Экскурс в науку о живой клетке

Я должен предупредить вас: сейчас мы затронем вопросы, которые несколько сложны для понимания, особенно если у вас нет научной подготовки. Чтобы максимально убедительно показать значимость митохондрий и важность исследования, описанного в книге, нам нужно рассмотреть некоторые научные детали. Прояснив по крайней мере базовые понятия из курса клеточной биологии, мы будем разговаривать на одном языке. Поэтому, я думаю, быстрый научный обзор, сделанный «пунктиром», стоит того, чтобы посвятить ему несколько лишних страниц. Если он утомит вас частными подробностями, отвлекитесь от них и сконцентрируйтесь на главном. Определенный же уровень детализации предназначен для читателей с научной подготовкой, которым будет полезно оценить сложность рассматриваемых феноменов. Итак, начнем.

Клетка – это простейшая индивидуальная форма жизни, и, соответственно, она представляет собой базовую единицу биологии. Самыми простыми клетками являются одноклеточные организмы, в число которых входят бактерии. Они чрезвычайно малы, редко превышают несколько тысячных миллиметра в диаметре. Чаще всего бактерии похожи на сферы или палочки, однако есть и исключения. От внешней среды они защищены крепкой, но водопроницаемой оболочкой. Внутри этой оболочки находится клеточная мембрана – необычно тонкая и нежная, но обладающая существенной водонепроницаемостью. Бактерии используют мембрану для генерации энергии. Именно бактериальная мембрана со временем стала внутренней мембраной митохондрий, вероятно, самой важной мембраной человеческого тела.

Внутри бактериальной клетки находится цитоплазма – желеобразная масса, в которой «гудит рой» бесчисленных биомолекул. Самые крупные из них очень сложно рассмотреть даже с помощью мощного микроскопа, увеличивающего изображение в миллион раз. Среди такого рода молекул – легендарные молекулы ДНК, состоящие из двух полинуклеотидных цепей и открытые Уотсоном и Криком более чем полвека назад. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали. Если же идти еще дальше, то рассмотреть что-либо практически не представляется возможным. Однако биохимический анализ показывает: бактерии – простейшая из форм жизни – столь сложны, что мы до сих пор многого не знаем об организации их невидимых глубин.

Люди состоят из других типов клеток. Хотя они и считаются базовой единицей жизни, размер человеческих клеток в сотни тысяч раз превышает размер бактерий, и это позволяет нам увидеть там много интересного. В частности, внутри клеток человеческого организма находятся очень важные структуры, называемые мембранными органеллами и включающие в себя самые разные белки. Органеллы для клетки – то же самое, что органы для человеческого тела. Подобно сердцу, печени, почкам и т. д., они выполняют четко определенные функции. Кроме того, в цитоплазме присутствуют все виды крупных и мелких везикул, а также густая трехмерная сетевая система микротрубочек, которые называются цитоскелетом, или клеточным каркасом. Функция цитоскелета – поддержание и адаптация формы клетки ко внешним воздействиям. Наконец, в каждой клетке человеческого организма есть ядро, которое, как считают ученые, является ее управляющим центром. Такие клетки называются эукариотическими. Все растения, животные, водоросли – по сути, все живое, доступное человеческому глазу, состоит из эукариотических клеток, а в каждой из них есть свое собственное ядро.

Внутри же ядра клетки находится ДНК. Хотя ДНК эукариотической клетки имеет точно такую же двойную спиралевидную структуру, что и ДНК бактерий, есть кардинальные различия в их организации. Бактерии характеризуются кольцевой ДНК, состоящей из длинных перекрученных петель. Кольцевая ДНК похожа на деформированный и спутанный клубок ниток, у которых нет начала и конца. В каждой бактерии присутствует множество копий ДНК, но все это – копии одних и тех же генов. В эукариотических же клетках обычно есть некоторое количество хромосом – линейных, а не циркулярных. Это не значит, что нити ДНК в ядре эукариотических клеток являются прямыми. Просто они обладают различимыми концами. В отличие от кольцевой ДНК, каждая хромосома содержит в себе разные гены. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, всего в клетке человеческого организма – 46 хромосом. В ходе деления клетки хромосомы удваиваются, будучи соединенными в центре и образуя знаменитую Х-образную форму, известную нам из школьных уроков биологии.

Хромосомы состоят не только из ДНК. Они покрыты особыми белками, среди которых находятся гистоны (упаковка ДНК), защищающие ее от вредоносных воздействий извне и при этом выполняющие функции генетических стражей. Гистоны – отличительный признак именно эукариотических хромосом, тогда как ДНК бактериальных хромосом лишена гистонного щита и, можно сказать, обнажена перед внешними воздействиями.

Каждая из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль ДНК, является копией другой. Когда они разъединяются в процессе деления клетки, каждая из цепей сохраняет информацию, необходимую для воссоздания полноценной двойной спирали в новой клетке. Как соотносятся между собой ДНК, гены и белки? Геном – это некоторая информация, которая определяет молекулярную структуру белков, из которых построен организм, а также (косвенно) алгоритм развития и общий план строения организма. ДНК же – носитель этой информации. Точно так же, как слова русского языка формируются лишь из 33 букв, каждый из генов состоит всего из четырех молекулярных букв. Специфика конкретного гена определяется их последовательностью.

Геном (который может состоять более чем из миллиона букв) – это полная совокупность генов организма. Каждый ген (обычно состоящий из тысяч букв) в сущности является шифром того или иного белка. Белок – это цепочка из комплексов, называемых аминокислотами. Именно конкретная последовательность аминокислот детерминирует функциональные свойства каждого белка.

Мутации возникают при изменении последовательностей генетических букв и приводят к трансформации аминокислоты или структуры белка. К счастью, природа выстроила достаточно прочную систему предохранительных механизмов: несколько комбинаций букв могут сформировать один и тот же белок, и, соответственно, мутации не всегда приводят к деструктивным изменениям в функциях или структуре белка.

Это важно, потому что белки – основа жизни. Их формы и функции практически безграничны, и известная нам жизнь без них не могла бы существовать. Понимание функциональных особенностей белков позволяет отнести их к той или иной из широких категорий, таких как ферменты, гормоны, антитела и нейротрансмиттеры.

Процесс синтеза белков от начала и до конца контролируется рядом других белков, среди которых наиболее важными являются транскрипционные факторы. Хотя ДНК содержит гены, на самом деле они неактивны, и их экспрессия регулируется именно транскрипционными факторами, которые активируют тот или иной специфический неактивный участок ДНК, в результате чего синтезируется конкретный белок. При этом, вместо того чтобы воздействовать непосредственно на ДНК, клетка обращается к ее копиям под названием РНК. Есть разные типы РНК, и каждый из них выполняет свои функции. Первый из них – матричная (информационная) РНК (мРНК). Она представляет собой точную копию соответствующей последовательности генов ДНК. Молекулы мРНК выходят из ядра в цитоплазму через поры в ядерной оболочке (мембране). Как только молекула мРНК появляется на поверхности цитоплазматической части ядерной мембраны, она находит одну из тысяч рибосом – фабрик по производству белков. Работа рибосом – транслировать зашифрованную в мРНК информацию, синтезируя ту или иную последовательность аминокислот, составляющую конкретный белок.

Надеюсь, вы еще со мной. Я постарался максимально просто изложить материал, блуждая в дебрях которого сотни ученых пытались, пытаются и будут пытаться прояснить подробности вышеприведенного урока биологии. У большинства из вас, уважаемые читатели, формируется (или обновляется) некий фундамент знаний, позволяющий понять значимость митохондрий и их внутреннюю сущность. Что ж, давайте продолжим.