Льюис Уолперт - Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Затем сила, заставляющая реплицированные хромосомы держаться вместе, перестает действовать, и хромосомы с равномерной скоростью расходятся к противоположным полюсам веретена деления. В результате у каждого из полюсов образуется одинаковый набор хромосом, вокруг которого сразу же начинает формироваться ядерная оболочка, и образуются два новых клеточных ядра. Теперь клетка полностью готова к тому, чтобы разделиться на две.

Представьте себе, как вы завязываете веревку вокруг детского шарика и затем начинаете тянуть за оба конца этой веревки так, что середина шарика сжимается и у вас в руках образуется сразу два шарика. В разделяющейся клетке роль подобной веревки играет поперечная клеточная перетяжка, которая формируется внутри клетки и располагается между двумя вновь созданными ядрами будущих дочерних клеток. Положение поперечной перетяжки определяют цитастеры веретена деления. Перетяжка начинает воздействовать на клеточную оболочку, создавая силу давления на нее. Взаимодействие цитастер с участками клеточной оболочки в районе полюсов веретена деления приводит к тому, что давление на оболочку в этих местах ослабевает, но при этом продолжается в экваториальной плоскости, где образуется кольцо из актиновых и миозиновых филаментов. Постепенно образуется борозда деления, которая углубляется вплоть до полного разделения клетки и образования двух дочерних. Так происходит размножение клеток.

Второй важнейшей особенностью жизни является поддержание порядка внутри клетки. Это означает способность вызывать рост и синтез новых молекул и поставлять энергию для этих процессов. В некотором смысле клетка является миниатюрной химической фабрикой, внутри которой происходит большое количество химических реакций с участием мельчайших молекул углеводов и жиров и образуются крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Крайне важную роль в этом играют энзимы, способствующие ряду химических реакций, которые в конечном счете ведут к образованию либо разрушению молекул.

Поддержание порядка и предотвращение хаоса требуют энергии. Ведь, согласно второму закону термодинамики, материя стремится к неупорядоченному состоянию. Например, когда горсть подброшенных в воздух монет падает на землю, то соотношение монет, упавших орлом или решкой, никогда не будет упорядоченным. То, что все монеты упадут или орлом, или решкой, практически невероятно. Это касается всех изолированных систем — они имеют тенденцию скатываться к хаосу, если только для предотвращения этого состояния не тратится определенная энергия.

Синтез новых молекул во время фазы роста клетки, движение материи внутри клеток и сокращение мускульных клеток, вывод из клеток солей натрия — все это требует расходов энергии. Ключевым вопросом является то, откуда и как клетки эту энергию добывают. Подобно нам, людям, им приходится питаться для того, чтобы выжить. И большая часть питания, которое потребляют клетки, идет на выработку энергии, хотя некоторая его часть идет на образование новых белков и иных молекул.

Питание клеток осуществляется за счет той еды, которую мы потребляем, и именно она служит их основным источником энергии. Энергия же вырабатывается благодаря соединениям атомов кислорода и водорода, содержащимся в молекулах углеводов и жиров и в других молекулах, поставляющих питание клеткам.

Животные клетки, подобные клеткам человека, получают энергию от расщепления пищи во время ее переваривания и соединения получившихся элементов с атомами кислорода, в то время как растения вырабатывают энергию за счет солнечного света. Органами, отвечающими за выработку энергии в клетках животных, являются митохондрии. Они производят основной источник внутриклеточной энергии — АТФ, аденозинтрифосфорную кислоту. Объемы внутриклеточной активности обычно зависят от того, сколько в них используется молекул АТФ. Мы едим и дышим прежде всего для того, чтобы наши клетки могли вырабатывать АТФ. А АТФ необходима, чтобы обеспечивать энергией все происходящие внутри нас процессы. Когда мы занимаемся физическими упражнениями, мы ускоренно потребляем эту энергию, и именно это приводит к усталости.

АТФ является универсальным источником энергии для всего, что происходит внутри клетки — от мускульных сокращений до синтеза белков. Когда молекула АТФ вырабатывает энергию, жертвуя для этого одной из трех своих фосфатных групп, то она превращается в АДФ — аденозина дифосфат. АДФ может затем быть вновь превращена в источник энергии благодаря тому, что митохондрия снова присоединит к ней фосфатную группу, которая образуется при расщеплении углеводов.

В клетке в среднем содержится несколько миллиардов молекул АТФ. Все они используются и синтезируются вновь каждые две минуты. Почему в процессе эволюции в качестве основного источника возобновляемой энергии была выбрана именно АТФ, не совсем ясно, однако она работает очень эффективно. В принципе, это и есть тот результат, к которому должна была стремиться эволюция.

Клетки заботятся о том, чтобы, расщепляя еду на молекулы ради получения энергии или строительного материала, по ошибке не расщепить собственные молекулы. Отчасти эта задача решается за счет того, что первичное расщепление пищи происходит в небольших клеточных органеллах, которые называются лизосомами. В лизосомах содержатся энзимы, помогающие перевариванию пищи. Следующая и самая важная фаза процесса происходит в митохондриях, куда поступают продукты переваривания пищи и где происходит разрушение молекул углеводов и выработка на основе этого АТФ. Там вырабатывается большая часть энергии, и ключевым элементом для этого служит кислород.

Чтобы представить себе, как энергия, получаемая от сжигания углеводов, преобразуется в полезную энергию АТФ, вообразите себе камни, отрывающиеся от скалы и падающие вниз. Энергия их падения обратится в тепло и исчезнет, едва они коснутся земли. Однако можно установить на пути катящихся вниз камней гребное колесо и заставить их поворачивать его, да к тому же привязать к нему наполненное водой ведро, которое это колесо при своем вращении будет поднимать вверх. Когда вода в ведре поднимается выше уровня земли, она сама становится источником энергии, и эту энергию можно получить, если пропустить воду через машину, действующую по принципу гребного колеса, — точно так же источником энергии может стать АТФ, когда это потребуется.

У клеток нет таких проблем, которые испытываем мы при поглощении пищи, ибо они не знают, что такое тучность. Расщепление питательных веществ за счет их переваривания энзимами происходит в нашем кишечнике. Образующиеся при расщеплении молекулы могут затем проникнуть в клетки кишечника и использоваться для извлечения из них энергии. Главным и наиболее предпочтительным для клеток источником энергии являются углеводы. Когда клетки расщепляют углеводы на воду и двуокись углерода, высвобождающаяся при этом энергия накапливается в молекулах АТФ. На каждую расщепляемую молекулу глюкозы приходятся две молекулы вновь образованной АТФ.

Большинство вырабатываемых в нашем организме молекул АТФ — результат деятельности митохондрий. Впоследствии мы установим, что митохондрии — это не что иное, как бактерии, видоизмененные в процессе эволюции для того, чтобы обеспечивать энергией клетки нашего тела. Процесс производства митохондриями АТФ происходит на протяжении уже миллиардов лет. Его механизм достаточно сложен, он основан на прохождении через оболочки митохондрий электронов. Митохондрии имеют двойную оболочку — внешнюю и внутреннюю. При этом внешняя оболочка митохондрий обладает большой степенью проницаемости, в то время как внутренняя проницаема гораздо в меньшей степени.

Попадая в пространство между внешней и внутренней оболочками митохондрий, электроны заставляют двигаться протоны — ионы водорода. Протоны устремляются вдоль оболочки и проходят через специальный белковый механизм, который производит АТФ путем добавления одной фосфатной группы к АДФ. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется примерно тридцать молекул АТФ.

Открытие этого удивительного механизма произошло совершенно неожиданно. Вплоть до 1960 года исследователи полагали, что митохондрии вырабатывают энергию на основе того принципа, по которому расщепление молекул сахаров приводит к образованию АТФ. И только в 1961 году Питер Митчелл выдвинул идею о том, что этот механизм в действительности функционирует на основе движения протонов и возникновения электрохимического градиента. Неудивительно, что такая революционная идея была поначалу встречена с большой долей скепсиса.

Третьим основным признаком жизни является ее способность к эволюции. Именно эволюция обусловила появление живых существ — от бактерий и растений до человека. Краеугольным камнем удивительного открытия Дарвина стало представление о том, что характерные особенности живых организмов могут по наследству передаваться из поколения в поколение, видоизменяясь при этом под воздействием окружающей среды и внешних условий жизни. Если подобные изменения приведут к появлению более конкурентоспособных особей, то их количество неизбежно вырастет по сравнению с теми особями, которые не приобрели подобных преимуществ. Наследование характерных признаков живых существ осуществляется исключительно благодаря наличию в организме генов. Гены — единственная часть клетки, которая реплицируется и позволяет передавать наследственную информацию из поколения в поколение.