Структура лизосомы
Очень важной органеллой эукариотической является клеточный центр, образованный двумя центриолями – цилиндрическими образованиями, состоящие из девяти пучков микроскопических трубочек и расположенными под прямым углом друг к другу. Центриоли принимают участие в делении клетки. Они расходятся в разные стороны, к противоположным полюсам клетки и образуют веретено деления – динамичную структуру, обеспечивающую равное разделение хромосом между двумя дочерними клетками.
Центриоли
Шероховатая эндоплазматическая сеть или эндоплазматический ретикулум – это сложное сплетение каналов и полостей, своеобразная транспортная система клетки. На наружной поверхности шероховатой эндоплазматической сети располагаются рибосомы.
Образование веретена деления
Эндоплазматическая сеть
ГЛАДКАЯ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ принимает участие в синтезе липидов и углеводов, а также образует вакуоли – наполненные газом или жидкостью полости. В животных клетках вакуоли занимают не более 5 % от общего объема клетки, а в растительных клетках могут занимать до 90 %. Если в растительных клетках чаще всего бывает одна крупная расположенная в центре вакуоль, то в животных клетках несколько мелких вакуолей располагаются на периферии. Вакуоли выполняют различные функции – подобно лизосомам разлагают сложные молекулы на простые, накапливают нужные вещества и участвуют в их выведении за пределы клетки и т. д.
Продолжение оболочки клеточного ядра образует разветвленную сеть трубочек и карманов, которая называется эндоплазматическим ретикулумом (это переводится как «внутриплазматическая сеть»). Главной задачей ретикулума является обеспечение активного транспорта веществ внутри клетки. Кроме того, ретикулум участвует в различных процессах клеточного обмена. Часть ретикулума, покрытая рибосомами, называется шероховатым ретикулумом, а та часть, на которой рибосом нет – гладкой.
Эукариотическая клетка – довольно сложная структура. Безъядерные клетки устроены проще, но в сравнении с вирусами даже они выглядят весьма представительно, ибо вирусы устроены предельно просто. От клеточных организмов вирусы отличаются полным отсутствием обмена веществ и энергии, а также отсутствием клеточной структуры и аппарата синтеза белка. Вирусы – это молекулы ДНК (небольшие) или РНК, заключенные в защитную белковую оболочку, называемую капсидом. Ничего лишнего – только матрица для образования новых вирусов. При такой простоте вирусы самостоятельно размножаться не могут. Они внедряются в клетку и используют ее ресурсы для размножения. Посредством своей нуклеиновой кислоты вирус программирует структуры клетки-хозяина на синтез своего вирусного материала – нуклеиновой кислоты и белков капсида – из клеточных веществ с использованием клеточной энергии. Можно сказать, что вирус подчиняет себе клетку. Паразитируя в клетках, вирусы нарушают их нормальную жизнедеятельность, вызывая различные болезни. Вирусы способны поражать все живое – животных, растения, одноклеточные организмы.
На сегодняшний день известно более 1000 вирусов.
Схематическое изображение различных вирусов
Размеры вирусов очень малы. Их выражают в нанометрах 1 нанометр (нм) = 10
метра. «Мелкий» вирус полимиелита имеет размер около 20 нм, а «гигантский» вирус желтухи свеклы – около 1500 нм. Одновременно клетку могут заселять несколько десятков вирусов.
Капсид выполняет не только защитную функцию. Он также обеспечивает прикрепление вируса к поверхности клеточной мембраны благодаря наличию рецепторов, способных связываться с мембранными рецепторами. Без фиксации капсида на мембранной поверхности, то есть без наличия на ней нужных рецепторов, не может произойти проникновение вируса в клетку, не может развиться вирусное заболевание. Каждый вирус имеет строго определенный круг хозяев, в клетках которых он способен размножаться. Есть вирусы, паразитирующие только на одном-единственном виде бактерий,[12 - Бактерии – безъядерные одноклеточные микроорганизмы, объединенные в одноименный домен (самый верхний уровень группировки организмов в биологической систематике).] а вот вирус бешенства имеет обширный круг хозяев – он поражает всех млекопитающих без исключения.
У некоторых вирусов, кроме капсида есть дополнительная защитная оболочка из липопротеина, вещества, образованного соединением белка и липида. Наиболее сложно устроены вирусы-бактериофаги («пожиратели бактерий»), которые паразитируют на бактериях. Эти вирусы имеют аппарат для транспортировки своей нуклеиновой кислоты в бактерию, по действию напоминающий шприц. В головке бактериофага находится нуклеиновая кислота, которая проталкивается в клетку-хозяина под давлением через хвост, который выступает в роли иглы, прокалывающей мембрану бактерии-хозяина, вернее – мембрану бактерии, которой предстоит стать хозяином.
«Введение бактериофагом своей нуклеиновой кислоты в цитоплазму клетки-хозяина»
Паразитирование вируса герпеса в клетке
Чем проще устройство, тем реже оно ломается. Чем проще устроен организм (давайте договоримся, что мы станем считать вирусы особой формой жизни), тем труднее нарушить его жизнедеятельность. С вирусами очень трудно бороться потому что они имеют простейшее строение и, вдобавок, обитают внутри клеток, которые служат им защитой. Противовирусные препараты по принципу действия подразделяются на две группы – стимуляторы иммунной системы, которая борется с чужеродными агентами, и препараты, поражающие вирусы напрямую. Препараты «прямого действия» могут препятствовать проникновению вируса в клетку, его размножению внутри клетки и выходу копий вируса из клетки. Лучше всего, конечно, не допускать проникновения вируса в клетку, поскольку таким образом клетки организма предохраняются от повреждения.
В художественном произведении персонаж, мешающий главному герою достигать его целей, называется антагонистом. Вирусы можно считать «антагонистами» живых клеток, потому что они мешают их нормальному функционированию.
Давайте вместе подумаем над тем, можно ли считать вирусы особой, неклеточной формой жизни.
С одной стороны, вирусы не имеют обмена веществ и энергии, не осуществляют синтеза белков, нуклеиновых кислот и других необходимых им веществ. Самостоятельно, без использования чужих ресурсов, вирусы воспроизводиться не могут. Ну какие же это живые организмы? Это всего лишь комплексы органических молекул, способные взаимодействовать с живыми организмами.
С другой стороны, вирусы способны к размножению, пусть и внутри клетки-хозяина, но способны, они имеют свой собственный генетический материал и изменяются в процессе эволюции, что свойственно живым организмам и никому больше. Если смотреть в корень, то становится ясно, что вирусы представляют собой особую форму жизни, а не просто «комплексы органических молекул». Биологи в шутку говорят о вирусах, что «они живые, но не совсем».
Но если вирусы с небольшой натяжкой можно отнести к особой форме жизни, то с прионами дело обстоит гораздо сложнее. У прионов нет генетического материала. Прион – это молекула белка с аномальным пространственным строением. Длинная молекула приона свернута в клубок не так, как принято у нормальных белков, а несколько иным образом. Когда эта молекула встречается с правильно свернутой молекулой аналогичного белка, то она перестраивает ее, делает похожей на себя, то есть – неправильной. А неправильные молекулы, в свою очередь, делают неправильными другие правильно свернутые молекулы. Идет цепная реакция, которая заканчивается лишь тогда, когда правильных молекул не останется. Этот процесс можно сравнить с размножением приона, причем такое размножение происходит без участия нуклеиновых кислот.
Белок с измененной структурой не может выполнять свои обычные функции, жизнедеятельность клеток нарушается и развиваются болезни. Про коровье бешенство, которое по-научному называется губчатой энцефалопатией[13 - Энцефалопатия – органическое поражение головного мозга, общее название для заболеваний головного мозга не воспалительного характера.] крупного рогатого скота, все слышали? Это заболевание вызывается прионным белком PrP, который представляет собой гликопротеин, крепящийся снаружи к мембране нервных клеток. Нормальные белки головного мозга становятся плотными и мозговое вещество словно бы сжимается, в нем возникают многочисленные поры, отчего оно начинает напоминать губку. Потому-то это заболевание называют губчатой энцефалопатией.
Вот как быть с прионами? Они умеют только размножаться и ничего больше… Но можно ли назвать «размножением» перестройку нормальных молекул белка? С другой стороны, вирусы тоже делают нечто похожее – используют для размножения резервы клеток, в которых они паразитируют. Так можно ли считать прионы особой формой жизни или нет?
Два варианта пространственной конфигурации прионного белка
Вопрос остается открытым. И надо сказать, что это не самая крупная нерешенная проблема современной биологии. Самая крупная из нерешенных проблем настолько сложна, что многие ученые, когда-то буквально фонтанировавшие энтузиазмом, отказались ею заниматься. Да вот, представьте себе – отказались. Сложили руки, признали свое поражение и заявили, что на данный момент решение этой проблемы не представляется возможным. Но отдельные герои продолжают поиски, а кто ищет, тот, как известно, всегда найдет.
Вы заинтригованы?
Читайте следующую главу!
Глава третья. Откуда что взялось или теории происхождения жизни на Земле
Вопрос о том, откуда на нашей планете взялась жизнь, волновал человечество с древнейших времен, но первую стройную научную теорию происхождения жизни на Земле предложил в 1923 году советский биолог Александр Опарин.
Место и время рождения этой теории, которая получила название теории биохимической эволюции или теории абиогенного[14 - Абиогенный – происходящий без участия живых организмов.] синтеза, хотя на деле являлась гипотезой,[15 - Гипотеза – это предположение, которое пока еще не нашло подтверждения. Теория же представляет собой совокупность взаимосвязанных утверждений, касающаяся какого-то предмета. Теория может включать в себя отдельные гипотезы, но большинство утверждений, составляющих теорию, имеют подтверждение.] были неслучайными. Советское правительство, активно пропагандировавшее атеизм, остро нуждалось в научном объяснении появления жизни на нашей планете. И дать такое объяснение должен был ученый нового социалистического времени, свободный от буржуазно-религиозных предрассудков. Опарин, окончивший естественное отделение физико-математического факультета МГУ в революционном 1917 году идеально подходил под это требование. Впоследствии идеи Опарина получили развитие в трудах английского ученого Джона Холдейна и потому теорию Опарина часто называют теорией Опарина-Холдейна.
Опарин считал, что живая материя зародилась в недрах неживой. Собственно, ничего другого и нельзя было предположить. Если отринуть идею Высшей силы, сотворившей все живое, то неизбежно придешь к тому, что живое произошло от неживого.
Невероятно?
Вполне вероятно, давайте проследим за рассуждениями Опарина, который выделял три этапа перехода от неживой материи к живой.
Первый этап Опарин назвал химической эволюцией, подразумевая, что химические вещества переживали такой же естественный процесс развития, как и все живое на нашей планете и вектор этого процесса был направлен от простого к сложному – происходил синтез соединений углерода без участия живых организмов.
По мнению Опарина этот синтез начался примерно 4 000 000 000 лет назад. Тогда на нашей пока еще безжизненной планете повсеместно извергались вулканы, выбрасывая в атмосферу огромные количества раскаленной лавы. В атмосфере Земли тогда не было озонового слоя, улавливающего часть солнечного излучения (а именно – коротковолновое ультрафиолетовое излучение, которое неблагоприятно для всего живого) и лучи Солнца доходили до земной поверхности без потерь. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Таковы были предпосылки химической эволюции.
Схематическое изображение теории биохимической эволюции
И что же произошло?
Под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры окружающей среды, электрических разрядов молний и активной вулканической деятельности в атмосфере нашей планетынепрерывно образовывались различные органические соединения, которые затем попадали в океан. Концентрация органических соединений в воде постоянно увеличивалась, и в конечном итоге воды океана стали «бульоном» из пептидов,[16 - Пептидами (от греческого слова «пептос») химики называют вещества, молекулы которых состоят из двух и более остатков аминокислот, соединённых в цепь пептидными связями – C(O)NH–. Белками называют пептиды, молекулы которых содержат от 50 и более аминокислотных остатков. В данном контексте под пептидами понимаются вещества с небольшим количеством аминокислотных остатков в молекулах.] сахаров, нуклеозидов и прочих низкомолекулярных органических веществ, причем – довольно насыщенным бульоном.
Второй этап был ознаменован появлением белков и других высокомолекулярных соединений. В какой-то момент, под действием перечисленных выше факторов, началось слияние небольших молекул в крупные комплексы, что привело к образованию белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.
Венцом химической эволюции стало появление коацерватов – капель с бо?льшей концентрацией коллоида нежели в остальной части раствора того же самого химического состава.
Давайте вспомним из курса химии, что коллоидами (в переводе с греческого – «клеевидными») называются дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и взвесями, в которых в растворителе присутствуют не молекулы, а мелкие частицы растворенного вещества, состоящие из многих молекул.
Коацерватные капли, образующиеся в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот, способны адсорбировать различные вещества. А еще они способны к слиянию друг с другом и к распаду на несколько частей, условно сравнимому с размножением. Условно, потому что коацерваты не способны к самовоспроизведению. И к саморегулированию они тоже не способны, поэтому их нельзя рассматривать в качестве живых организмов. Опарин рассматривал коацерваты как некие «предбиологические» системы.
Коацерват
Третьим и заключительным этапом было «оживление» коацервата. «На бумаге», то есть – теоретически, все выглядело логично. Вокруг коацерватов возникли слои липидов, отделившие их от окружающей водной среды. В процессе эволюции эти слои превратились в наружную мембрану. В коацерватах начали формироваться взаимные связи между нуклеиновыми кислотами и белками. В результате синтез необходимых оживающему коацервату белков стал осуществляться на основе информации, «записанной» в молекулах нуклеиновых кислот. Эти кислоты получили способность к самовоспроизведению при участии специфических белковых ферментов…
В результате всего этого коацерваты превратились в так называемые протобионты – уже живые, могущие размножаться и способные к обмену веществ, но пока еще не имеющие клеточной организации. Со временем это «недостаток» был исправлен – внутри протобионта сформировались митохондрии и некоторые другие органеллы. Химическая эволюция завершилась образованием первичной клетки, которую Опарин называл «археклеткой» – древнейшей клеткой. С этого момента началась другая эволюция – биологическая.
Та-да-да-дам! Хочется трубить в фанфары и аплодировать, однако в бочке нашего меда есть целый половник дегтя.
Возможность абиогенного синтеза высокомолекулярных органических веществ была экспериментально доказана в 1953 году американскими учеными Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Для проведения эксперимента был создан аппарат, состоявший из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь (см. рисунок). В одну из колб было помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты – два электрода, между которыми регулярно происходил электрический разряд напряжением примерно в 60 000 вольт. В другой колбе постоянно кипела вода. Аппарат был заполнен смесью газов, соответствовавшей тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли. Смесь состояла из метана (CH
), аммиака (NH
), водорода (H
) и монооксида углерода (CO).
После двух недель непрерывной работы в колбе с водой были обнаружены такие вещества, как уксусная и муравьиная кислоты, мочевина и несколько аминокислот. Аминокислоты в данном эксперименте имели первостепенное значение – раз уж они образовались «из ничего», то рано или поздно начнут соединяться в цепочки и таким образом превратятся в белки, основу жизни на нашей планете. Эксперимент можно было не продолжать до образования первых белковых цепочек, все было ясно и так – в соответствующих условиях при наличии определенных исходных продуктов из неорганических веществ в случайном порядке могут образовываться высокомолекулярные органические соединения.
Схема эксперимента Миллера-Юри
Но эксперимент Миллера-Юри все же продолжили другие ученые, которые дошли до «конца первой серии» – получили все виды биологических молекул, в том числе сложные белки, аналогичные белкам живых клеток, и липиды, способные образовывать клеточные мембраны.
Способные образовывать… Наличие материалов, необходимых для строительства дома, еще не означает, что дом будет построен, не так ли?
Первая часть гипотезы Опарина была подтверждена экспериментальным путем, что свидетельствовало о ее состоятельности и давало право называться уже не гипотезой, а теорией. Что же касается второй части – перехода от сложных органических соединений к живым организмам – то с ней вышла загвоздка. Несмотря на многократные попытки ученых, создать живую клетку из коацервата пока еще никому не удалось. А уж люди старались на совесть, ведь превращение коацервата в клетку в лабораторных условиях стало бы самым эпохальным научным экспериментом всех времен. Старались по-всякому… Но ничего не вышло. Правда, в 2011 году повеяло чем-то доказательным, когда ученые из Токийского университета смоделировали подобие протоклеток, способных производству копий собственной ДНК и, следовательно, к самовоспроизведению. Но (как тут не вспомнить классическое: «Все что говорится до слова «но» – не имеет значения») этот эксперимент был поставлен с «посторонней» ДНК, которую ввели в протоклетки на начальной стадии эксперимента. Вот если бы ДНК протоклетки возникла бы сама по себе, то здесь были бы к месту и фанфары, и литавры, и бурные продолжительные аплодисменты, переходящие в овацию, и Нобелевская премия…
Увы, возможность спонтанного возникновения жизни на сегодняшний не доказана и в обозримом будущем вряд ли что-то изменится. Превращение коацервата в живую клетку современные ученые считают заведомо неразрешимой задачей. Нельзя сказать, что ученые «опустили руки», просто все понимают, что возможности современной науки этого не позволяют. Да и сама теория Опарина-Холдейна в наше время теряет сторонников. Она признается «за неимением лучшего», но подвергается критике с различных позиций.
Современные геологи все больше и больше склоняются к мнению относительно того, что древняя атмосфера нашей планеты состояла только из углекислого газа, водяных паров, азота и небольшого количества водорода. Если в аппарат Миллера-Юри поместить такую смесь, то никакие аминокислоты, кроме простейшей аминоуксусной, известной также под названием глицин,[17 - Вот формула этого вещества.
Для органического вещества оно и впрямь очень простое по своему строению.] там не образуются. Более сложные аминокислоты могут образовываться в ходе эксперимента лишь в присутствии метана, наличие которого в древней атмосфере планеты в наше время вызывает серьезные сомнения. Это первое.
Насколько точно современная наука способна судить о атмосфере давностью в несколько миллиардов лет? Надо сказать, что возможности для точных выводов есть и делаются эти выводы на основании совокупных исследований в ходе которых могут учитываться даже отпечатки дождевых капель на горных породах определенного возраста. Казалось бы – ну разве можно судить о составе и характере атмосферы по отпечаткам дождевых капель? Представьте – можно. Глубина впадин, которые оставляли дождевые капли, дает возможность рассчитать скорость их падения, которая, в свою очередь, позволяет определить плотность воздуха того периода. А на основании плотности воздуха можно судить о его составе. Это был всего лишь один из примеров того, как делаются выводы подобного рода.
