Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

При митозе центральная часть веретена начинает выпячиваться в районе клеточного экватора; к этому месту в последующем устремятся хромосомы. Само веретено деления имеет два полюса. Они состоят из белков и являются системообразующими элементами веретена. В самом начале митоза оба этих полюса находятся вместе внутри клеточного ядра. Затем они отделяются друг от друга и начинают движение к противоположным концам ядра, и между ними вытягивается тело самого веретена деления. После этого оболочка клеточного ядра разрывается, и хромосомы двигаются в направлении экваториальной плоскости веретена. Там они прикрепляются к микротрубочкам так, что каждая пара хромосом оказывается разделенной. При взаимодействии микротрубочек полюса веретена расходятся к противоположным сторонам клетки, в результате чего веретено растягивается в длину.

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.

Характер эволюции живых существ зависит от изменений в генах и контрольных механизмах, регулирующих структуру генов, поскольку именно от генов зависит, какие именно белки будут вырабатываться в организме. Для того чтобы изменились наследственные характеристики живых организмов, необходимо, чтобы произошли изменения в генах, содержащихся в мужских и женских половых клетках, из которых в результате оплодотворения может развиться новый организм. В нашем случае речь идет о сперматозоидах и яйцеклетках.

Изменения в коде ДНК выражаются в том, что клетка начинает синтезировать другие белки, и в том, что она начинает синтезировать белки в иное время и в иных условиях. Если подобные измененные признаки помогут организму выжить, то они сохранятся и в будущих поколениях. Если же они, наоборот, осложнят существование организма, то организм с подобными мутациями вскоре погибнет. Сама мутация может выражаться в изменении всего лишь одного нуклеотида в составе гена, но это в конечном счете влияет на всю белковую структуру.

Наконец, важным отличительным признаком жизни является… смерть. Это может прозвучать странно, но для того, чтобы умереть, надо жить. Смерть клетки наступает тогда, когда прекращают функционировать ее основные органы и структуры. Ключевыми факторами смерти клетки являются непоправимые повреждения оболочки клетки и митохондрий, в результате чего перестает вырабатываться энергия, необходимая для жизнедеятельности. И, как и все, что связано с клетками, механизм их смерти способен удивить.

Точно так же, как в процессе эволюции развились сложные системы, отвечающие за рост и размножение клеток и позволяющие корректировать различные сбои в их работе, развились и механизмы, обеспечивающие самоубийство клеток. В нас ежедневно умирают миллиарды клеток костного мозга и пищеварительного тракта. Смерть клеток в результате самоубийства кардинальным образом отличается от их гибели, вызванной различными травматическими воздействиями, ибо во втором случае содержимое клетки выплескивается наружу и может вызвать воспалительные процессы.

Самоубийство клеток называется апоптозом. На него в соответствующих обстоятельствах запрограммированы все клетки, за исключением кровяных, которые не имеют ядра. Когда программа апоптоза начинает осуществляться, клетка уменьшается в размерах, и все, что находится внутри ее, расщепляется и погибает в результате воздействия особых энзимов. Особые белые кровяные тельца, отвечающие за очистку тканей нашего организма, получают в случае апоптоза сигнал и устремляются к умершим клеткам, чтобы поглотить их содержимое — дабы оно не выплеснулось наружу и не навредило окружающим клеткам.

Страшно даже представить себе, что может произойти, если у всех клеток разом запустятся механизмы самоуничтожения. К счастью, подобные механизмы обычно включаются только тогда, когда организм больше не нуждается в той или иной клетке либо они представляют для него угрозу — например, являются раковыми. Клетки также совершают самоубийство, если обнаруживается, что отсутствуют факторы, которые будут способствовать их дальнейшей жизни и развитию. Это особенно характерно для эмбрионов. Очень многие нервные клетки, как мы еще убедимся, погибают, если в процессе своего развития им не удается установить необходимые связи с другими клетками. Классическим примером запрограммированной гибели клеток является гибель клеток в пространстве между формирующимися пальцами в процессе развития человеческого эмбриона, дабы у людей не формировались перепонки, как у уток.

Далее мы подробно исследуем то, как функционируют клетки, и особенно внимательно рассмотрим роль белков, которые во многом определяют действие разнообразных клеточных механизмов.

3. Как мы функционируем

Как белки определяют работу клеток

Подобно заводам, оснащенным многими сборочными линиями, клетки исполняют множество функций: растут и делятся, двигаются и поддерживают свою структуру. Клеточная деятельность — это и мускульные сокращения, и передача нервных импульсов. Все это делается при помощи белков.

Многие наши клетки организованы в ткани — такие, как ткани кожи, легких и кишечника, — и выполняют различные функции в соответствии со своим предназначением. Возьмите, например, кожу, которая защищает нас от укусов насекомых и проникновения грязи, не позволяет жидкостям проникать в организм и выходить из него наружу. Внешний слой нашего кожного покрова представляет собой мертвые клетки, которые все время отшелушиваются и отпадают. В основном они состоят из белка кератина, который предопределяет их прочность. Этот же белок отвечает за то, чтобы связь клеток друг с другом была эластичной и одновременно прочной.

Потеря клеток кожи, которые располагаются на самой поверхности, восполняется за счет образования новых, которые образуются из стволовых клеток, находящихся в подкожном слое. Другой тип клеток образует нашу разветвленную кровеносную систему, в которую входят кровеносные сосуды, артерии, вены и капилляры общей протяженностью почти в сто тысяч километров. Одних капилляров — мельчайших сосудов, соединяющих артерии и вены, — в нашем организме 40 миллиардов.

Клеточные оболочки позволяют клеткам обмениваться газами, питательными веществами и выводить продукты распада. Каждая клетка находится на расстоянии не более чем в несколько клеток от обслуживающего ее капилляра.

При этом все наши клетки состоят из одних и тех же молекул и используют одни и те же механизмы для производства белков. Их химический состав также одинаков — все они примерно на 70 процентов состоят из воды. 95 процентов клеточной массы образовано всего лишь четырьмя видами атомов — углерода, водорода, азота и кислорода, которые соединяются друг с другом в самых различных комбинациях для того, чтобы создать множество видов молекул, содержащихся в клетках. Сложная структура клетки как раз и обусловлена тем, что все эти простейшие атомы соединяются друг с другом в разнообразнейших комбинациях, образуя белки и аминокислоты. Представляется, что главным качеством клеток является их способность генерировать великое множество различных химических соединений на основе одних и тех же базовых элементов — и эта способность зависит от белков.

Внутри каждой клетки имеется набор молекул, которые выполняют эти функции. Основная роль здесь у наиболее сложных белковых молекул. В нашем теле содержится до 200 различных разновидностей клеток — кожи, печени, жировых, нервных клеток и так далее, и функции всех их устанавливаются определенными белками. Различия в назначении клеток предопределяются различиями в составе белков.

Число аминокислот в белковой молекуле обычно варьируется от 50 до 2000. При этом существуют белки, состоящие всего из 30 аминокислот, и белки, состоящие из 10 000 аминокислот. Последовательность и состав аминокислот в каждом белке уникальна, и именно это определяет особенности поведения данного белка. Функционирование белков во многом зависит от их взаимодействия с другими белками или молекулами, причем это взаимодействие характеризуется весьма высокой степенью избирательности: определенный белок может связываться лишь с одной из тысяч разных молекул, находящихся в клетке. Эта особенность связана с характерным трехмерным строением каждого белка, соответствующим лишь определенному типу молекул. Благодаря такому строению, например, на поверхности белка может появляться полость, куда и проникает молекула, с которой он должен взаимодействовать.

Белки определяют структуру клетки — и в то же время представляют собой строительный материал, из которого образуется клетка. Белки являются основным компонентом клеточной оболочки, благодаря им клетки обладают способностью к перемещению. Белки также могут проникать сквозь клеточную оболочку и таким образом переносить молекулы из клетки и внутрь нее, они передают информацию, которой обмениваются клетки, действуют в качестве рецепторов и осуществляют контроль за работой генов. Белки могут объединять свои усилия, они соединяются вместе, образуя волокна, микротрубочки, кольца, слои ткани и т. д.

Основная функция некоторых белков — выступать в роли энзимов. Энзимы — это белки, которые связываются с молекулами и изменяют их структуру, расщепляя одни молекулы на более мелкие, а другие, наоборот, объединяя. Таким образом, они играют определяющую роль в формировании новых молекул и в расщеплении пищи на более мелкие молекулярные единицы; через это они влияют на поведение клеток. Практически все происходящие в клетке процессы контролируются и осуществляются различными типами белков.

Молекулярная цепочка аминокислоты чрезвычайно гибка, она обладает способностью свертываться и складываться любым образом. Глядя на нее, любой акробат может лишь позавидовать. Трехмерная структура, которую она образует, предопределяет функцию белка. То, какую форму принимает в конечном счете белок, зависит от последовательности входящих в него аминокислот. Представьте себе веревку, которая на всем своем протяжении завязана в узлы и петли и унизана крючками. Если складывать такую веревку хаотичным образом, то некоторые крючки зацепятся за петли и форма веревки изменится. То же самое происходит и с белками. Весьма часто белковые цепи соединяются неправильно, и тогда клетка уничтожает их. Правда, на это расходуются значительные запасы клеточной энергии. Для того же, чтобы белковые цепи связывались воедино правильно, в клетке существуют особые белки-поводыри.

Если меняется всего лишь одна аминокислота в длинной белковой цепочке, то меняется и вся структура белка. А это может вызвать серьезные изменения в его деятельности и привести к ненормальному функционированию всей клетки. Именно это обстоятельство лежит в основе многих заболеваний. Ярким примером является серповидная анемия, при которой меняется всего лишь одна аминокислота в белке гемоглобина. Эта мутация приводит к нарушению структуры белка, из-за чего меняется форма кровяной клетки — она приобретает серповидные очертания, что, в свою очередь, мешает нормальному прохождению кровяных клеток через кровеносные капилляры.

Каким же образом определяется порядковое место той или иной аминокислоты в белковой цепи? Фреду Сангеру, биохимику из Кембриджа, была присуждена Нобелевская премия за то, что он определил последовательность аминокислот в белке инсулина. Сангер разработал метод отделения от белковой цепи аминокислоты, находящейся на самом ее конце. Благодаря этому методу он получил возможность отделить одну за другой все аминокислоты, входящие в белок инсулина, и определил точную последовательность их расположения в белковой цепочке.

Однако даже точное знание расположения аминокислот не всегда помогает понять пространственную структуру белка. Самым удобным методом для выяснения этого является превращение белка в кристалл, который затем просвечивается рентгеновскими лучами. Изучение углов отражения лучей и позволяет распознать пространственную структуру белка. На практике же наиболее быстрым методом для определения пространственной структуры белка является его сравнение с другим белком, пространственная структура которого уже известна. Поэтому чем больше белков изучено, тем проще становится процедура выяснения пространственной структуры новых белков.

Некоторые белки необходимо точно доставить в определенные области клетки. Столь же важно не пускать кое-какие белки в места, где их присутствие нежелательно. Но каким же образом белки направляются на путь, по которому им следует устремиться для выполнения своих специфических функций? Ведь в большинстве наших клеток имеются миллионы белковых молекул, представляющие несколько тысяч разных видов белков. Как устанавливается порядок в этом хаосе? Но все, оказывается, просто: выбор места, в котором белки должны находиться, закодирован в самой их структуре. Свободно плавающие внутри клетки белки каждую секунду встречаются с тысячами других молекул, в том числе и белковых. В результате такого взаимодействия они получают нужную информацию и попадают туда, где и должны находиться.

Ключевую роль в определении местоположения отдельных белков играют клеточные оболочки, поскольку белки не могут проникать сквозь эти оболочки, не обладая специальными средствами транспортировки. Основной же структурой клетки, помогающей белкам оказаться в нужном месте внутри клетки, является эндоплазматический ретикулум. Именно туда устремляются сначала все белки, и именно оттуда они перенаправляются в нужные места. Это происходит за счет видоизменения структур белков, например за счет добавления их к молекулам сахаров, благодаря чему меняется характер их дальнейшего присоединения к другим белкам.

К числу наиболее поразительных по своим функциям белков относятся энзимы. Они могут преобразовывать молекулы одного типа в молекулы другого типа, могут расщеплять молекулы на исходные компоненты, могут соединять воедино две разные молекулы, и таким образом благодаря им становится возможным синтез множества молекул. Энзимы являются катализаторами, способными в миллион раз ускорить химическую реакцию, причем в процессе этого сами они остаются неизменными. Они действуют поразительно быстро, успевая воздействовать на тысячи молекул в течение одной секунды. Поэтому скорость протекания химических реакций внутри клетки исключительно высока.

Все основные химические процессы, которые протекают внутри клетки, происходят с участием энзимов. Они расщепляют молекулы сахаров, которые обеспечивают нас энергией в форме АТФ. Образно энзим можно представить в виде замка, к которому должен подойти определенный ключ — та молекула, которую этот энзим должен изменить. Когда «замок»-энзим встречается с «ключом»-молекулой, он подгоняет этот ключ под себя — меняет его форму, либо отнимая у него некоторые молекулярные компоненты, либо, наоборот, добавляя их. Энзимы часто действуют по командному принципу: молекулы, обработанные одними энзимами, становятся объектами воздействия следующих групп энзимов. Это приводит к образованию сложных внутриклеточных механизмов производства энергии или синтеза новых молекул.

Энзимы, находящиеся в нашем кишечнике, играют ведущую роль в переваривании пищи, которую мы потребляем, — иными словами, в расщеплении ее на мелкие компоненты, которые проникают в систему кровообращения и разносятся кровью по организму, предоставляя питание содержащимся в нем клеткам. Другим ярким примером того, как действуют энзимы, является функционирование содержащегося в нашей слюне и слезах лизоцима, который предотвращает распространение в организме бактериальной инфекции. Этот энзим способен разрывать молекулярные цепочки сахаров, находящиеся во внешней оболочке бактериальных клеток, что ведет к ее разрушению и гибели бактерий.

Действие лизоцима основано на том, что он добавляет к белковой цепи микроба молекулу воды, вставляя ее между двух групп молекул сахаров и заставляя тем самым белковую цепь рваться. Молекулы воды бомбардируют цепочки сахаров все время, однако существующий энергетический барьер не позволяет им разорвать цепь. Энзим же видоизменяет цепочку сахаров так, что устойчивость ее понижается и молекула воды проникает в нее.

При этом энзимы не действуют автономно, сами по себе — их деятельность контролируется другими молекулами клетки и в случае необходимости регулируется. Подавление их активности осуществляется по методу обратной связи. Так, если энзим вырабатывает некое вещество «X», то оно, в свою очередь, вырабатывает некое вещество «Y», которое вступает во взаимодействие с энзимом для того, чтобы приглушить его активность.

Форма клетки и ее передвижения определяются внутренним каркасом, состоящим из белковых нитей и трубочек, которые, вместе с различными клеточными оболочками, являются своего рода костями и мускулами клетки. Находящиеся в сложном и непрерывном взаимодействии друг с другом белковые нити и трубочки поддерживают форму клетки, заставляют эту форму видоизменяться, а также обеспечивают передвижения клетки. Нити играют роль скреп, которые оберегают клетку от воздействия сил, стремящихся деформировать ее. Из них образуются подобия белковых веревок, благодаря которым форма остается неизменной. В некоторых клеточных тканях, таких, как, например, кожа, белковые нити скрепляют клетки в местах их соединений, чтобы придать тем самым ткани дополнительную прочность. Это пример весьма умной инженерии. Нити также помогают удерживать оболочку ядра, которое формируется из небольших белковых образований, и создают своего рода дорожки, по которым внутри клетки двигаются различные мелкие частицы.

Микротрубочки представляют собой достаточно прочные полые трубки, обладающие способностью быстро возникать и затем исчезать в различных частях клетки в зависимости от посылаемых оттуда сигналов. Их относительная нестабильность наделяет их способностью быстро перестраиваться и перегруппировываться. Мы уже наблюдали это, когда рассматривали процесс деления клеток, во время которого микротрубочки участвуют в процессе разделения хромосом.

Подобно нам самим, клетки обладают развитым внутренним скелетом и высокой мобильностью. Внутренний скелет клетки строится из белков. Они же определяют движение клетки. Примером этого являются мускульные сокращения — фундаментальное свойство наших клеток. Когда наши мускулы сокращаются, они становятся короче. Можно было бы подумать, что сокращаются мускулы благодаря укорачиванию некоторых молекул, однако это не так. Клетки применяют для этого более хитроумный способ.

Особенно ясно это видно на примере скелетных мускулов — мышц, которые прикрепляются к костям скелета и состоят из выстроившихся в цепочку небольших мускульных образований, способных к сокращению. Каждое длинное волокно скелетных мышц представляет собой одну огромную клетку, которая в процессе эволюции сформировалась из нескольких малых клеток. Мышечное волокно содержит в себе специфические элементы, связанные с механизмом сокращения, — миофибриллы. Каждая миофибрилла состоит из саркомеров, следующих друг за другом. Саркомер — это функциональная единица мышцы, именно сокращение саркомеров и вызывает сокращение всей мышечной группы. В состав саркомера входят сократительные белки — актин и миозин.

Миозиновые и актиновые нити собраны в мышечные пучки, устроенные таким образом, что актиновые нити находятся между миозиновых. Сокращение мышцы происходит в результате скольжения миозиновых и актиновых нитей относительно друг друга, в результате чего вся миофибрилла становится короче. Это похоже на то, как если бы пальцы одной руки скользили между пальцами другой. Особые области миозиновых нитей воздействуют на актиновые нити, заставляя их двигаться относительно себя, и для этого требуется АТФ. Из-за этой способности к совершению мускульных движений миозин называют белком — мотором мышц.

Актин — это многоликий белок, способный легко вытягиваться в нити и затем распадаться опять на элементарные составляющие. Он может образовывать и жесткие ткани, и — вместе с миозином — сократительные волокна, которые во время деления клетки создают сократительное кольцо, приводящее к образованию двух клеток из одной делящейся. Актин обеспечивает способность клетки к движению. Особенно наглядно это проявляется при движении белых кровяных телец через ткани, когда они внедряются туда для уничтожения вторгнувшихся в организм вредоносных бактерий.

В передней части двигающейся клетки имеется густой пучок актиновых нитей. Разрастаясь, они начинают давить на клеточную оболочку, заставляя ее выпячиваться вперед. Затем эти актиновые нити сокращаются, за счет чего вся клетка подтягивается вперед. Этот процесс повторяется вновь и вновь. Все это похоже на то, как если бы кто-то карабкался вверх по лестнице, помогая себе лишь одной рукой. Однако и в задней части двигающейся клетки также происходят сокращения, которые вызываются уже миозиновыми нитями.

Непрерывное движение внутри клетки в основном вызвано движением митохондрий и небольших пузырьков, окруженных оболочкой, которые перемещаются скачкообразными движениями. В основе этих движений лежит тот же принцип, что и в основе мускульных сокращений. Находящиеся в клетке белковые нити и микротрубочки являются теми «рельсами», вдоль которых совершаются все эти движения. Осуществляется же движение благодаря двигательным белкам, которые связываются одним концом с оболочкой пузырька или митохондрии и затем путешествуют вместе с ними вдоль белковой нити или микротрубочки. Продвижение пузырька или митохондрии происходит за счет того, что с ними поочередно связываются последовательно расположенные двигательные белки, «вытягивающие» их таким образом вперед. Все это напоминает то, как тянутся относительно друг друга во время мускульных сокращений актиновые и миозиновые нити.

Двигательные белки отвечают также за движения ресничек. Многие наши клетки имеют так называемые реснички — что-то вроде одиночного волоска, находящегося на внешней оболочке. Эта ресничка изгибается и выпрямляется, заставляя окружающую жидкость обтекать клетку. Подобные реснички очищают, например, наши легкие: миллиарды ресничек в легких все время находятся в непрерывном движении, освобождая их от пыли и выводя ее наружу через рот. Сперматозоид, который после эякуляции устремляется навстречу яйцеклетке, также движется за счет похожего на ресничку отростка, но только значительно большего по своим размерам. Этот отросток изгибается и заставляет сперматозоид продвигаться вперед с завидной скоростью, превращая его в подобие оснащенного мощными ластами пловца.

Основным механизмом, приводящим в движение реснички, являются девять пар микротрубочек, собранных в кольцеобразную структуру, которая может изгибаться за счет скольжения микротрубочек относительно друг друга. Это скольжение осуществляется благодаря особым двигательным белкам. Недавно было признано, что гораздо больше клеток, нежели считалось ранее, имеют реснички и что при помощи этих ресничек клетки могут подавать друг другу различные сигналы.

Белки, расположенные на внешней оболочке клетки, также исполняют важнейшие функции. К внешней оболочке привязываются молекулы сахаров, создавая нечто вроде дополнительного защитного чехла, предохраняющего клетку от механических повреждений и неблагоприятного химического воздействия. На внешней поверхности клеточной оболочки имеются также белки, которые связываются с белками, расположенными на поверхностях других клеток, соединяя тем самым клетки воедино и позволяя им образовать клеточную ткань.

На внешней поверхности клеточных оболочек размещаются также белковые рецепторы, которые позволяют улавливать и передавать внутрь клетки сигналы, поступающие от других клеток. Поступающая таким образом информация передается прежде всего генам, находящимся в клеточном ядре, и оповещает их о том, что происходит в других клетках. Передача подобных сигналов протекает в виде сложных реакций и взаимодействия различных клеточных белков.

Клетки должны иметь возможность воспринимать сигналы соседних клеток, а также сигналы, которые поступают им издалека в виде гормонов. Например, гормон инсулин сигнализирует клеткам о том, что они должны позволить молекулам сахаров проникать в себя. В силу того, что белки внешней оболочки клетки играют определяющую роль в связях клетки с окружающим ее миром, число разновидностей таких белков достигает десяти тысяч, и они представляют собой значительную составляющую часть общей армии белков.

Основу клеточной оболочки составляют молекулы жиров, или липиды, и молекулы белков. Ключевая роль молекул жиров в строительстве клеточной оболочки основана на том, что они по природе своей отталкивают воду. Молекулы жиров не смешиваются с водой, а также держатся отдельно друг от друга. Они покрывают оболочку клетки тончайшим двойным слоем, благодаря чему она становится гибкой и подвижной и одновременно практически непроницаемой для молекул, растворимых в воде, — таких, как молекулы глюкозы. Размещенные в клеточной оболочке жировые молекулы похожи на крошечных животных, которые не выносят воду: головная часть этих молекул делает все, чтобы убраться из области, где есть вода, а хвостовая часть способна вынести лишь незначительный контакт с водой.

В образующем клеточную оболочку жировом слое размещены и молекулы белков, составляющие примерно половину всех молекул клеточной оболочки; они способны контролировать перенос и перемещение молекул сквозь клеточную оболочку. Благодаря этому клеточная оболочка обладает высокой степенью подвижности и гибкости, что позволяет ей принимать любую форму при изменении формы самой клетки, и не разрываться даже тогда, когда что-то протыкает ее извне. Новая клеточная оболочка формируется клеточным пузырьками — мельчайшими образованиями, которые, в свою очередь, также имеют оболочку. Легкость, с которой жировые молекулы образуют двойной защитный слой, сыграла важную роль в эволюции клеточной оболочки и самой клетки в целом.

Несмотря на то что жировые молекулы не терпят воды, вода все же способна проникать сквозь клеточную оболочку внутрь клетки, а также выводиться из нее. Но жировая оболочка пропускает внутрь в основном молекулы воды, не имеющие электрического заряда. Те же молекулы, что содержат электрический заряд — например, натрий и ионы калия, — проникают сквозь оболочку с большим трудом.

Ион — это атом или молекула, которая либо потеряла, либо приобрела один или два электрона, в результате чего получила отрицательный или положительный электрический заряд. Клеточную оболочку ионы преодолевают при помощи специального механизма транспортировки, состоящего из белков. Размещенные в клеточной оболочке белки также обеспечивают проникновение в клетку и вывод из нее крупных молекул. Клеточная оболочка содержит в себе две белковые системы по транспортировке молекул: одни белки обеспечивают чужим молекулам каналы проникновения сквозь оболочку, а другие выступают в роли их непосредственных переносчиков.

Концентрация ионов натрия вне клеток примерно в 20 раз выше их концентрации внутри клеток. Концентрация ионов калия вне клеток, наоборот, примерно в 20 раз ниже их концентрации внутри клеток. Подобная разница достигается за счет работы белкового «натриевого насоса» — белка, который выносит из клетки молекулы натрия и закачивает молекулы калия. Работа этого «насоса» чрезвычайно важна для того, чтобы не допустить разрыв клеточной оболочки под напором нагнетаемой в клетку воды. Если работа белкового «насоса» остановится, то давление разорвет оболочку клетки и клетка погибнет. Около одной трети всей энергии клетки — то есть около одной трети вашей энергии — уходит на обеспечение работы этого насоса.

Для того чтобы в клетку могла проникнуть глюкоза, являющаяся необходимым компонентом для обеспечения ее энергией, требуется особый белковый механизм; его роль осуществляет белок инсулин. В присутствии инсулина глюкоза переносится сквозь клеточную оболочку при помощи особых групп молекул, которые называются «транспортировщиками глюкозы». Они размещаются в мельчайших пузырьках внутри клетки. Когда инсулин связывается с оболочкой клетки, пузырьки перемещаются по системе микротрубочек, пока также не достигают оболочки и не связываются с ней. После этого транспортировщики глюкозы проникают в оболочку клетки и переносят сквозь нее молекулы глюкозы. Отказы в работе этого механизма приводят к развитию диабета.

В отсутствие инсулина глюкоза не способна преодолеть клеточную оболочку и проникнуть внутрь клетки. Инсулин вырабатывается бета-клетками поджелудочной железы, и, если эти клетки перестают вырабатывать инсулин, развивается диабет первого типа. Диабет первого типа является болезнью аутоиммунного происхождения, в ходе которой иммунная система ошибочно атакует и уничтожает бета-клетки. Проявляется диабет первого типа уже в раннем возрасте. Диабет второго типа, наоборот, поражает человека в возрасте более зрелом; причина его в том тем, что рецепторы клеточной оболочки перестают реагировать на инсулин и он не может ее преодолеть. Основным фактором риска при возникновении диабета второго типа является ожирение, поскольку увеличившиеся жировые клетки вырабатывают большее количество веществ, в том числе жирные молекулы особого вида, которые провоцируют устойчивость к инсулину. Напротив, «исхудавшие» жировые клетки вырабатывают вещества, способствующие поглощению инсулина. При диабетах обоих типов потребление глюкозы клетками значительно уменьшается, что, в свою очередь, уменьшает их способность вырабатывать энергию и ведет к сердечно-сосудистым заболеваниям, отказу почек, слепоте, нервным расстройствам, плохому заживлению ран и т. д. Плохое же заживление ран, особенно на ногах, грозит гангреной и ампутацией.

4. Как работают гены

Как ДНК кодируют структуру белков

Каждая наша клетка содержит около 30 тысяч различных генов, в то время как некоторым бактериям достаточно всего 500 генов. В генах содержатся коды, согласно которым синтезируются белки и определяется порядок расположения в них аминокислот. В каком бы месте человеческого тела ни находились клетки, они всегда содержат один и тот же набор генов. Однако в зависимости от типа клеток — клеток кожи, нервных или мышечных — в них для синтеза новых белков задействуются различные гены.

Длинные цепочки ДНК в хромосомах клетки плотно сжаты. Компактное расположение ДНК в хромосомах осуществляется за счет особых белков, вокруг которых наматываются нити ДНК. Но в клетке присутствуют белки, которые, чтобы облегчить синтез новых белков согласно содержащемуся в ДНК коду, при необходимости переводят ДНК из компактной формы в развернутую. Под воздействием этих белков готовящиеся к делению клетки хромосомы развертываются и с этого момента занимают в 10 тысяч раз больше места.

Нуклеотиды типа «А», «Т», «С» и «G», входящие в состав длинных молекул ДНК, располагаются в определенном порядке, чтобы обеспечивать кодирование белков при их синтезе, который происходит из 20 различных видов аминокислот. ДНК при этом выполняют роль матрицы — каждому белку соответствует свой ген, по образцу которого осуществляется синтез аминокислот, образующих нужный белок. Таким образом генетический код воплощается в белках, и последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот в белке. Это очень похоже на азбуку Морзе, где точки, тире и их совокупность соответствуют определенным буквами алфавита. Последовательность нуклеотидов, которые считываются по три за один раз, соответствует последовательности аминокислот в белке. При этом набор из трех нуклеотидов, которые считываются за один раз, кодирует одну аминокислоту. Так, например, набор нуклеотидов AUG кодирует аминокислоту ацидометионин.

Существуют 64 комбинации нуклеотидов, однако синтезируются всего 20 различных видов аминокислот. Это означает, что некоторые троичные последовательности нуклеотидов используются не для синтеза аминокислот, а для обозначения прерывания процедуры синтеза. Совершенно бессмысленных наборов троичных нуклеотидов не бывает — каждый из них выполняет какую-то определенную функцию. Существует и несколько наборов нуклеотидов, которые кодируют одни и те же аминокислоты. Самый крупный ген состоит из двух миллионов нуклеотидов, размещенных на каждой из его нитей, а самый маленький — из одной тысячи.

Наши ДНК — это помещенные внутри клеточного ядра кладези ценнейшей информации. Однако синтез белков происходит не в ядре, а в окружающей его цитоплазме клетки. Как же это происходит? Сначала содержащийся в ДНК белковый код передается другой аминокислоте — РНК, которая, подобно ДНК, представляет собой цепь из четырех нуклеотидов. Однако, в отличие от ДНК, представляющей собой двойную цепочку, свернутую в спираль, РНК состоит из одной цепочки нуклеотидов. Другое отличие РНК от ДНК заключается в том, что вместо нуклеотида «Т», в цепочке РНК помещен нуклеотид урацил, который легко связывается с нуклеотидом «А». Это означает, что цепочка РНК может присоединяться к цепочке ДНК и дополнять ее.

Открытие РНК последовало после того, как ученые пришли к выводу о том, что должен существовать какой-то механизм передачи генетической информации от ДНК, находящейся внутри клеточного ядра, в цитоплазму. Эта мысль посетила Сиднея Бреннера, ученого из Южной Африки, который является моим кумиром, и Фрэнсиса Крика во время научной конференции, которая состоялась в 1960 году в Кембридже. После этого Бреннер и Крик отправились в США, чтобы провести серию экспериментов, и в ходе их открыли РНК.

Ген включается в активную работу по синтезу новых белков тогда, когда он передает свой код РНК при помощи специального белкового механизма, который копирует генетический код ДНК, представляющий собой последовательность нуклеотидов.

Процесс считывания генетической информации, который называется «транскрипция», начинается с открытия и развертывания небольшой части двойной спирали ДНК в конце хромосомы. Генетические коды этого участка хромосомы копируются затем на растущую по мере продвижения процесса копирования молекулу РНК; при этом белковый копирующий механизм продвигается вдоль нити ДНК. Процесс переноса генетического кода заканчивается, когда на конце РНК синтезируется так называемая терминальная группа аминокислот — ее присутствие сигнализирует об окончании белковой цепочки данного кода. Многие могут подумать, что после этого РНК готова к тому, чтобы на основе ее матрицы начался синтез нужного белка. Однако, как и все остальное клетках, все не так просто.

Большинство генов, которые находятся в наших клетках, содержат в своем составе намного больше нуклеотидов, чем реально требуется для синтеза белков. Те нуклеотиды, которые не нужны для синтеза, называются нитронами. Они копируются на РНК, но перед тем, как она может начать синтез новых белков, удаляются.

Те области РНК, которые непосредственно кодируют последовательность аминокислот в белках, называются аксонами. Они вступают в дело лишь после того, как интроны ретируются при помощи хитроумного механизма, который называется «сращиватель РНК». Удаляя интроны, он одновременно проверяет состояние эксонов и гарантирует то, что они четко связаны воедино. После этого РНК разрешается покинуть клеточное ядро и перейти в область цитоплазмы.

При этом существует еще одно затруднение. Когда РНК разрезается ради извлечения из нее интронов, а затем сращивается опять, то часто эксоны соединяются в неверном порядке. Это приводит к тому, что они начинают синтезировать совсем не те белки, которые нужны. Поэтому специальные механизмы клетки тщательно следят за сращиванием эксонов, чтобы в конечном счете синтезировались именно те белки, которые действительно необходимы, и именно в тех местах клетки, где их ждут.

Активация гена и последующее копирование на РНК содержащейся в нем наследственной информации зависят от воздействия особых белков — так называемых транскрипционных факторов, — которые привязываются к специальным контрольным зонам ДНК. Эти контрольные зоны сами не осуществляют кодирование новых белков — они лишь опознают транскрипционные факторы и используются особым белковым механизмом, который передает генетические коды РНК для дальнейшего синтеза белков. Транскрипция начинается в промоторной области, которая располагается непосредственно перед кодировочной областью. Процесс транскрипции гена начинается только в том случае, если надлежащий транскрипционный фактор достигает соответствующей контрольной зоны. Мы говорим о том, что ген активирован, если осуществляется его транскрипция в РНК; если же транскрипция не осуществляется, то такой ген считается неактивированным.

Для работы с отдельным геном может быть задействована не одна, а сразу несколько контрольных зон, ибо активация гена может потребоваться в самых различных ситуациях и обстоятельствах. Невозможно переоценить важность контрольных зон. Мы вновь вернемся к ним, когда станем рассматривать вопросы развития эмбриона.

Белок, синтезированный одним геном, может активировать несколько других генов или равным образом деактивировать их. Таким образом, в клетке существует система взаимодействия различных генов, определяющая поведение клетки и ее изменение со временем.

Срощенная РНК покидает клеточное ядро, проникает в цитоплазму и направляется к рибосомам — местам сборки белков. Рибосомы — это небольшие округлые белковые образования, в которые попадают РНК и в которых в точном соответствии с последовательностью нуклеотидов РНК происходит синтез новых белков — так, что расположение аминокислот синтезируемых белков точно соответствует последовательности нуклеотидов матричной РНК.

Само превращение последовательности нуклеотидов РНК в последовательность аминокислот вновь синтезируемого белка в рибосомах происходит при помощи небольших молекул РНК, известных как «передаточные РНК». Эти молекулы способны распознавать набор из трех нуклеотидов, которые считываются за один раз, и прикрепляться к той аминокислоте, которая соответствует этому троичному набору. Например, аминокислота лизин кодируется последовательностью нуклеотидов «ААА» или «AAG», а аминокислота тирозин — последовательностью нуклеотидов «UAC» либо «UAU». Передаточная РНК распознает эти последовательности нуклеотидов. Затем вступает в действие рибосома — своеобразная клеточная «фабрика» по производству новых белков.

Рибосомы являются одними из наиболее сложных образований клетки. В их состав входят белки и РНК. Рибосома движется вдоль молекулы РНК и соединяет воедино аминокислоты при помощи передаточных РНК. Рибосомы работают весьма быстро — как и все остальные части клетки — и за одну секунду способны соединить две аминокислоты. В результате белки синтезируются в период времени от 20 секунд до нескольких минут.

В настоящее время мы способны понять природу мутаций и то, как они могут влиять на поведение клетки. Мутация ДНК может поменять последовательность нуклеотидов в генах и тем самым привести к изменению последовательности расположения аминокислот во вновь синтезируемых белках. Это способно изменить пространственную структуру белка и его функции, привести к образованию белка-мутанта, что может иметь как негативные, так и позитивные последствия. Все это мы рассмотрим в последующих главах. Мутации, меняющие функции белков в яйцеклетках или сперматозоидах, являются основными факторами эволюции, поскольку они будут унаследованы следующими поколениями. Изменения в ДНК, расположенных в контрольных зонах, также влияют на поведение клеток, поскольку они определяют, когда и в какой клетке происходит активация наследственного гена.

ДНК человека содержат 3 миллиарда основных пар нуклеотидов. В среднем человеческий ген содержит 27 тысяч основных пар нуклеотидов, однако при этом лишь 1300 пар нуклеотидов в составе такого гена используются для кодирования последовательности аминокислот во вновь синтезируемом белке, определяя тип и последовательность примерно 430 его аминокислот. Люди, не являющиеся родственниками, отличаются друг от друга в среднем всего на 1 процент, однако подобное различие включает в себя и различия в трех миллионах их нуклеотидов.

Трудно представить себе, как такой гигантский объем информации может содержаться в наших клетках. Меня поразила выставка, где вся последовательность наследственной информации человека была для наглядности представлена в виде книг, заполнявших собой огромный шкаф. Достаточно открыть любую из этих книг на какой угодно странице и увидеть, что каждый из этих томов заполняет описание последовательности нуклеотидов, напечатанное мелким шрифтом: «ATGCTGACCGATTAGTCA» — и так далее, при этом в каждом таком томе не меньше пятисот страниц. Достаточно просто взглянуть на это, чтобы испытать чувство неподдельного почтения к способности клеток хранить и использовать наследственную информацию. Если вытянуть содержащуюся в клетке цепочку генов в длину, то длина ее составит два метра. Каким же образом клетка находит нужный ей ген? И откуда клетка знает, в какой из этих книг и на какой именно странице находится нужный ей ген? Что определяет переход гена в активированное состояние и создание РНК, содержащей информацию, необходимую для синтеза какого-то конкретного белка?

Ответ на этот вопрос раскрывает фундаментальные особенности механизма контроля за поведением клетки, ибо именно это определяет, какие белки содержатся в клетке, что, в свою очередь, непосредственно определяет и само поведение клетки.

Теперь мы видим, что делают гены — или, вернее, чего они не делают, ибо во время всего процесса синтеза новых белков они остаются пассивными. Они лишь задают код, по которому будут синтезированы белки, и образуют контрольные зоны, которые запускают процесс синтеза белков. Когда же приходит время продублировать сам ген, белки также выполняют эту работу.

Необходимо всегда помнить, что ДНК — это не чертеж, по которому строится весь организм. Это станет совершенно очевидно, когда мы будем рассматривать вопросы развития эмбриона. Тем не менее совершенно поразительным является то, что гены управляют огромным множеством процессов, проистекающих в клетке за счет того, что в данный момент времени задают синтез тех или иных белков. В наших клетках содержится около 30 тысяч различных генов, и если мы представим, что несколько сотен различных белков могут обусловить какое-то определенное состояние клетки, то получается, что если внутри клетки активированы различные комбинации генов, то мы имеем дело с миллиардами разных клеток, каждая из которых синтезирует свой уникальный набор белков.

Сейчас ученые признают, что структура генов и роль ДНК — гораздо более сложные, чем это считалось прежде. Лишь небольшая часть ДНК, содержащихся в наших хромосомах — менее 2 процентов, — непосредственно отвечает за синтез белков. В структуре хромосом существует множество повторяющихся участков, функция которых до конца не ясна. Некоторые исследователи вообще считают, что в структуре ДНК присутствует множество «лишних», не играющих никакой роли, и просто накопленных за многие годы эволюции звеньев.

Звенья, в которых содержатся повторяющиеся нуклеотиды, составляют не менее 10 процентов объема хромосом. При этом некоторые из них перемещаются из одного места в другое. Подобные переходы приводят к тому, что звено ДНК копируется и затем вставляется в какое-то другое место. Многие мутации, которые происходят в клетке, как раз и порождаются тем, что эти звенья переходят в кодировочные или контрольные зоны и тем самым меняют их характер.

ДНК и гены — гораздо более сложные образования, нежели было принято считать ранее. Появились данные, которые свидетельствуют о том, что области, отвечающие за кодирование белков некоторых генов, пересекаются со спиралями других генов, расположенных на большом расстоянии от них. Почему так происходит, не известно.

В течение долгого времени РНК считалась рядовым переносчиком генетической информации от генов к рибосомам, где происходит синтез белков. Однако совсем недавно стало ясно, что РНК выполняют и множество других функций. В ходе глобальных исследований, которые скоординированно проводились учеными многих стран, было выяснено, что существует множество РНК, являющихся копиями с отдельных участков ДНК, функции которых до конца не ясны. Ученые установили, что происходит значительное копирование генетической информации с ДНК на РНК, не связанное с целью последующего синтеза новых белков. Существует даже мнение, что количество подобных РНК превышает общее количество генов в клетках. Образующиеся в результате этого микро-РНК способны регулировать функции «основной» РНК и контролировать, будет ли синтезирован белок по ее матрице или нет. Некоторые микро-РНК контролируют группы белков, состоящих из сотен различных разновидностей.

Микро-РНК состоят всего из 20 нуклеотидов. Одна из их основных функций — связываться с РНК, содержащей информацию, необходимую для синтеза белка, и уничтожать ее, с тем чтобы данный белок не был синтезирован. Эти микро-РНК со всей очевидностью представляют собой еще один контрольный механизм клетки, регулирующий синтез отдельных видов белков.

Все белки синтезируются в рибосомах, содержащихся в цитоплазме клетки. Некоторые рибосомы прикреплены к таким внутренним структурам клетки, как оболочки эндоплазматического ретикулума. Белки, синтезируемые подобными рибосомами, поступают в эндоплазматический ретикулум и таким образом передаются в распоряжение своеобразной «почтовой службы» клетки, которая отправляет их в те места, где они нужны. Транспортировка белков происходит благодаря взаимодействию различных клеточных оболочек. Это — довольно сложная, но весьма эффективная «почтовая служба».

Существует и особая «пересыльная служба» для организации перемещений РНК, которые переносятся в те места, где необходимо появление новых белков, и только тогда, когда они туда попадают, синтез необходимых белков осуществляется.

Когда перемещается сама клетка, то ее передняя часть требует большого количества актина, из которого образуются волокна, позволяющие передней части клетки перемещаться вперед. В этом случае соответствующие РНК доставляются в переднюю часть клетки, и там синтезируется актин. Ученым еще предстоит выяснить, как РНК перемещаются в эту область клетки и каким образом синтез новых белков по их матрице задерживается, пока они там не окажутся.

При этом клетки «чувствуют» время. Функции тела в значительной степени зависят от суточного ритма, который нарушается, когда мы совершаем авиаперелеты в направлении на восток или запад. Этот ритм воздействует не только на цикл бодрствования и сна, но и на выделение гормонов и работу печени и почек. На формирование 24-часового цикла воздействует интенсивность дневного света: когда свет достигает сетчатки глаза, то соответствующие сигналы посылаются в особый отдел мозга — главный «хранитель времени» в организме. Однако биологические часы имеются не только в мозге: представляется, что каждая клетка нашего тела обладает своеобразным часовым механизмом. В таких разных тканях, как ткани печени и легких, присутствуют гены, которые активируются и деактивируются в зависимости от различных фаз 24-часового цикла.