»-клетке. Но для того, чтобы понять, каким образом они это делают, сделаем небольшое отступление в область органической химии.
Основной строительный материал клетки – белки разных видов. У каждого типа белка – своя функция: как мы уже видели, одни входят в состав клеточной оболочки (мембран), другие – создают защитный «чехол» для ДНК, третьи передают «инструкции» о том, как производить белки, четвертые регулируют работу клеток и органов и т. д. Каждая молекула белка представляет собой цепочку из многих десятков, даже сотен звеньев – аминокислот; такую цепь называют полипептидной.Сложные белки могут состоять из нескольких полипептидных цепей.
В процессе жизнедеятельности белки расходуются и потому регулярно воспроизводятся в клетке. Их полипептидные цепи строятся последовательно – звено за звеном, и как раз эта последовательность закодирована в ДНК. Таким образом, получается, что все строительные материалы клетки выпускаются в строгом соответствии с информацией, заложенной в хромосомах. Каждая клетка в теле человека содержит около 30 тысяч генов, и на основании каждого гена синтезируется свой белок, который имеет уникальную функцию. Но о генах, наследственности и других загадках природы мы поговорим в другом разделе, посвященном ДНК и РНК. А пока пора выбираться из стен «замка» и прогуляться по «городку».
Глава 3. То, что внутри
Внутреннее пространство нашего «городка»-клетки заполнено цитоплазмой. Ее можно сравнить с водой вечного города Венеции – потоки омывают прекрасные здания, в них снуют легкие гондолы и катера… Но с точки зрения биологической науки цитоплазма – это полужидкая бесцветная масса, содержащая 75–85 % воды, 10–12 % белков и аминокислот, 4–6 % углеводов, 2–3 % жиров, 1 % неорганических и других веществ.
Вся цитоплазма пронизана сложной сетчатой системой, образованной той же материей, что и внешняя мембрана. Она связана с наружной «крепостной стеной» и представляет собой сплетение сообщающихся между собой канальцев, пузырьков, уплощенных мешочков. Такая сетчатая система названа вакуолярной,а мы можем сравнить ее с коммуникациями городка.
Роль зданий и гондол в нашей «Венеции» играют так называемые органоиды– функциональные включения клетки. «Архитектура» и «модельный ряд» органоидов разнообразен донельзя. Но у каждого образования – свои строгие функции и «распорядок работы».
Знакомиться с достопримечательностями городка мы начнем с «внутренней инфраструктуры». Ее можно сравнить с сетью городских коммуникаций – это сложная система труб, трубочек, емкостей и целых «подземных ходов». Ученые называют ее эндоплазматической сетью,намекая на ее внутреннее (греч. эндон —внутри) расположение. По сути это все та же мембранная ткань, образующая канальцы, трубочки, пузырьки и цистерны разной формы и величины.
Эндоплазматическая сеть бывает двух видов – гладкая и гранулярная (усыпанная зернышками рибосом). Чем больше белка должна вырабатывать клетка, тем больше у нее рибосомных «канальцев». В клетках, где вырабатывается в основном жир и жироподобные вещества, большая часть сети – гладкая.
Как и полагается любой уважающей себя инфраструктуре, эндоплазматическая сеть занимается тем, что накапливает и транспортирует в нужные места нужные вещества. Но это далеко не все. В отличие от хорошо знакомой нам водопроводной и канализационной систем, внутренняя сеть клетки выполняет еще роль промышленных цехов – как раз благодаря прикрепленным к ней (или подвешенным прямо в цитоплазматическом веществе, как в воздухе) рибосомам.
Но как рибосома собирает белок? Для начала рассмотрим саму рибосому. На две трети она состоит из РНК. При этом матричная РНК (мРНК) задает последовательность составляющих для молекулы белка. Она играет ту же роль, что схема вязки для неопытной вязальщицы, – здесь простая петелька, здесь изнаночная, а здесь – столбик с накидом. Впрочем, в нашей клетке уже давно введена автоматизация ручного труда, поэтому рибосому можно скорее сравнить с вязальной машиной, а мРНК – это заданная машине программа.
Вторая разновидность РНК – транспортная (тРНК). Ее задача – захватить аминокислоту нужного типа и подать ее в рибосому. Рибосома сверяется со схемой, ставит аминокислоту на нужное место и так, петелька за петелькой, «вывязывает» белковую цепочку.
Аминокислоты поступают к рибосомам по трубкам и трубочкам эндоплазматической сети. А вот если «продукцию» пора транспортировать наружу – за пределы городка, – в дело вступают специальные транспортные службы. Это так называемый комплекс Гольджи.
Комплекс Гольджи – еще один обитатель нашего «городка». Он также создан из мембранной ткани, но, в отличие от эндоплазматической сети, обладает большей подвижностью. Судя по некоторым данным, белки, которые рибосомы собирают и складывают в цистернах эндоплазматической сети, как бы расфасовываются в небольшие пакеты из ее мембран и направляются к комплексу Гольджи; здесь происходит переупаковка их в более крупные пузырьки, образованные из мембран этого комплекса. В этих новых пакетах они транспортируются к плазматической мембране, которая затем сливается с мембраной пузырька, так что, когда пузырек вскрывается, содержимое его выходит из клетки наружу. По мнению некоторых ученых, комплекс Гольджи служит для временного хранения веществ, вырабатываемых в эндоплазматической сети, а канальцы его соединены с плазматической мембраной, что облегчает выведение из клетки этих клеточных продуктов.
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.