На протяжении веков талантливые ученые открывали разные элементы клетки. В XIX веке немецкие ученые Теодор Шванн, Маттиас Якоб Шлейден и Рудольф Вирхов помогли сформулировать клеточную теорию. Один из ее принципов дал идеальную отправную точку для развития науки: он гласит, что клетка является базовой единицей жизни.
Самая большая и самая маленькая
В организме человека «живет» около 200 типов клеток, но самые большие и самые маленькие – те, которые отвечают за само наше существование. Яйцеклетка видна даже невооруженным глазом: ее размер составляет 0,5 мм в диаметре. В отличие от нее сперматозоид можно увидеть лишь под микроскопом, а длина его головки не превышает 0,004 мм.
Наше тело состоит из триллионов клеток. Довольно часто назначение клетки определяется ее строением (и наоборот). Но есть и фундаментальные структурные сходства. Все клетки, вне зависимости от своего типа, заполнены водянистым желеобразным матриксом, который заключен в наружную клеточную мембрану. Этот желеобразный матрикс, или цитоплазма, контролирует все, что входит и выходит, и поддерживает структуру клетки. Кроме того, в цитоплазме расположены микроскопические органоиды (органеллы), которые помогают клеткам выполнять специальные функции. С этой точки зрения отличия упираются в то, какие органеллы есть в клетке и сколько их.
Ядро
Во всех наших клетках присутствует (или присутствовал в начале их существования) некий центр управления под названием «ядро». Этот «командир» органелл определяет, к какому таксономическому типу отнести их обладателя: к простому, например бактериям, у которых нет ядра, или более сложному организму, обладающему собственным ядром. Ядро – это мозговой центр клетки, поэтому оно занимает центральное положение. Ядро содержит специальный код – нашу генетическую информацию – в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). О привилегированном положении ядра в клетке свидетельствует и то, что у него есть собственный матрикс, и то, что оно покрыто «двойной» мембраной.
Митохондрии
Если какая-то органелла и способная оспорить главенствующую роль ядра, то это колбасовидная структура под названием «митохондрия». Это не просто эволюционные гиганты с двойной мембраной и собственной генетической системой, именно они решают, будет ли клетка жить или умрет. Считается, что митохондрии развились из бактерий, которые когда-то давно проникли в клетку. Эти биологические «поселенцы» смогли обосноваться в определенной части клетки, установив симбиотические отношения с клеткой-хозяином.
В отличие от электрических генераторов, митохондрии сами вырабатывают всю необходимую для жизни энергию. Без этой способности они были бы не более чем плавающими частичками детрита. Митохондрии пользуются молекулами кислорода для преобразования энергии из питательных веществ (глюкозы) в высокоэнергетические молекулы (аденозинтрифосфат, или АТФ), нужные для всех химических реакций в организме. В результате этого процесса, известного как аэробное клеточное дыхание, выделяются углекислый газ, вода и тепло. Сам АТФ необходим клеткам для производства белков.
Эндоплазмическая сеть и рибосомы
По команде ядра в органеллы начинают каскадным способом передаваться белковые структуры. Первые «получатели» – это рибосомы, свободно плавающие в цитоплазме или связанные с мембранной сетью каналов, которую называют эндоплазматической сетью (ЭПС). Сферические рибосомы получают шаблон, на основе которого создаются белки.
Митохондрия
Эндоплазматическая сеть
Аппарат Гольджи
Вакуоль
Лизосома
ЭПС работает как конвейерная лента и получает готовые белки, собранные связанными рибосомами. Эти плоские и изогнутые мембраны помогают продуктам из ядра проникать глубоко в цитоплазму. Они поддерживают внутреннюю транспортировку и выведение таких белков, как антитела (используются в иммунной системе) и ферменты (ускоряют химические реакции). Не у всех ЭПС есть связанные рибосомы. ЭПС, которые не содержат рибосом, называют гладкими. Они производят компоненты жиров, а также гормоны и химические ионы, запускающие реакции.
Аппарат Гольджи
Было бы настоящим упущением не рассказать о том, как клеточные продукты связываются и упаковываются для использования внутри и вне клетки. Стопки мембран, более известных как диктиосомы, или аппарат Гольджи, были названы в честь итальянского биолога Камилло Гольджи (1843–1926 гг.). Эти органеллы отвечают за двустороннюю транспортировку веществ и добавляют финальные штрихи белкам из ЭПС перед тем, как упаковать их в маленькие мембраносвязанные везикулы (пузырьки).
Вакуоль
Эти крупные и заполненные жидкостью пузырьки служат плавающими контейнерами для хранения нужных клеткам веществ (питания и ферментов) либо специально изолированных субстанций.
Лизосома
В клетке проходит множество процессов, поэтому она должна тщательно следить за внутренним порядком. К счастью, в каждой клетке есть собственный центр переработки – лизосомы. Вам бы точно не захотелось очутиться внутри лизосом: они заполнены ферментами, которые перерабатывают и переваривают изношенные компоненты клетки, а также воздействуют на инвазивные инородные тела и саму клетку (если она повреждена и не подлежит восстановлению).
ДНК: все дело в основе
Клетки создают белки, а схему для их сборки берут напрямую из самих генов в ядре. Эти упорядоченные последовательности биологических данных, которые мы наследуем от родителей, влияют на работу организма. Все, начиная с нашего внешнего вида и заканчивая тем, как мы перевариваем пищу, представлено в виде инструкций, которые закодированы в основных единицах наследственности – удивительных молекулах ДНК.
Лауреаты Нобелевской премии Джеймс Уотсон (слева) и Фрэнсис Крик (справа) вывели молекулярную структуру ДНК на базе работ рентгеновских кристаллографов Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин.
Было бы настоящим кощунством описать структуру ДНК и не упомянуть Джеймса Уотсона (род. в 1928 г.) и Фрэнсиса Крика (1916–2004 гг.). В 1953 году эти кембриджские выпускники смогли определить молекулярную структуру ДНК. Говоря простым языком, структура молекулы похожа на винтовую лестницу, которую вертикально разрезали на две равные части. Обе части, или полотна лестницы, состоят из двух последовательно расположенных соединений: фосфатной группы и молекулы сахара, известной как дезоксирибоза. Это и есть основа ДНК. Под углом в 90 градусов к каждой связанной молекуле сахара одного полотна прикрепляется органическая молекула – углеродное основание, формирующее одну половину ступени. Эти основания бывают разных типов: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин). Порядок их расположения является ключом к расшифровке генетического кода.
Каждое основание в двойной спирали ДНК связывается с сахарной частью сахаро-фосфатного остова и комплементарной парой с помощью слабых водородных связей
Если совместить два этих полотна и объединить их углеродные основания с помощью слабых водородных связей, то образуются подвесные ступени, или пары оснований. (Водородная связь представляет собой особый тип силы, или притяжения, между атомом водорода и каким-то другим атомом.) Для конечной «подгонки» нужно соединить основания одной ступени с правильными (комплементарными) основаниями другой. В молекуле ДНК A связывается только с T, а Г – только с Ц. Далее лестница закручивается в спираль – и вуаля! – у вас получилась модель ДНК.
К чему этот поворот?
Не очень приятно думать, что мы обязаны всем одной цепочке молекул, скрученной как зефирная трубочка. Но давайте разберемся. В этой конструкции скрыто гениальное преимущество. Считается, что витки спирали защищают основания от деструктивных взаимодействий и поддерживают суперспирализацию ДНК в плотно упакованных хромосомах (см. параграф «Свертывание в хромосомы», стр. 34–35). Именно поэтому такие молекулы могут втиснуть 6 миллионов пар оснований в одну клетку. ДНК-основания гидрофобны, то есть не переносят воду, а наши клетки во многом состоят именно из нее. Поэтому можно с уверенностью предположить, что перекрученная структура молекулы обеспечивает максимальную защиту ее самых чувствительных областей.
Производство белков
Белки – это длинные молекулы, состоящие из цепочек одной или нескольких аминокислот. Порядок расположения аминокислот определяется последовательностями оснований в конкретной части ДНК. Белки необходимы для создания и работы всех клеток, тканей и органов человека. Но каким образом ДНК из двойной спирали переходит к созданию белков? Недостающим звеном процесса является рибонуклеиновая кислота (РНК).
ДНК и РНК очень похожи. С той лишь разницей, что РНК – это одиночная цепочка, а ее сахарный компонент состоит из рибозы (не «дезокси-», поскольку в данном случае он не пропускает атом кислорода). В отличие от ДНК, РНК связывает аденин (A) не с тимином (T), а с урацилом (У). Существует теория, согласно которой в ходе эволюции ДНК променяла свой урацил на тимин, поскольку последний создает более прочные структуры, через которые не могут пройти опасные частицы. Очевидно, что таким образом дальновидная ДНК изобрела куда более безопасный способ для хранения генетической информации.
Транскрипция
Как только ген включается для производства белка, или экспрессируется, определенная часть ДНК, кодирующая этот ген, раскручивается и начинает постепенно распаковываться. При этом молекула передает свои основания в белок под названием «РНК-полимераза». Этот фермент транскрибирует код из одной цепочки ДНК, совмещая последовательные блоки из фосфатной группы, рибозу (сахар) и присоединяемое основание (все вместе это называется рибонуклеотидом). Кроме того, РНК-полимераза следит за комплементарностью пар оснований по правилу Г – Ц и А – У. В результате образуется особая молекула РНК – матричная РНК (мРНК), а сам процесс называют транскрипцией.
Одна цепочка ДНК служит матрицей для транскрипции. Новообразованная молекула мРНК превращается в шаблон для связывания аминокислот при производстве белков.
Очевидно, что перемещать внутри клетки копии кода, а не священную ДНК, – в разы безопаснее. Завершив транскрипцию, мРНК выходит из ядра через пору мембраны и попадает в цитоплазму. Там она вступает во взаимодействие с рибосомами и продолжает процесс трансляции кода в аминокислоты.
Новые белки
Новые белки могут использоваться внутри клетки или готовиться для экспорта во вне. Ферменты ускоряют химические реакции, поэтому такие белки используются и внутри, и вне клетки. К внутриклеточным белкам относятся рецепторы, которые внедряются в наружную мембрану. Они преобразуют внешние сигналы во внутриклеточные действия. Мембранные белки можно сравнить со светофорами, регулирующими движение молекул на клеточной мембране.
Мембранные белки, характерные для клеточной мембраны, называются интегральными. Их функции зависят от их структуры.
Свертывание в хромосомы
Хромосомы – это ДНК, которая плотно обмотана вокруг своеобразных «катушек» – белков, называемых гистонами. Все наши клетки, кроме половых, содержат по 23 пары (или 46 единиц) хромосом, что называют диплоидным числом хромосом. Один набор берется от отца, а другой наследуется от матери. ДНК сворачивается в хромосомы, только когда клетка готовится к делению. И именно в этот момент хромосомы можно увидеть под микроскопом. Если бы ДНК не превращалась в хромосомы, то при делении клетки превращались бы в запутанные клубки.
