Рецепторы – белки, прикрепленные к внешней части мембраны, – служат для клетки органами чувств. Часто к белкам-рецепторам прикрепляются углеводы-сахара, наподобие антенн. К рецепторам могут прикрепляться различные молекулы, передающие сигнал, например гормоны. После связывания рецептор передает сигнал внутрь клетки.
К оболочке клетки в разных местах прикреплены сети трубочек и нитей, образующих цитосклелет (напомним, что цито – это «клетка» на латыни). По трубочкам и нитям осуществляется транспорт белков в пузырьках (везикулах[48]). К сожалению, в молекулярной биологии множество иностранных слов, например нить называют филаментом. На русском всё можно объяснить проще, но иностранные термины уже прочно укоренились, и я их привожу, чтобы вы могли понимать специальную литературу.
Итак, у клетки есть оболочка и скелет, как у человека, определяющий её форму. По нитям и трубочкам скелета буквально ходят, передвигая ножки, специальные молекулярные носильщики, которые в пузырьках транспортируют белки и другие полезные вещества к месту их использования. Его адрес четко указан в прикрепленной к пузырьку молекулярной метке. Простая и понятная модель.
Однако развитие науки идет по извилистым дорожкам, часто сворачивающим в самых неожиданных направлениях. Восхитительно красива и проста была планетарная модель атома Резерфорда! В центре атома, как всегда, ядро. Вокруг, подобно планетам, вращаются электроны. Но, как мы уже говорили и будем еще не раз говорить, жизнь гораздо сложнее. Электроны, вообще оказались не частицами, а сложными квантовыми объектами. И они вовсе не вращаются вокруг атомного ядра. Однако простая резерфордовская модель атома до сих пор служит для объяснения множества явлений не только инженерам, но и профессиональным физикам.
Такая же ситуация и с клеткой. Приведеная нами простая статическая модель не описывает многие сложные динамические процессы в клетке. В реальности жёсткого, неподвижного скелета клетки, подобного человеческому, не существует. Как и всё в клетке, скелет представляет собой очень подвижную и быстро меняющуюся структуру. Образующие его трубочки и нити быстро собираются, разбираются и собираются в новом месте. Ведь весь необходимый для сборки материал в изобилии имеется в цитоплазме клетки. Ничего специально подвозить не нужно: собрал транспортную нить, использовал и разобрал. Точно так же пузырьки и камеры эндоплазматической сети образуются, соединяются друг с другом, постоянно меняя конфигурацию. Этот необычный для привычной нам относительно статичной экономической инфраструктуры, например системы дорог, динамизм объясняется различным масштабом времени процессов, идущих в клетке и в человеческом обществе. Если фотографировать мировую сеть дорог со скоростью один кадр – один год, мы так же, как в клетке, увидим постоянное изменение дорожной сети, создание новых дорог в новых направлениях, а также запустение и разрушение некоторых старых дорог.
Когда мы описываем долгосрочные и долго текущие процессы, такие как старение, удобно и вполне достаточно представлять себе клетку в несколько упрощенном статическом варианте. Вообще, подбор модели, адекватной по сложности поставленной цели исследования и процессу, – важнейший навык ученого, в решающей степени обеспечивающий успех его работы.
Некоторые ученые считают, что сложность некоторых живых конструкций, которые называются молекулярными машинами, принципиально нельзя уменьшить, убирая для упрощения то или иное звено. Эти системы называют системами неснижаемой сложности. Если убрать какую-либо часть или деталь в системе неснижаемой сложности, вся система не сможет работать. Например, системой неснижаемой сложности является мышеловка: уберите любую деталь, и мышеловка не будет ловить мышей.
К системам неснижаемой сложности относятся молекулярные машины, которых немало в клетке. Одну из таких машин – натриево-калиевый насос – мы уже описали. Другую машину – молекулярного носильщика пузырьков с белками – недавно упомянули. Жгутики, при помощи которых движутся некоторые бактерии и сперматозоиды, вращаются молекулярным моторчиком. Вся машина состоит из более чем 40 деталей, причем ни одну из них нельзя убрать без полной поломки всей системы. Здесь встает вопрос: как в процессе эволюции, которая в классическом варианте идет путем небольших пошаговых улучшений системы, могли возникнуть такие сложные молекулярные машины?
Рис. 1.2.12. Схемы работы АТФ-синтазы
Наиболее важной молекулярной машиной в человеческой клетке является АТФ-синтаза – фермент, производящий молекулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая служит универсальным источником энергии в живых клетках. АТФ – относительно небольшая молекула, проникающая во все уголки клетки (рис. 1.2.12). Она расщепляется на аденозиндвуфосфорную кислоту (АДФ) и фосфор с высвобождением энергии, которая обеспечивает все идущие в клетке химические реакции – синтез белков, перенос веществ через мембраны и др.
Время жизни молекулы АТФ в клетке составляет в среднем 30 секунд, а при физических нагрузках – около секунды. За сутки в человеческом организме распадается и вновь синтезируется количество АТФ, примерно равное 40 кг.
Синтез АТФ происходит в специальных органеллах клетки – митохондриях, число которых в клетке зависит от ее энергопотребления и в среднем равно 500. На многочисленных складках мембраны митохондрии располагается множество АТФ-синтаз, представляющих собой крайне миниатюрный (примерно 10 нм) станок с электромоторчиком. Как показано на рисунке, неподвижная часть электромоторчика – статор – погружена в липидный слой, который служит изолятором. Между межмембранным пространством и внутренней стороной мембраны митохондрий поддерживается разность потенциалов, которая, собственно, и дает энергию для работы микростанка.
Разность потенциалов обеспечивает постоянный ток ионов водорода H+ (или, что то же самое, протонов). Этот ток точно так же, как в обычных электромоторах, вращает группу молекул, играющую роль ротора. Через специальный молекулярный привод вращение ротора приводит в движение молекулярный станок. Он захватывает молекулу АДФ, у которой только две молекулы фосфора, и с силой, как прессом, присоединяет к ней третью молекулу фосфора. Обе эти молекулы обычно находятся во внутриклеточной жидкости в митохондрии. Если какой-то части в жидкости не хватает, станок останавливается, чтобы зря не расходовать энергию. После соединения молекула АТФ выпихивается из станка в свободное плавание по клетке.
Удивительно, что человек в XIX веке изобрел точно такой же электродвигатель, который в микроварианте работал во всех живых клетках миллиарды лет. Видимо, продуктивных идей во Вселенной не так уж много!
Остается понять, как создается разность потенциалов, или, что то же самое, электродвижущая сила (ЭДС – припоминаете?), обеспечивающая ток протонов. Для этого, конечно, необходима энергия. В наших электростанциях турбины движутся за счет сжигания угля, газа или ядерного топлива. В митохондриях сжигается пища. Причем в митохондриях «сгорают» (окисляются) углеводы, белки и жиры в одной и той же замечательной топке, названной циклом Кребса.
Поскольку температура тела значительно ниже температуры горения угля, нефти и других углеводородов, природе (или Богу, как кому нравится) пришлось придумать весьма изощренный процесс окисления пищи при температуре тела. Предварительно глюкоза, аминокислоты (белки) и жирные кислоты (жиры) в ходе различных процессов превращаются в универсальное топливо ацетил-коэнзим А, или ацетил-КоА. Собственно, топливом является ацетил, а коэнзим А только способствует реакциям окисления. Дальше ацетил-КоА соединяется с щавелевоуксусной кислотой, и образуется лимонная кислота[49]. Затем проходит серия из девяти последовательных превращений трикарбоновых кислот. В конце этой серии вновь получается щавелевоуксусная кислота. Образуется цикл. Это и есть цикл Кребса!
