Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

Что умеют делать вирусы?

Глава шестая. Многоактная пьеса "Клетка и вирус" (Часть первая. "Клетка")

Мы не были первыми и, не сомневаемся, не будем последними, кто использует в научно-популярной литературе элементы фантастики. Сколько раз читателю предлагалось что-либо предположить или превратиться на время в какое-нибудь животное и совершить путешествие по таким местам, куда без помощи фантастики не попасть... Мы тоже предлагаем вам предположить... что во время загородной прогулки, на уединенной поляне, вы вдруг увидели довольно странное сооружение, этакий феодальный замок-крепость, окруженный наполненным водой рвом, над которым повис подъемный мостик.

Вы уже догадались, что замком-крепостью мы называем клетку. Самую обыкновенную живую клетку, которая может быть и цельным организмом, как инфузория-туфелька, и одной из 1023 клеток, составляющих организм человека. И хотя, бесспорно, между инфузорией и любыми клетками нашего тела разница большая, она не принципиальная и заключается прежде всего в том, что отдельные клетки многоклеточного организма специализируются на выполнении тех или иных функций, а инфузория должна сама все эти функции выполнять.

Итак, вернемся на вымышленную полянку, где вы неожиданно наткнулись на феодальную крепость-замок. Мощные стены образовали неправильный многоугольник, в центре - многоэтажный замок, вокруг него - многочисленные хозяйственные постройки, склады. Крепость кажется автономным государством, в ней есть запасы продовольствия, топлива, воды. Две линии защиты - ров и стены, ограничивают это государство от любых врагов, поэтому захватить ее, по крайней мере, на первый взгляд невозможно. Брать приступом не решится и безумец: в башнях, возвышающихся кое-где над стеной, множество стражников, обученных и вооруженных буквально "до зубов". Тактика оборонительного боя разнообразна: каких-то врагов они уничтожают еще на подступах к крепостным стенам, кого-то заманивают вовнутрь и расправляются с ними там.

Вероятно, можно попытаться крепость взять осадой - как ни велики запасы, но полей-огородов, а тем более лесов и рек на ее территории нет, так что когда-то пополнять их придется. И это является ахиллесовой пятой крепости.

Периодически опускается мост через ров, и окрестное население приносит и привозит разнообразный товар. Всех торговцев стражники в лицо не знают, а потому придирчиво проверяют документы.

В толпе торговцев иногда снуют какие-то голенькие мальчишки, которые, хоть и вызывают недовольство стражи, но чаще всего все-таки проникают за крепостные стены. Мальчишки они и есть мальчишки, за ними не уследишь. Бывает, и какие-то подозрительные типы толкутся у мостика, но документы предъявляют правильные и тоже проходят. И слишком поздно спохватываются пропустившие: и голенькие мальчишки, и подозрительные типы с правильными пропусками - это различные виды вирусной агрессии, голая нуклеиновая кислота либо вирус, "укравший пропуск".

Что будет, когда они проникнут в крепость, мы рассмотрим немного позднее, а сейчас чуть подробнее остановимся на декорациях, среди которых будут разыгрываться все акты драмы "клетка и вирус".

...Если разглядывать сооружение издали, крепостная стена кажется состоящей из очень точно подогнанных друг к другу диких и обработанных камней, между которыми нет и малейшей щели. Однако, приблизившись, а то и вооружившись биноклем, замечаем, что она устроена совсем не так просто, как можно было бы подумать. Прежде всего, несмотря на достаточную толщину, она способна кое-что профильтровывать прямо сквозь себя. Кроме того, в ней множество щелей, через которые что-то проникает внутрь, а что-то ненужное выбрасывается вон.

От стены в глубь окруженного пространства отходят перегородки, которые играют важную роль в жизнедеятельности крепости. Они механически укрепляют саму стену, а также разделяют территорию крепости на небольшие, более или менее ограниченные пространства. Это не позволяет врагам скапливаться в больших количествах, что облегчает борьбу с ними. Кроме того, внутренние перегородки служат направляющими для потока разнообразных грузов, перемещаемых внутри крепости, и позволяют не ошибаться адресом и доставлять, например, топливо в котельную, а не, скажем, в ремонтную мастерскую. Наконец, в узких извилистых закоулках, образованных внутренними перегородками, есть специальные ловчие ямы - сосуды, наполненные сильнейшими ядами - ферментами. Проникшие сквозь заслон стражников враги, не зная плана города, попадают в такие ямы, а это практически смертельно. Правда, попасть в яму опасно и для защитников крепости: яды настолько сильны, что убивают все живое, однако свои туда в норме почти не попадают.

Неподалеку от каждой ловушки видны какие-то строения без окон и дверей, но с большим количеством проводов, выходящих из-под крыши. Поскольку биологические объекты не пылят, не дымят и к тому же работают бесшумно, только по проводам и можно догадаться, что это устройства для выработки энергии. В них сжигается (горение - быстрое окисление, но медленное окисление тоже может быть названо горением, поскольку конечные продукты оказываются такими же) все, что может гореть: и доставляемое топливо, и различный бытовой мусор, и тела врагов, угодивших в ловушки.

Зачем крепости-замку энергия? Проследим, куда тянутся провода, куда ее доставляют. Главные потребители - специализированные химико-технологические мастерские, в которых происходит синтез новых материалов. Зачем они нужны и что это за материалы? Если мы все еще в крепости-замке, то назовем эти материалы условно - разнообразные, необходимые для ремонта помещений и оборудования и строительства новых. Потом, когда мы оставим фантастику, назовем все это собственными именами.

Но часть проводов идет непосредственно к замку, где разместилось правительство автономного государства-крепости: здесь несколько министерств и ведомств, очень высокая производственная дисциплина и совсем нет волокиты и бюрократизма. Ни один чиновник не вмешивается в дела коллеги, но очень строго следит, чтобы его собственные распоряжения выполнялись быстро и четко. Непрерывным потоком несутся из замка курьеры. И все с какими-то документами. В них указания и чертежи, регламентирующие, кому, чего и сколько производить. Кто составляет эти документы? То, что мы сейчас скажем, не фантастика, а самая реальная реальность, но и до сих пор, хотя прошло уже более трех десятилетий, как этот механизм был открыт, многими воспринимается с недоверием.

В глубоких хранилищах замка, в наиболее защищенных помещениях (помимо описанных защитных укреплений эти помещения прячутся за стенами самого замка) сконцентрирована вся информация о том, из чего и как построена крепость, когда и как в ней необходимо что- либо ремонтировать или заменять, какую функцию должен выполнять каждый из наличных стражников, а также когда его следует отправить на покой.

Вся эта информация особым образом записана в генах. Подчеркиваем еще раз: гены располагают информацией, а не представляют собой, как когда-то думали, миниатюрные копии будущего изделия. Их можно сравнить с каталожной карточкой, содержащей описание предмета, выходные данные книги и т. д., но совсем не похожие ни на предмет, ни на книгу. Гены, определяющие характеристики одного порядка (например, внешность - цвет волос и глаз, смуглость кожи, форму ногтей и т. д.), собраны в один каталожный ящик, так называемую, хромосому.

В жизни все, конечно, сложнее, чем здесь написано, потому что, хотя хромосомы не имеют между собой видимых связей, они должны увязывать характеристики, определяемые генами, находящимися в разных хромосомах. Так, например, пигментация кожи (внешний признак, связанный и с цветом волос и с цветом глаз) обусловливается обменом одного из гормонов щитовидной железы, а это, сами понимаете, совсем другой каталожный ящик. Но организм с этим справляется.

Мы же сейчас остановимся на другой проблеме. Весьма интересно и важно понять, как осуществляется руководство созданием новых материалов. Сегодня общепринятая теория объясняет это так. Специальные курьеры, получив задание от представителей местной власти, являются в архив, отыскивают нужный каталожный ящик, а в нем - конкретную карточку, снимают с нее копию (сама карточка тут же возвращается обратно) и спешат с этой копией к месту работы. А там специалисты, следуя указаниям, имеющимся в копии, строят новую стену, электростанцию или ловчую яму.

Такая методика обеспечивает полную идентичность отремонтированного или вновь построенного участка стены или любого иного сооружения тому, что пришлось заменить. Идентичность формы, содержания и функции. И это очень важно, если вспомнить, что тело каждого из нас состоит из астрономического числа клеток - 1023. Представляете, что было бы, если бы при строительстве допускались даже совсем незначительные, в доли процента, отклонения? Тогда действительно мог оказаться правым Лысенко и рожь превращалась бы в пшеницу...

Разглядывая строение крепости-замка какой-то срок, можно заметить странное явление: в ней все, включая и само здание штаба и все надворные постройки, находится в постоянном движении. Оказывается, многочисленные рабочие заняты не столько ремонтно-восстановительными работами, сколько строят копии уже существующих сооружений. Да-да, через какое-то время на территории крепости все удваивается. И... из одной клетки становится две. Но нам очень трудно продолжать рассказ иносказательно, поэтому мы сейчас назовем все своими именами и опишем (правда, покороче) все еще раз, но уже на языке цитологии (от цито - клетка). После этого продолжение путешествия по крепости-замку приобретет новый смысл.

Итак, крепостная стена - это клеточная мембрана, вода вокруг нее - межклеточная жидкость, замок - ядро, стены его - ядерная мембрана, внутренние перегородки - эндоплазматическая сеть, ловчие ямы - лизосомы, электростанции - митохондрии, мастерские на территории - рибосомы (в них происходит синтез белка), ну а все остальное содержимое клетки - цитоплазма. Каталожные ящики с информационным материалом - хромосомы, карточки в них - гены, а работники, снимающие копии и доставляющие их в рибосомы, так называемые информационные РНК (иРНК).

После этого достаточно схематичного описания с привлечением толики фантазии мы приглашаем вас вновь посетить воображаемую крепость-замок. Впрочем, сейчас лучше назвать клетку городом-государством: крепостью она видится только издали, а замок оказывается на поверку карточным домиком, легко возводимым и также легко разрушаемым. Оправдано ли наше столь пристальное внимание к проблеме взаимоотношений вируса и клетки? Конечно. Ведь все мы состоим из клеток, а вирусов вокруг нас видимо-невидимо. Ну а кроме того, нам еще предстоит спор: существуют ли полезные вирусы. И чтобы он был аргументированным, интимные отношения вируса и клетки надо знать лучше.

Если первое знакомство с крепостью-замком можно было сравнить с разглядыванием фотографии, то теперь мы вас приглашаем посмотреть движущиеся картинки, кинофильм на ту же тему.

День и ночь кипит работа в городе-государстве. Это не праздный труд. Сохранить в целости все основные структуры, обновить их, выстроить новые, защититься от врагов, переработать массы питательных веществ, выбросить шлаки - и все это для того, чтобы выжить, выстоять, подготовиться к делению, провести его, дать жизнь двум новым клеткам. Разве не для того же трудится население любого другого города?

Из всех видов работ, которые ведутся в нашем городе-государстве, можно выделить три наиболее важных: превращение энергии, синтез больших молекул из более простых веществ и размножение путем самовоспроизведения и деления. Все эти виды деятельности мы уже подметили при первом знакомстве с клеткой. Теперь нужно рассмотреть их подробней, ибо в них - основа жизнедеятельности. Начнем с энергии.

Даже беглого знакомства с городом-государством было достаточно для того, чтобы сделать один очень важный вывод: клетка весьма сложно устроена. Биологи называют это упорядоченностью клеточной структуры. Действительно, нельзя не заметить удивительную, почти неправдоподобно сложную и вместе с тем прекрасную в своей целесообразности внутреннюю организацию клеток. Вся эта упорядоченность поддерживается непрерывным потреблением энергии, без которой вместо целесообразности возникает хаос, сложная структура клетки распадается, жизнь замирает, город-государство гибнет.

Не так ли и в настоящих городах, лишенных всех видов топлива, всех путей доставки энергии, замирают фабрики и заводы, останавливается транспорт, гаснут огни в домах, погибают жители, которым нечего есть, нечем обогреться, негде спастись.

Итак, жизнь клетки возможна только при непрерывном потреблении энергии. Откуда же поступает эта энергия и как она используется клеткой?

Все клетки можно четко разделить на две группы, разными способами добывающие себе энергию.

Клетки зеленых растений носят название аутотрофов. Они используют энергию солнечного света и с помощью этой энергии строят питательные вещества: углеводы, белки и жиры. Это первая группа. Во вторую входят клетки человека и животных. Эти клетки постоянно потребляют питательные вещества - углеводы, белки, жиры, запасенные аутотрофами, сжигают их как обычное топливо, а полученную при этом энергию используют для собственных нужд. Такие клетки называются гетеротрофами.

Нас одинаково интересуют и гетеротрофы и аутотрофы, так как и те и другие могут подвергнуться разбойничьему нападению вирусов. Мы видим, что энергия получается и используется в этих клетках по-разному. Сначала рассмотрим, как это делается в аутотрофах, поскольку накопленные здесь богатства в конце концов поглощаются гетеротрофами.

Для использования солнечной энергии у аутотрофов есть специальные образования - хлоропласты. Они расположены в цитоплазме клеток зеленых растений вблизи митохондрий и тесно связаны с ними в процессе работы.

Хлоропласты - это фабрики производства питательных веществ под действием солнечной энергии. Процесс этого производства называется фотосинтезом, в изучении которого выдающуюся роль сыграл великий русский ученый К. А. Тимирязев.

Часть накопленных при фотосинтезе веществ остается в кладовых города-аутотрофа, это его основные сокровища. Но некоторое количество этих богатств ему приходится расходовать на собственные нужды: ведь без энергии нельзя ничего сделать, даже упаковать и спрятать полученные ценности. Получение энергии для своих потребностей происходит в уже известных нам митохондриях; там при дыхании сгорает часть питательных веществ, накопленных растительной клеткой, и город-государство получает из этих силовых станций-митохондрий энергию для всей многообразной деятельности.

Какого рода энергия вырабатывается в митохондриях? Если продолжить сравнение клетки с настоящим городом, то надо признать, что ему выгоднее всего получать энергию электрическую - она одна способна обеспечить всем необходимым: и греть, и светить, и вращать моторы... Примерно также обстоит дело и в клетке. Здесь тоже имеется такой универсальный вид энергии, в который превращается при сгорании любое топливо. А образуется и накапливается эта универсальная энергия внутри химического соединения, называемого аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ).

Распадаясь, АТФ превращается в аденозиндифосфорную (АДФ) или даже в аденозинмонофосфорную (АМФ) кислоту. При этом выделяется энергия. Поглощая же энергию извне, молекулы АМФ и АДФ вновь превращаются в АТФ, аккумулируя энергию в своих фосфатных связях.

Итак, в хлоропластах идет синтез веществ, в митохондриях - их сгорание. В этом и состоит сочетание работы двух важнейших энергетических "предприятий" растительной клетки.

Наиболее важным продуктом, который вырабатывает фотосинтетическая фабрика-хлоропласт, является... сахар. Да, да, весьма близкий к тому сахару, который мы все едим. На заводах его получают из сахарного тростника или свеклы, но в этих растениях он был синтезирован в хлоропластах. Для этого в фотосинтетической фабрике есть удивительные приспособления, извлекающие углерод из двуокиси углерода воздуха и использующие его для построения простейшей органической молекулы глюкозы. Из глюкозы затем создаются более сложные органические вещества.

Глюкоза растительных клеток - главное, а подчас и основное топливо, сырье для клеток-гетеротрофов, не имеющих фабрик-хлоропластов и не способных фотосинтезировать питательные вещества с помощью солнечной энергии.

Клетка-гетеротроф получает молекулы глюкозы в готовом виде. Если сжечь 1 грамм-молекулу (180 граммов) глюкозы, то при этом выделится 690 тысяч калорий тепла. Но в нашем городе все время постоянная температура, а такое количество тепла равнозначно взрыву, который уничтожил бы все. Как сделать так, чтобы получить ту же энергию, но не сразу, а постепенно, да еще в такой форме, чтобы можно было ее использовать во всех "предприятиях" и "учреждениях" города? Оказывается, что решить эту задачу нисколько не проще, чем научиться делать сахар из воздуха. Но и город-гетеротроф нисколько не примитивнее, чем аутотроф. Здесь тоже немало удивительных приспособлений и хитроумных механизмов, делающих возможным жизнь клетки-государства.

Извлечение солнечной энергии из глюкозы проходит в два этапа: на первом, называемом гликолизом, из одной грамм-молекулы глюкозы выделяется 20 тысяч калорий, на втором этапе - дыхании - 360 тысяч калорий. Таким образом, около 55 процентов всей энергии, заключенной в глюкозе (690 тысяч калорий), извлекается клеткой и используется для своих нужд. Это очень высокий показатель!

Мы говорили о том, что клетки-гетеротрофы пользуются питательными веществами клеток-аутотрофов. Аутотрофы превращают углерод воздуха в сахар, а гетеротрофы его сжигают. Но недаром говорят, что полярные противоположности сходятся! Оказывается, что процессы, происходящие в этих разных городах-государствах, различны лишь по знаку (+ или - а по существу весьма схожи.

Помимо CO2 воздуха и солнечной энергии, для накопления сахара городам-аутотрофам нужна вода. Об этом хорошо знают все, кто видел хоть раз в жизни какое-нибудь растение! Вода тоже служит своеобразным источником энергии, так как из нее при фотосинтезе удаляются электроны, а остающийся кислород выделяется в воздух. Вот почему так легко дышится вблизи растений, которые буквально очищают атмосферу, забирая из нее избытки CO2 и обогащая кислородом.

Итак, все началось с воды и Солнца, и все завершилось водой и солнечной энергией, аккумулированной в химических связях специальных молекул. Города ауто- и гетеротрофы не просто противостоят друг другу, не просто сосуществуют друг с другом, и нельзя сказать, что они существуют один за счет другого. Нет, все и проще и сложнее. "Солнце, воздух, хлорофилл" - назвал свою книгу К. А. Тимирязев. Кто не знает сегодня этих слагаемых жизни? Добавим сюда воду, и мы получим весь комплекс условий, необходимых для созидания растительных богатств мира. Но оказывается, что, потребляя эти богатства, клетки животных, города-гетеротрофы, создают возможность для деятельности новых городов - аутотрофов. В итоге сгорания сахаров выделяется все та же вода, да и переносчики электронов при фотосинтезе в хлоропластах и при окислении в митохондриях химически весьма сходны между собой. Видимо, совсем не ошибался великий И. Ньютон, когда говорил: "Природа проста!"

Правильность этого афоризма подтверждается еще одним обстоятельствам. 55 процентов солнечной энергии, заключенной в глюкозе, улавливается клеткой-гетеротрофом в полезной и удобной форме молекул АТФ. Еще раз отметим, что коэффициент полезного действия такой клеточной "котельной" весьма высок.

Самым главным устройством клетки-гетеротрофа, обеспечивающим ее энергией, служат уже хорошо знакомые нам "силовые станции" - митохондрии. Именно здесь происходит сложнейший процесс дыхания, в ходе которого осуществляется постепенное высвобождение солнечной энергии и немедленное ее связывание в молекулах АТФ. Никакой бесхозяйственности не увидишь в этих станциях. Напротив: строгая экономичность, великолепная "организация труда", аккуратность, последовательность, а потому и высокая "рентабельность".

Но могло ли бы это иметь место, если бы основные ферментные механизмы, непосредственно высвобождающие энергию и "пакующие" ее с помощью электронов, перебрасываемых от одного фермента к другому, в молекулы АТФ, были бы просто перемешаны в полости митохондрий? Конечно, нет!

Залогом успешной работы силовой станции города-гетеротрофа является строгая структурная организация, нисколько не меньшая, чем в фабрике созидания города-аутотрофа - хлоропласте. Не только связывать энергию Солнца, но и высвобождать ее можно с помощью высокой организации на базе совершенной техники! Сейчас уже хорошо известны внутренняя структура и механизм действия митохондрий, но это особый и очень специальный разговор.

Итак, мы кратко коснулись вопроса о том, как осуществляется энергетическое обеспечение жизнедеятельности клетки. Даже то, что уже известно, говорит о гармонии, но мы убеждены: будущее приведет к новым открытиям, свидетельствующим о поразительном порядке, целесообразности и совершенстве, которое царит в наших удивительных городах-государствах, пока они здоровы (!). Мы познакомились с энергетическим обеспечением жизни клетки. Но дальше станет очевидным, что и во всей иной деятельности царит такая же стройность и совершенство. И это неудивительно. Каждая клетка миллионы лет училась на своих ошибках в эволюции. Отбирались только самые ценные свойства. Все остальное нещадно уничтожалось.

Энергия необходима клетке прежде всего для синтеза молекул, то есть для строительства. Как же это происходит? Чтобы разобраться в этом вопросе, нам необходимо вновь посетить клеточное ядро и поближе познакомиться с правительством нашего города-государства.

Уже при первом знакомстве мы заметили, что "члены правительства" - молекулы ДНК постоянно меняют свой вид и форму существования в ядре. Период, когда они перестали плавать и начали строиться, приобретя форму четко обрисованных вытянутых палочек - хромосом, предшествовал началу клеточного деления - процессу, в итоге которого рождаются две новых клетки вместо одной старой. Как происходит это удивительное деление, мы рассмотрим чуть позже, а сейчас обратим внимание на деятельность молекул ДНК между двумя делениями.

В этот период ДНК хромосом развертывается в длинные нити, образующие в ядре нечто вроде кружева. Молекулы ДНК буквально купаются в ядерном соке, активно контактируя с ним и с его содержимым. Именно в это время мы и увидели их в первый раз.

Глядя на "купающихся" "членов правительства" нашего города-государства, мы и не подозревали, что как раз в это время они и руководят всем строительством белков в клетке, активно передавая свои приказы о том, что, как и где нужно возводить. Именно теперь они активно передавали свою информацию клетке, в то время как в хромосомах закрученные в тугую спираль нити ДНК лишь сохраняли эту информацию для будущих городов-государств.

Что же представляют собой эти странные "члены правительства", какую информацию они имеют и как передают ее клетке-государству?

После работы Д. Уотсона и Ф. Крика, выполненной еще в начале пятидесятых годов, не вызывает никаких сомнений, что молекула ДНК - это двойная спираль, состоящая из двух обвивающих друг друга цепей. Каждая цепь состоит из фрагментов - нуклеотидов, а поскольку их много, то вся цепь является полинуклеотидом (поли - много).

Таким образом, оказывается, что каждая молекула ДНК - это не просто "член правительства (министр)", а целый департамент - "министерство", где есть свои многочисленные "отделы" и "ведомства" (нуклеотиды). Как мы увидим дальше, состав этих отделов и определяет работу всего министерства в целом.

Каждый отдел министерства - нуклеотид состоит из трех химических соединений: сахара, фосфата и какого- либо основания (аденина, гуанина, тимина или цитозина). Каждое из этих веществ выполняет свою особую функцию: остов всей молекулы образуют чередующиеся между собой сахара (дезоксирибозы) и фосфаты, а азотистые основания присоединены к остатку сахара. Так устроена каждая цепь в отдельности, а удерживаются они друг против друга за счет водородных связей азотистых оснований, причем аденин одной цепи всегда соединяется с тимином в другой цепи, а гуанин - с цитозином. Это явление носит название комплементарности оснований.

Вот какое сложное сооружение - молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты! Но почему каждая такая конструкция несет свою особую информацию? Чем конкретно отличается информация одной хромосомы от информации другой и что такое, наконец, сама эта информация? О чем она?

Все эти вопросы волновали биологов многих поколений. Ведь ДНК известна с 1869 года, когда Ф. Мишер впервые выделил из клеточных ядер вещество со свойствами кислоты и назвал его нуклеином. Уже в то время знали, что нуклеин содержит азот (вспомните наши азотистые основания) и фосфор (фосфатные остатки), но никому из современников Мишера и в голову не приходило связывать это вещество с наследственностью, поскольку в то время даже о роли ядра в передаче наследственных свойств не было речи.

Какой гигантский путь прошла наука о клетке с момента открытия нуклеиновой кислоты в ядрах клеток в 1869 году и до сегодняшнего дня, когда пишутся эти строки и когда каждый школьник из учебника знает, что наследственная информация закодирована в структуре ДНК с помощью определенной последовательности азотистых оснований: три рядом расположенных основания определяют одну аминокислоту!

Итак, тайна могущества наших "министерств" начинает проясняться: сама структура молекул ДНК таит в себе запас памяти о том, как строить тот или иной белок в клетке, поскольку аминокислоты - кирпичики любого белкового здания.

Мы уже говорили, что основная масса клетки состоит из белков, а потому во всех клетках идет синтез белков, причем в одних - непрерывно, а в других - только на протяжении определенной части жизненного цикла. Несмотря на огромные различия в свойствах, все белки состоят из относительно простых молекул 20 аминокислот, и, следовательно, синтез белка сводится в конечном итоге к соединению отдельных аминокислот в длинные цепи.

Как мы видим, в синтезе белка действительно много общего с обычным городским строительством: конструкция (белок) собирается только из простых кирпичиков (аминокислот) по определенному плану (триплетный генетический код ДНК - три рядом расположенных азотистых основания кодируют одну из 20 аминокислот), который известен главному архитектору.

Как же соединяются аминокислоты друг с другом? Оказывается, универсальным цементирующим раствором является так называемая пептидная связь, при помощи которой карбоксильная группа (COOH) одной аминокислоты соединяется с аминогруппой (NH2) другой аминокислоты. Таким именно путем "собраны" все белковые агрегаты нашего города-государства.

Однако аналогии и на этом не заканчиваются. Дело в том, что на обычной стройке совершенно недостаточно иметь только кирпичи, цементирующий раствор и план строительства. Всем понятно, что без энергии строителей само по себе ничего не выстроится. Точно так же и в клетке. Пептидные связи не возникают сами по себе, если просто смешать разные аминокислоты. Синтезирующие системы клетки должны активно и энергично эти связи создать, и они их действительно создают.

Химизм этого процесса изучен сейчас достаточно подробно. На первом этапе происходит активация карбоксильных групп аминокислот с помощью... АТФ. Вот куда идет энергия, накопленная в клетке за счет разнообразных энергетических превращений. Мы подозревали, что АТФ будет играть важную роль в различных видах внутриклеточной деятельности, теперь мы видим эту роль воочию.

Итак, АТФ активирует карбоксильную группу аминокислот с помощью двух своих фосфатных групп из трех. Оставшийся после этого фрагмент - аденозинмонофосфат (АМФ) присоединяется к кислотной группе аминокислоты, и она становится способной образовывать пептидные связи. Кирпичики будущего белкового сооружения готовы к сборке.

Но теперь снова встает вопрос о плане строительства, вернее, не о нем самом, а о путях и способах его реализации. Мы оставили молекулу ДНК плавающей в ядерном соке, после того как выяснили, каким образом она заключает в себе план строительства - наследственную информацию. Теперь, когда АТФ активизировала кирпичики-аминокислоты и сборка белковых конструкций вот- вот начнется, необходимо выяснить, как план строительства станет известен на месте сборки, кто и как доставит его из ядра, от соответствующего "министра" к местам строительства.

О самом белке и способах его синтеза мы будем подробно говорить дальше. Но уже сейчас стоит заметить, что белок - основа всего, что есть в городе-государстве. Роль его в жизни клетки можно сравнить разве что с ролью металла в жизни механизма или машины. И хотя без энергии любой металлический станок - груда лома, но и без металлического тела нет машины, нет механизма.

Итак, в рибосомах синтезируется белок. Однако еще почти 50 лет назад, не зная об этой функции открытых ими гранул, Ж. Браше и Т. Каеперон обнаружили в них большое содержание особого вещества, названного рибонуклеиновой кислотой (РНК). Какая связь существует между этим веществом и синтезом белка? Помните, описывая крепость-замок, мы заметили, что не только из митохондрий тянутся "провода" в рибосомы, но из рибосом выходят какие-то "линии связи" и идут к центру города-государства, клеточному ядру. Причем было похоже, что связь рибосом с ядром скорее напоминает телефонную, чем ту, что обеспечивает поступление "тока" из митохондрий. Теперь мы можем убедиться в этом, поскольку общепризнано: синтез белка в рибосомах идет с помощью особых посредников, осуществляющих связь между ДНК ядра и рибосомами. И посредником является рибонуклеиновая кислота (РНК).

Даже само название говорит о том, что "посредник" является весьма близким родственником "министру", и действительно РНК построена по тому же принципу, что и ДНК, только вместо дезоксирибозы, здесь присутствует другой сахар - рибоза, а из азотистых оснований - вместо тимина - урацил.

Что дает это родство? Очень многое. Без этого родства РНК не смогла бы выполнить свою роль посредника в передаче информации молекулы "правительственной" ДНК.

Мы уже говорили, что генетический код - это определенная последовательность азотистых оснований в молекулярной цепи ДНК. При делении клеток в силу уже знакомой нам комплементарности та же самая последовательность воспроизводится в новой молекуле ДНК, ну а между делениями - в структуре молекулы РНК, являющейся как бы слепком с молекулы ДНК. Вот, оказывается, в чем состоит руководящая роль плавающих в ядерном соке ДНК.

Когда мы говорили о том, что ДНК между делениями активно отдает клетке свою информацию, то это и означало, что они "лепят" на себе строго соответствующие их генетическому коду молекулы информационной РНК. А это типичные матрицы, в которых набрано все содержание газеты, но которые сами газетами еще не являются. Процесс снятия слепков РНК с молекул ДНК называется транскрипцией.

Молекулы иРНК, несущие в себе закодированную информацию о последовательности аминокислот в будущих белках, которые надлежит построить, устремляются в фабрики белкового синтеза - рибосомы. Подобно другим, уже знакомым нам предприятиям города-государства, рибосомы представляют собой высокоспециализированные системы, состоящие из мембран и гранул, богатых РНК. 40 и даже 60 процентов общего веса рибосом приходится на РНК, и это вряд ли нас удивит после того, что мы узнали о роли этого вещества в синтезе белка.

Итак, из ядра в рибосомы попадают молекулы РНК, которые выполняют роль шаблона или матрицы для синтеза белков с определенной последовательностью аминокислот. Что же дальше? Как молекулы активированных аминокислот воспринимают указанную им последовательность расположения? Оказывается, что и этот процесс осуществляется с помощью молекул РНК, только других, получивших название транспортных.

Транспортные РНК - настоящие "прорабы" на стройке белка в городе-клетке. Они имеют низкий молекулярный вес, то есть несложно устроены и невелики, но, как и любые молекулы такого рода, имеют определенную последовательность нуклеотидов в своей цепи, а следовательно, в силу все той же специфичности оснований (комплементарности) способны "распознать" одну определенную аминокислоту и соответствующий ей специфический участок в молекуле матричной РНК. Не так ли и настоящий прораб знает в лицо каждого своего рабочего и место на стройке, где он должен трудиться и выполнять свои (и только свои) функции!

С помощью 20 различных транспортных РНК все аминокислоты после их активации АТФ занимают соответствующие места на матрице иРНК и образуют специфическую полипептидную цепь белка. Пептидные связи возникают между каждой парой соседних аминокислот и замыкаются одна за другой до тех пор, пока не закончится постройка белковой молекулы.

Мы уже не раз поражались экономичности, производительности и рентабельности всего того, что делается в клетке. Но все, что мы знали до сих пор, не идет ни в какое сравнение с тем, как фантастически быстро строится в клеточных рибосомах белок. Новые аминокислоты добавляются к растущей цепи со скоростью две аминокислоты в секунду, так что построение молекулы белка из 180 аминокислот заканчивается за 2,5 минуты. К сожалению, ни одна стройка в мире пока не может похвастаться такими темпами! Весь процесс реализации "замысла" о строительстве белка называется трансляцией.

Вот так, строго по плану, в соответствии с генетической программой идет постоянный синтез белковых соединений в клетке. Для чего он нужен? Прежде всего и больше всего, чтобы клетка могла разделиться. Ведь чтобы поделить поровну между дочерними клетками все "предприятия", "учреждения", запасы горючего и всякие иные богатства, да еще в таком количестве и ассортименте, которым располагала сама, клетке перед делением нужно удвоить свое содержимое. Впрочем, не все. Запасов топлива или количества рибосом и митохондрий в молодой клетке в первое время после деления может быть немного. Это не страшно, она наживет себе все необходимое самостоятельно. Но вот умных и знающих все планы строительства "министров" она сама вырастить не сможет, ведь они "учились" своему ремеслу многие миллионы лет, фактически всю историю эволюции этой клеточной семьи. "Членов правительства" каждая новая клетка должна получить точно в том количестве, которым располагала материнская. Иначе дочь не сможет выполнить ту жизненную программу, которая стоит перед ней. Вместо полноценной молодой поросли будет уродливое племя инвалидов.

Именно самоудвоение молекул ДНК перед делением является важнейшим фактором, обеспечивающим генетическую непрерывность жизни. Именно поэтому вновь появившиеся клетки так похожи на своих "родителей" и продолжают их жизненный путь, выполняя такую же работу и разрешая те же задачи.

Мы уже знаем, что в промежутках между делениями молекулы ДНК активно отдают свою информацию клетке, в результате чего там кипит бурное строительство белковых тел по строго заданному плану. Этот период у клеток животных и человека продолжается 10 - 20 часов. Но наступает пора готовиться к делению, и в клетке начинаются удивительные изменения. Теперь нам совершенно понятно, что на период деления (а он продолжается всего час!) всякая работа по выдаче генетической информации прекращается. Собственно, даже несколько раньше, только внешне это трудно заметить.

Итак, готовясь к делению, "министерства" города-государства перестают заниматься городским строительством, перестают высылать на места курьеров-посредников (иРНК) и полностью переключают внимание на самих себя.

Прежде всего молекулы ДНК обеспечивают себя достаточным количеством АТФ. Уж они-то великолепно знают, что без энергии никакой работы не совершишь. Затем происходит самое главное: молекулы ДНК удваиваются. Для этого они сначала раскручиваются, и каждая цепь молекулы строит себе (или на себе) вторую цепь, полностью соответствующую той, с которой рассталась. Запас ДНК удвоен, хватит на две дочерние клетки!

Наконец, на очереди последняя задача: перед началом деления синтезировать белки и накопить энергию для самого процесса деления - митоза, поскольку для этого необходим специальный митотический аппарат. И вот когда все подготовительные этапы завершены, начинается собственно деление клетки.

Сам митоз можно подразделить на четыре фазы.

Начальная стадия (профаза) - это все еще подготовка к делению. Молекулы ДНК уже упаковались в хромосомы и удвоились. Однако половинки удвоенных хромосом (так называемые сестринские хроматиды) еще удерживаются вместе специальной связкой (центромерой). Пока еще хромосомы - одно образование, хотя все вроде бы готово для их расхождения.

В самом конце профазы исчезает стена, отделявшая "правительство города" от всей остальной территории. Ядерная мембрана растворяется, и хромосомы, связанные попарно, оказываются в общей массе ядерных и цитоплазматических веществ - процесс деления захватил всю клетку.

Дальнейшая судьба спаренных хромосом зависит от так называемых центриолей. Эти крупные трехмерные образования, присутствующие в любой живой клетке, перед началом деления так же удваиваются и расходятся в противоположных направлениях, образуя своеобразные полюса. Всем известно, что линия, находящаяся на одинаковом расстоянии от полюсов, называется экватором. И вот именно в плоскость экватора и устремляются со всех сторон связанные между собой центромерами удвоенные молекулы ДНК.

Итак, хромосомы выстроились в экваториальной плоскости на равном расстоянии от полюсов. Эта стадия экваториальной пластинки носит название метафазы. Между центриолями на полюсах клетки и хромосомами устанавливается непосредственная связь, формируется так называемое веретено, нити которого тянутся от центрального участка каждой хромосомы к центр нолям.

Как поразительно изменился наш город-государство! Трудно даже представить себе, что странное образование с двумя полюсами, нитями веретена и множеством хромосом в экваториальной плоскости - это и есть та самая клетка, в которой так четко ядро отделялось от всей цитоплазмы, а в цитоплазматических гранулах-предприятиях кипела разнообразная, четко слаженная работа. Сейчас невозможно различить ни рибосом, ни митохондрий, ни лизосом, ничего, кроме... гигантского митотическогоаппарата, в который входят центриоли и нити ахроматинового веретена. Конечно, органоиды - предприятия не исчезли, но они не функционируют во время митоза, а потому и не видны. Они оттеснены на периферию территории клетки.

А откуда взялся митотический аппарат? Точно пока никто не знает, но, по-видимому, вещества, из которых он строится, разбросаны по всей клетке во время интерфазы и только в конце ее собираются и организуются под влиянием главных дирижеров митоза - центриолей.

Да, центриоли - главные дирижеры митоза. Они не только намечают полюса в делящейся клетке, но и устанавливают физические связи с каждой хромосомой, точнее с центромерой каждой хромосомы.

События достигают кульминации в конце метафазы. Все готово к рождению двух клеток вместо одной... Еще мгновение, и наступает самое главное: сестринские хроматиды отрываются друг от друга, и вновь рожденные самостоятельные хромосомы центромерами вперед устремляются к центриолям!

Расхождение хромосом составляет содержание следующей фазы митоза - анафазы. Хромосомы, как по команде, направляются к полюсам по ходу нитей - волокон ахроматинового веретена. Создается впечатление, что к нашему городу-государству подкрались с двух сторон два Гулливера и, схватившись за нити веретена, стали тянуть каждый в свою сторону полный набор клеточных хромосом, подобно тому, как подлинный Гулливер вытащил все корабли флота лилипутов, привязав к каждому тонкую нить.

По мере того, как хромосомы двигаются по прямым линиям к полюсам (скорость достигает 2 микронов в минуту при общей длине пути от 5 до 25 микрон), полюса тоже начинают удаляться друг от друга, увлекая за собой хромосомы. Вся территория города-клетки при этом меняется, клетка растягивается, стадия анафазы переходит в последнюю стадию митоза - телофазу.

Телофаза - заключительный акт гигантского спектакля, который разыгрался на наших глазах. Точно на уровне экваториальной плоскости возникает мембрана - граница, разделяющая друг от друга территорию двух новых городов. Хромосомы, собравшиеся у полюсов, отделяются от остальной территории города прочной защитной мембраной. Восстанавливается ядро, а в нем ядрышки.

Образовались две новые клетки, но, хотя они снабжены всем необходимым для жизни и работы, размер их мал, и нужна гигантская работа для того, чтобы они действительно во всем сравнялись с родительской. И вот, чтобы руководить этой работой, хромосомы деспирализуются, теряют четкие очертания и начинают вновь отдавать свою наследственную информацию, погрузившись в ядерный сок, где мы и застали их во время первого путешествия в ядро. Наступила интерфаза.

Итак, мы бегло познакомились с делением клеток, рождением новых городов-государств нашего удивительного царства живой природы. Не все клетки делятся. Многие после рождения выбирают путь чрезвычайного усложнения, специализации. Так возникают высокодифференцированные клетки (например, нервные). Но те клетки, которые вновь и вновь делятся, обманули время, познав секрет истинного бессмертия и бесконечно воссоздавая себя в новых и новых клеточных поколениях.

Мы только самым общим взглядом окинули клетку, выяснив, как она устроена, где берет энергию, каким образом строит молекулы и, наконец, делится. В каждом из этих вопросов легко можно утонуть, ибо далеко не все еще известно, а из известного мы сообщили самые необходимые сведения. Мы не можем больше задерживаться на этом, ведь наша книга посвящена не цитологии или генетике: главная наша задача - впереди! Мы описали здоровую, нормальную клетку в покое, работе, во время размножения. Но это все естественные физиологические ее состояния. К сожалению, у нее множество врагов, и один из самых коварных - герой нашего повествования - представитель царства Vira - маленький, но жестокий и беспощадный вирус. Как же он вредит клетке?

Теперь мы можем рассказать и об этом, правда, предпослав еще одно отступление - объяснение термина репродукция, которым обозначают процесс увеличения численности вирионов.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'