Методические материалы, статьи

Гонки «Формула-1» В живой клетке

Альберт Сент-Дьёрди, один из «великих венгров», прославивших в ХХ веке свое отечество, физиолог и биохимик, получивший Нобелевскую премию за открытие витамина С, рассказывал, что самым волнующим моментом во всей его долгой научной карьере было не вручение премии и даже не само открытие, за которое он ее получил, а скромный эксперимент, проделанный им в 1934 году, когда, работая с длинными белковыми волокнами, выделенными из мышцы кролика, он погрузил их в раствор химикалиев и увидел, как эти волокна на его глазах начинают сокращаться, становясь все более толстыми и короткими. «Я впервые наблюдал, как движение, этот древнейший признак жизни, само собой возникает в пробирке, и это взволновало меня более всего в жизни».

Все живое обладает способностью к самодвижению — это его отличительная особенность. Положите выделенную из организма клетку почки или простаты на стеклянную пластинку, и эта клетка начнет ползти по ней, то распластываясь, то подтягивая свою заднюю часть, как это делает всем знакомая гусеница. Проследите за нервной клеткой, извлеченной из эмбриона животного, и вы увидите, как она выпускает длинный отросток, филоподию, и нащупывает им, где находится другая такая же клетка, чтобы установить с ней контакт.

Движутся не только сами живые клетки — движение происходит и во внутриклеточном пространстве. Гормоны и питательные вещества переносятся с поверхности клетки в ее протоплазму. Химические вещества, инструкции генов на изготовление белков-ферментов и сами эти белки движутся к местам своего назначения от клеточного ядра к периферии. А самой, быть может, впечатляющей иллюстрацией этого внутриклеточного движения является то открытие, которое по счастливой случайности совершил в 1981 году Роберт Аллен. Желая показать своим студентам, что происходит в длинном отростке нервной клетки — аксоне, он присоединил видеокамеру к микроскопу, и сам с огромным удивлением увидел, как по волокнам, тянущимся внутри тонкой (в 1 мм) и длинной (около 1 метра) трубки аксона, равномерно, один за другим ползут в обе стороны, точно вагончики какого-нибудь песчаного карьера, маленькие круглые прозрачные пузырьки примерно в стотысячную долю сантиметра в диаметре. То было не просто перемещение, а строго организованное и направленное перемещение, и, глядя на эти упорно ползущие по своему назначению ультрамикроскопические дрезины, не трудно было понять, почему ученые еще в XIX веке считали, что в клетках существует какая-то таинственная «жизненная сила», которая и является первопричиной всех клеточных и внутриклеточных движений.

Но на дворе стоял уже, как было сказано, 1981 год, и поэтому открытие Роберта Аллена положило начало не поискам этой «жизненной силы» — в нее уже никто к тому времени не верил, а планомерному изучению тех физико-химических факторов, тех «клеточных моторов», которые делают возможными все эти «движения живого».

Поиск этот оказался сложным и продолжается по сию пору — со все возрастающим успехом. Один такой выдающийся успех был достигнут буквально на днях, когда группе исследователей под руководством С. Берджесса удалось разгадать принципы работы очередного такого «клеточного мотора» — молекулы динеина. Было бы жалко не приобщить читателя к той изумительной по тонкости и сложности картине «внутримолекулярной жизни», которую вскрыла в молекуле динеина группа Берджесса, но увы — даже просто рассказать об этой работе, а тем более — растолковать ее суть и значение, оказалось никак невозможно, предварительно не рассказав, хотя бы бегло, о молекулярных моторах вообще. Вот так это открытие и послужило первоначальным толчком к целому рассказу. Как говорится, был бы повод, а рассказ найдется. А рассказ, думается, полезен, ибо молекулярные эти моторы и в самом деле представляют огромный интерес. Ведь именно им жизнь обязана всей той особой, специфически присущей ей динамикой, без которой она, жизнь, была бы попросту невозможна.

Молекулы, осуществляющие функцию движения в нашем теле, в том числе и в самых крохотных его структурах, имеют причудливый вид, но для всех них характерно одно: на концах молекул — наличие подвижных головок-блоков, которые, собственно, и служат движущим элементом. (Слева — молекула кинезина, в середине — динеина, справа — миозина.)

Первым шагом к ответу на этот вопрос стало открытие того факта, что все клетки в организмах более сложных, чем бактерии, обладают двумя важнейшими свойствами, которые, собственно, и позволяют им существовать: исчезновение хотя бы одного из этих свойств приводит к гибели клетки. Это открытие было сделано в самые последние десятилетия и буквально перевернуло все прежние представления.

Одним из этих жизненно важных свойств является сложная организованность внутриклеточного пространства. Живая клетка — не просто «мешочек с протоплазмой», как говорил еще в XIX веке страстный пропагандист дарвинизма Томас Хаксли. Исследования последних десятилетий показали, что внутренность клетки ячеиста — она состоит из отдельных ячеек, «помещений», отделенных от других собственной мембраной. Каждая такая ячейка, или органелла (маленький орган) клетки имеет свою внутреннюю структуру и свой набор химических веществ, каждая выполняет свою функцию. И каждая покрыта системой белков-рецепторов, задача которых — распознать, что из всего, что куда-то движется в клетке, предназначено именно для данной ячейки.

Взаимодействие молекул миозина и актина в наших мышцах. Вверху: мышца в расслабленном состоянии. Внизу: молекулы начинают скользить друг по другу, и мышца сокращается.

Движутся же в клетке те химические вещества, что необходимы для ее жизнедеятельности, и молекулы этих веществ не просто хаотически плавают в протоплазме, а направленно и организованно перемещаются в различных направлениях, упакованные в крохотные контейнеры — те самые прозрачные пузырьки, которые впервые увидел Аллен. При этом каждый такой контейнер снабжен своим «опознавательным знаком», своим рецептором, белковой молекулой такой формы, которая распознается рецептором той — и только той — ячейки, для которой этот контейнер предназначен. Когда оба рецептора сочленяются, пузырек приваривается к органелле, и его содержимое переходит в нее, чтобы она могла выполнять свои функции.

Начатки такой организованности обнаружены уже у одноклеточных водорослей и бактерий, и раз эта внутренняя организация клеток давала бесспорные преимущества ее обладателям, а мутации непрерывно порождали все новые и новые (лучшие и худшие) варианты такой организованности, природе (естественному отбору) оставалось только отбирать то, что оказывалось организованным все лучше и все сложнее.

Видимо, именно таким путем когда-то возникли и начатки второго типа организации внутриклеточного пространства, второй особенности живых клеток — наличие в них внутреннего «скелета» и «системы транспортных путей», вместе с теми пузырьками, которые по этим путям движутся, и теми молекулярными моторами, которые движут пузырьки по этим путям.

«Скелет» клетки образован длинными молекулами белка актина, и каждая такая полимерная молекула состоит из множества отдельных звеньев-мономеров. Клетка обладает способностью по надобности убирать и наращивать эти кирпичики-мономеры, тем самым меняя форму и размеры молекул актина, а с ними — и всего своего скелета. Это-то и позволяет ей распластываться и ползти, и выпускать отростки, и округляться, и делиться. (Кроме того, волокна актина вместе с волокнами другого белка, миозина, осуществляют сокращение и расслабление мышечных клеток тела, но об этом чуть дальше.)

Что же касается «системы транспортных путей», то она образована длинными волокнообразными белковыми микротрубочками, тысячи которых пересекают внутреннее пространство клетки в самых разных направлениях. Именно по этим микротрубочкам, как по рельсам, и движутся — с помощью молекулярных моторов — пузырьки с химическими веществами из центра клетки на ее периферию и с поверхности клетки к ее ядру. Скорость этого движения невелика. Так, самая длинная «магистраль» в нашем теле — это аксон, идущий от позвоночника к пальцам ног, его длина у взрослого человека составляет около метра, и вот пузырьки проходят это расстояние за три-четыре дня. Но в пределах подавляющего большинства других клеток, где расстояния не превышают тысячных долей сантиметра, время движения пузырьков составляет доли секунды, и именно это позволяет клеткам так быстро осуществлять сложнейшие каскады биохимических процессов, которые составляют ее жизнедеятельность. Не будь этой системы путей, и нужные вещества могли бы попадать в нужные места клетки лишь случайно, в результате долгих хаотических блужданий. Теперь, думается, понятно, почему наличие «транспортной сети» дает такое преимущество ее обладателям и почему порча этой сети выводит клетку из строя. Некоторые ученые считают, что, например, болезнь Альцхаймера имеет первопричиной порчу системы микротрубок в нейронах.

Даже в таком упрощенном описании можно ощутить, как изумительно тонко, сложно и согласованно построена и работает живая клетка. И даже эта упрощенная картина уже порождает множество вопросов: как и по каким инструкциям образуются и меняются в клетке ее «скелет» и системам микротрубок? откуда берутся пузырьки-«контейнеры»? как происходит упаковка именно нужных веществ в каждый из них? каким образом появляются на них «опознавательные ярлыки»-рецепторы? чем задается направление движения? И так далее.

Большинство этих вопросов пока не имеет ответа, и можно понять возбуждение и пылкое нетерпение тех биологов, которые ищут эти ответы в своих лабораториях. Обо всем не рассказать, и сосредоточимся поэтому на том, что заявлено предметом этой заметки, то есть на молекулярных моторах и, в частности, на динеине, с которого мы ее начали.

Два главных внутриклеточных молекулярных мотора — это динеин и кинозин. Удобнее, однако, начать разговор обо всех этих «великолепных машинах», как назвал молекулярные моторы один из исследователей, с третьего основного мотора — того миозина, что вместе с актином, образующим клеточный «скелет», заведует мышечными сокращениями, а через них — всеми макродвижениями наших тел. Мышцы движут нашими конечностями (через особые тяжи, состоящие из длинных белковых волокон). Мышцы заведуют биениями нашего сердца, деятельностью легких, движениями языка и голосовых связок, перистальтикой кишечника и многими другими механическими действиями в нашем организме. Есть мышцы, заведующие выдавливанием жидкости из почек и подрагиваниями кровеносных капилляров, подталкивающих кровь к клеткам. Есть даже крохотные мышцы, управляющие сокращениями и поворотами нашего зрачка. И как не упомянуть о мускульчиках, заставляющих волосы на коже вставать дыбом от холода, а саму кожу при этом дрожать, чтобы выделять согревающую нас энергию!

Как ни различны все эти мышечные клетки, механизм их действия один – и при том тот же самый, который движет клетками, когда они ползут или делятся. Природа экономна и изобретательна: отобрав в ходе эволюции какую-то особо удачную конструкцию, она затем зачастую успешно применяет ее для самых разных целей. Вот так же, говорят, создав мозг и обнаружив, что у него остаются «лишние», остающие втуне возможности, она использовала («экзаптировала») их для заведования осмысленной речью. Если клетки мускулов и отличаются чем-то от других клеток, то лишь концентрацией молекулярных моторов. Эта повышенная концентрация дает им их силу. Кроме того, архитектура этих моторов в мышечных клетках постоянна, а в других меняется по надобности.

Архитектура эта такова. Внутри каждой мышечной клетки имеются длинные волокна белка миозина. Каждая молекула миозина выглядит как палочка, конец которой расходится двумя шариками. Эти молекулы собраны по 400 молекул в группе так, что прямые их концы лежат параллельно, а головки-шарики расходятся во все стороны, точно букет цветов. Параллельно этому букету со всех сторон расположены длинные волокна белка-актина, и каждая миозиновая головка присоединяется к одному такому волокну. Все вместе это образует один сегмент мышечного волокна. Волокно в целом представляет собой множество таких сегментов, идущих вдоль него друг за другом. И таких волокон в клетке много. И клеток в мышце много. И концы всех волокон во всех клетках крепятся к одному и тому же тяжу. Поэтому при сокращении актиновых волокон один тяж тянут сразу миллионы молекул. Такое устройство обеспечивает мышцам их силу. Но за эту силу приходится расплачиваться. Каждое сокращение мышечной клетки забирает энергию у ее энергетических машин — молекул АТФ (аденозинтрифосфата), а также оставляет после себя определенные химические «отходы» (молекулы молочной кислоты). В результате мышцы постепенно устают. Систематическая тренировка, вроде ходьбы или плавания, создает в мышечных клетках больше АТФ и больше кровеносных сосудов, поставляющих кислород и питательные вещества и удаляющих «отходы», и потому улучшает работу мышц, повышая их выносливость.

Как, однако, происходит само сокращение каждого мышечного сегмента? Все начинается с прихода нервного сигнала. Затем головка миозина соединяется с актином, отросток молекулы, на котором сидит эти головка, в свою очередь изгибается и заставляет головку слегка подтянуть актиновое волокно на себя. В этот момент головка высвобождается, отросток распрямляется, головка прыгает чуть дальше и ухватывает волокно актина в следующем месте, заставляя его еще немного сократиться. То же самое происходит одновременно со всеми волокнами актина, окружающими данную группу миозиновых молекул. Все они сокращаются и в то же время сближаются друг с другом.

В результате мышечное волокно в целом становится короче и толще, а все его актиновые молекулы разом тянут коллагеновый тяж, к которому прикреплены их вторые концы (первые прикреплены к костям скелета), и приводят его в механическое движение, которое затем передается соответствующему органу или конечности. (Это упрощенная картина — в действительности, клетки скелетных мышц так сильны, потому что соединены в так называемые суперклетки, а, к примеру, сокращения сердечной мышцы контролируются маленькой, с монету величиной, группой нервных клеток — «пэйсмэйкером», расположенным у вершины сердца; но работа всех этих мышц без исключения в конечном счете сводится к крохотным миозиновым молекулярным моторам.)

Так взаимодействуют при сокращении мышц молекулы актина и миозина. Головка миозина изгибается, сцепляется с новым сегментом актин, сдвигает его на новое место и вновь изгибается, чтобы продолжать этот процесс снова и снова

Процесс сокращения мышц начинается с прихода нервного сигнала, передающегося ионами кальция, а потому без кальция происходить не может вообще, и этим фактом объясняются многие знакомые нам явления. Скажем, яд кураре, которым пользуются первобытные охотники Амазонки, парализует жертву как раз благодаря тому, что молекулы этого яда, попав в кровь, проникают к рецепторам ацетилхолина и усаживаются на них, так что когда к этим рецепторам приходит сам ацетилхолин, свободных мест для него уже нет, и процесс передачи сигнала на мышечное сокращение прерывается. Аналогично работает белок ботулин, вызывающий одно из опаснейших пищевых отравлений, ботулизм.

А вот вирус полиомиелита попросту разрушает те нервные волокна, по которым с помощью кальция подаются сигналы на мышечное сокращение, и мышцы, оставшись без употребления, постепенно высыхают. С другой стороны, этот же «кальциевый привод» можно использовать в благодетельных целях. Так, сердечные больные нуждаются в понижении ритма биений сердца, в противном случае оно при нагрузках будет требовать больше кислорода, чем способны дать сузившиеся из-за атеросклероза сосуды. Этим людям помогают «бета-блокаторы» —препараты, которые несколько блокируют кальциевые каналы, тем самым понижая уровень кальция и, соответственно, уменьшая размах сокращений сердечной мышцы.

Рассказ о миозиновом моторе можно было бы продолжать еще и еще, но, как мы уже говорили, список молекулярных моторов клетки не исчерпывается миозином. Более того — миозин, скорее, весьма специфический мотор, работающий исключительно в мышечных клетках.

А вот все перемещения внутри обычных клеток осуществляют другие моторы, и в отличие от миозина их изучение началось лишь два десятилетия назад, в 1985 году, когда Том Рииз и Майкл Шитц открыли первый из них — кинезин (от греческого kinesis, что значит «движение»). И здесь тоже был обнаружен тот удивительный механизм движения, который уже знаком нам по миозину: получение молекулой мотора химической энергии от АТФ приводит к изменению формы этой молекулы, и это изменение формы делает возможным движение молекулы. Молекула кинезина по своей форме напоминает молекулу миозина — те же две округлые головки на длинной ножке. Двумя головками молекула хватается за поверхность микротрубки, а к торчащей вверх ножке крепится пузырек с химическими веществами. Под воздействием АТФ происходит следующее: молекула изгибается, так что ее передняя головка уходит чуть дальше от задней и в результате хватается за микротрубку чуть дальше по ходу движения; затем задняя головка вновь подтягивается к передней. Затем этот «силовой толчок» повторяется. В итоге пузырек, сидящий на ножке молекулы, рывками движется по микротрубке. Картина напоминает ползущую (или, если угодно, «шагающую») по ветке гусеницу. Скорость такого ползания, как уже говорилось, невелика — по измерениям Рииза и Шитца, около 35 сантиметров в сутки. Измерена также сила, развиваемая одной молекулой, — она составляет 5-7 пиконьютонов, чего достаточно, чтобы за полсекунды поднять груз, равный примерно двум тысячным веса рисового зернышка, на высоту двух сантиметров.

Самое удивительное в этой удивительной картине движения «молекулярной гусеницы» состоит в том, что кинезин способен переносить пузырьки с необходимыми клетке химическими веществами только в одном направлении — от центра клетки к ее периферии. Почему так — неизвестно, но дело выглядит так, будто микротрубки имеют какие-то поверхностные особенности, что-то вроде зубчиков пилы, мешающих молекулам кинезина ползти в обратном направлении. Именно молекулам кинезина, потому что молекулы другого из двух главных клеточных молекулярных моторов — динеина — преспокойно движутся по этим микротрубкам в обратном направлении, от периферии к центру. Но зато — вы уже, конечно, догадались? — они не могут двигаться от центра к периферии. Эта странность была обнаружена в те же 1980-е годы Ричардом Вэлли. Именно он назвал найденный им белок, молекулы которого везут пузырьки в сторону клеточного ядра, динеином (от греческого dinamis, что означает «сила»).

«Молекулярный мотор» кинезина, при помощи которого эта молекула переносит по микротрубочкам частицы различных веществ. Ножки молекулы то сдвигаются, то раздвигаются, и так, подобно гусенице, она ползет по микротрубочке

Последующее изучение показало, что микротрубки действительно имеют встроенную в их блочную конструкцию одностороннюю «направленность» — у них есть «голова» и «хвост», и молекулы кинезина устроены так, что могут двигаться только от «головы» к «хвосту», а молекулы динеина — наоборот. Что остается пока совсем непонятным, это — как пузырьки узнают, на какой поезд им садиться?

Между тем список молекулярных моторов не исчерпывается, как оказалось, и кинезином с динеином. Уже в 1990 году тот же Вэлли открыл еще один тип молекулярного мотора, получивший название «динамина», а к 1995 году было известно уже около десяти различных моторов, каждый из которых переносил свой специфический химический груз для определенных, специфических целей. Сегодня считается, что в клетках действует не меньше полусотни переносящих или передвигающих груз молекул, а если учесть необходимость перемещения многочисленных белков-ферментов по длине генетических молекул ДНК, — то, быть может, и вся сотня. Но все они работают, как уже сказано, по одному и тому же фундаментальному принципу — преобразование химической энергии в энергию изменения формы гибкой молекулы, которая за счет этого изменения оказывается способной хватать и перехватывать («руками» своих химических связей) некое гибкое длинное внутриклеточное волокно и в результате ползти по нему вместе с грузом. Видимо, природа «изобрела» этот принцип давным-давно, еще на заре жизни, во времена одноклеточных организмов и постепенно расширила сферу его применения на все виды внутриклеточных движений.

Исследования Берджесса и его коллег, с которых мы начали этот рассказ, важны именно потому, что вскрыли тончайшие детали этого молекулярного движения на примере динеиновых моторов. Изучение этого вида молекулярных моторов продолжалось со времени открытия их Ричардом Вэлли. Постепенно выяснилось, что спектр функций динеина в клетках очень широк, кроме «перевозки грузов» он способен также приводить в ритмическое движение (биение) волоски-реснички в клетках легких (эти биения помогают очищать легкие от попадающей в них пыли и т.п.) и делает возможными энергичные изгибы хвостиков (флагелл) сперматозоидов, которые благодаря этому движутся в половых путях. Кроме того, динеин, как оказалось, способен перемещать различные структуры в самой клетке — мембраны, органеллы, хромосомы и так далее. И вот сейчас, в 2003 году, Берджесс и его группа показали наконец, как именно происходит это изменение формы.

Отличительная особенность этих белков — наличие в их молекулах особой части, именуемой «модулем», расположенной в центре этой структуры.

Как показала группа Берджесса, в тот момент, когда центральная часть молекулы динеина соединяется с «энергетической» молекулой АТФ, происходит нечто вроде натягивания лука — центр динеиновой молекулы выходит вперед, а угол между ее концами уменьшается (как сближаются концы натянутого лука). Затем, после выполненной работы, молекула динеина как бы «распрямляется» — происходит «силовой толчок». Как показали измерения, проведенные на электронных микрофотографиях молекулы до и после «толчка», один конец смещается относительно другого на целых 15 нанометров (приставка «нано» соответствует одной миллиардной). Этот толчок и вызывает движение динеиновой молекулы по микротрубке (или микротрубки относительно нее).

Ну, разве не прав был тот исследователь молекулярных моторов, который назвал их «великолепными машинами»?! Теперь и мы получили возможность убедиться в этом.

Рафаил Нудельман



См. также:
Особенности системы Мартингейл
Получить микрозайм с сервисом ZaimOnline-Ru – легко!
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005