Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Белки отличаются друг от друга числом аминокислот и последовательностью их расположения. От этого зависят трехмерная структура и принципы функционирования каждого отдельного белка. Белки похожи на акробатов, которые складываются, изгибаются и меняют свою форму самым причудливым образом. Большая часть наших клеток содержит несколько тысяч различных белков, всего же в организме находятся миллионы белков самых разных видов. Если было бы возможно проникнуть внутрь этого миниатюрного царства и окинуть его взглядом, то оставалось бы только удивляться, как что-то может выйти из всей этой лихорадочной активности, ибо белки не только меняют форму, но и большую часть времени движутся очень быстро и хаотично — каждые несколько секунд они входят в соприкосновение с миллионами других молекул. Почти все, что происходит внутри наших клеток, является следствием взаимодействия белков друг с другом или с другими молекулами — нуклеиновыми кислотами, углеводами и жирами.

Самой важной функцией клетки является ее способность образовывать новые клетки, что происходит благодаря ее увеличению и последующему делению. Новые клетки формируются за счет роста и последующего деления существующих клеток. Однако прежде чем мы перейдем к изучению процесса деления клеток, мы должны понять, как происходит подготовка к этому событию.

Содержимое готовящейся к делению клетки удваивается, чтобы каждая из двух дочерних клеток получила все, что ей требуется: гены, белки, митохондрии, клеточную оболочку и множество других необходимых молекул. Чтобы это стало возможным, клетка должна сначала значительно вырасти. И действительно, перед моментом разделения клетка весьма увеличивается в размерах.

Перед разделением клетки должна быть продублирована и находящаяся внутри клеточного ядра молекула ДНК. Это единственная молекула клетки, которая подвергается точному дублированию, и это не случайно — в ДНК содержится информация, на основе которой образуются белки, выполняющие основные жизненно важные функции внутри клетки. Специальные белки отвечают за то, чтобы соединить длинные молекулы ДНК в нити хромосом, которые образуют систему витков и петель, благодаря чему ДНК не переплетаются ни друг с другом, ни с другими хромосомами. Точная копия каждой из 46 хромосом, содержащихся в каждой клетке нашего тела, во время процесса митоза переходит в каждую из двух дочерних клеток.

Все другие компоненты клетки также должны быть продублированы перед ее разделением. Каждая митохондрия — а митохондрий в каждой клетке содержится несколько сотен — также будет скопирована вместе с содержащейся внутри нее спиралью ДНК. Во время роста клетки перед ее делением происходит синтез новых белков, жиров и углеводов, и во всех этих процессах ведущую роль играют белки.

Простые одиночные клетки, такие, как клетки дрожжей, делятся каждые два часа. У большинства же клеток цикл жизнедеятельности от одного деления до другого занимает обычно 24 часа. Этот цикл разбит на четыре фазы. Первой и самой длительной является фаза роста. Во время второй фазы происходит дублирование хромосом со всеми их ДНК и генами. За ней следует третья фаза, подготовка к делению, и после нее наступает четвертая — деление клетки, то есть митоз. Точно так же, как, скажем, в любой стиральной машине, каждая фаза этого процесса заранее запрограммирована — и подготовка к ней, и ее завершение происходят в строгом порядке и очередности.

Процесс деления клетки имеет основополагающее значение для ее жизнедеятельности, поэтому нет ничего удивительного в том, что существует особая система контроля за делением, которая обеспечивает то, что непосредственное физическое разделение клетки происходит только в нужное время, а не раньше того, например, момента, когда будут точно и достоверно продублированы хромосомы. Сам митоз происходит в течение относительно короткого времени — не более одного часа, однако подготовка к нему может длиться от 12 до 24 часов. В рамках цикла жизнедеятельности клетки существуют отдельные контрольные точки, которые обеспечивают правильное и последовательное прохождение всех подготовительных фаз деления. Ни одна следующая фаза не может начаться до того, пока она не будет полностью подготовлена.

Время и последовательность событий в каждой фазе контролируются в основном за счет специальных белков, называемых циклинами, концентрация которых по необходимости возрастает и убывает. Циклины позволяют исполнять свои функции другим белкам клетки главным образом за счет того, что либо присоединяют к белку главный источник энергии — фосфор, производимый молекулами АТФ, либо, наоборот, отнимают его. Например, ряд циклинов начинает вырабатываться сразу же после разделения клетки в процессе митоза, и их концентрация постепенно нарастает в течение всего периода жизнедеятельности клетки вплоть до начала следующего митоза, наступлению которого эти циклины и способствуют. В момент, когда завершение митоза близится, концентрация циклинов резко снижается, а затем постепенно начинает нарастать вновь. Эта последовательность роста и снижения концентрации циклинов в клетке повторяется вновь и вновь. Другие виды циклинов вызывают начало других важных процессов внутри клетки — например, таких, как синтез ДНК.

Внутри клетки имеются контрольные и ограничительные механизмы, действующие на всем протяжении ее роста и деления. Главный механизм включается в самом начале цикла, перед тем как клетка начнет синтезировать новый набор хромосом и дублировать содержащиеся в ней ДНК. И если в спирали ДНК имеются повреждения, то синтез новой ДНК не начинается. В выполнении этих контрольных функций участвует крайне важный белок «р53», который откладывает начало синтеза ДНК до тех пор, пока повреждение ДНК не будет восстановлено. Его воздействие либо вызывает прекращение роста и деления клетки, либо приводит к самоуничтожению клетки ради того, чтобы в организме не появлялись раковые клетки с поврежденными ДНК.

Этот же контрольный механизм определяет, имеются ли благоприятные условия для роста и деления клетки — скажем, есть ли необходимые питательные вещества. Если результаты такой проверки оказываются неудовлетворительными, то весь процесс роста и деления клетки приостанавливается. Оказавшаяся в подвешенном состоянии клетка может оставаться пассивной в течение длительного времени. Перед митозом вступает в действие другой контрольный механизм, который должен проследить за тем, чтобы все спирали ДНК оказались продублированными. Существуют также контрольные механизмы, которые выявляют поврежденные хромосомы перед разделением клетки и откладывают митоз клетки до устранения повреждения.

Процесс дублирования хромосом прямо связан с особенностями структуры ДНК. Главным открытием в области ДНК, случившимся в 1953 году и дополнившим то, что ранее обнаружили Уотсон и Крик, стало обнаружение спиралеобразной структуры ДНК. Ученые выяснили, что ДНК состоит из двух спирально закрученных вокруг друг друга цепочек, построенных из четырех различных типов нуклеотидов. Молекулы ДНК лежат в основе 46 наших хромосом. Каждая хромосома представляет собой длинную молекулу ДНК, состоящую из двух цепочек, закрученных в знаменитую двойную спираль. При этом сами цепочки ДНК представляют собой набор из связанных воедино четырех различных видов нуклеотидов, благодаря которым саму ДНК следует считать разновидностью нуклеиновой кислоты.

Четырьмя различными видами нуклеотидов являются аденины (А), цитозины (Ц), тимины (Т) и гуанины (Г). Цепочка ДНК представляет собой набор отдельных нуклеотидов, соединенных друг с другом в строгой последовательности. Нуклеотиды всегда располагаются так, что аденин (А) в одной нити спирали ДНК соответствует цитозину (Ц) в противоположной нити, а тимин (Т) соединен с аденином (А), и так далее. Благодаря такому соединению и образуется двойная спираль ДНК. Поскольку одна нить молекулы ДНК в плане расположения в ней нуклеотидов четко соответствует другой нити, и наоборот, дублирование спирали ДНК не вызывает затруднений: каждая из нитей ДНК служит матрицей, согласно которой формируется ее точная копия. Когда начинается формирование одной нити спирали ДНК, одновременно с ней в строгой последовательности начинает формироваться и другая нить, пока не образуется двойная спираль ДНК, являющаяся точной копией уже присутствующей в данной клетке. Подобный порядок формирования ДНК делает эту молекулу уникальной и позволяет ей служить главным передаточным механизмом наследственной информации от поколения клеток — или людей — в другое поколение.