Борьба со старением, или Не все мы умрем…

Глава 1.2. Как устроена клетка

Каждая наша клетка – целый мир! В нем всё движется. Постоянно и, на первый взгляд, хаотически с огромной скоростью движутся и сталкиваются миллионы молекул. Всё бурлит. Однако в этом видимом хаосе царит порядок. Всё идет по единому плану, закодированному в бережно хранимой в хорошо защищенном ядре клетки ДНК. Клетка напоминает огромный завод, в котором отдельные органеллы клетки – станки и цеха. Клетка – мир, полный чудес, и в этом разделе мы проникнем в этот чудесный мир.

1.2.1. Совсем немного биофизики и немного биохимии

Не пугайтесь! Мы, как всегда, постараемся рассказать об этих сложных предметах просто и понятно. По моему глубокому убеждению, разобраться в устройстве такой сложнейшей системы, как клетка, без знания фундаментальных основ взаимодействий, происходящих на молекулярном и субмолекулярном уровнях, не удастся.

Физика – это всегда количественное описание объектов и процессов: размеры, время, скорости и т. д. Это, конечно, сложнее, чем словесное описание, но накопленный человечеством опыт показывает, что только так можно познавать мир.

Мы будем по возможности следовать путем, проложенным физикой и другими естественными науками. Начнем с размеров. Для молекул и клетки обычные наши размеры слишком велики. Для них лучше подходят миллиардные доли метра – нанометры[25]. Помните, еще лет пять назад слово «нано» было очень модным. Сейчас оно подзабылось, но в биофизике клетки нанометры необходимы.

Атомы имеют характерный размер – около десятой доли нанометра. (Размер самого маленького атома водорода, равный 0,1 нм, носит красивое название Ангстрем[26], но это помнить необязательно.) Небольшие химические молекулы имеют размер около 1 нм. А вот органические молекулы, состоящие из множества белков, уже в 10 раз больше – примерно 10 нм. Сама клетка в 1000 раз больше, чем самая большая молекула. Ее размер равен 10–50 тысяч нанометров, или 10–50 микрон[27].

Рис. 1.2.1. Изменения свойств элементов периодической таблицы

Атомы всех имеющихся в природе химических элементов (всего их 118, элементы с номерами от 93 до 118 получены искусственно в ядерных реакторах) состоят из протонов, нейтронов и электронов. Номера элементов равны числу протонов в ядрах (заряд ядра) или электронов, окружающих ядро.

Современная формулировка Периодического закона: «Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера)».

На рис. 1.2.1 наглядно показано, что в левой части таблицы находятся металлы, отдающие электроны, и другие доноры-восстановители, а в правой – элементы, принимающие электроны, – акцепторы-окислители[28].

Атомы, связываясь с другими атомами, стремятся создать наиболее устойчивые общие электронные оболочки, то есть так объединить свои электроны, чтобы их общая потенциальная энергия была минимальной. Это один из фундаментальных законов природы: всё стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией, и только такое состояние является устойчивым. По современным квантово-механическим представлениям, электроны являются квантовыми объектами, то есть представляют собой не частицы, а размытые множества-облака, в каждой точке которых электрон может пребывать с некоторой вероятностью. Это трудно, а для наших целей не очень-то уж нужно понимать. Будем представлять себе электроны просто как заряженные распределенные объекты типа облаков. Электроны в атоме располагаются на разных уровнях-оболочках. При этом химические свойства элементов зависят только от количества электронов на внешней электронной оболочке.

Несколько электронов, взаимодействуя, образуют причудливые конфигурации, каждая из которых может характеризоваться определенной потенциальной энергией. Мир устроен так, что наиболее устойчивыми являются конфигурации с максимально заполненными внешними электронными оболочками[29]. Такую конфигурацию имеют инертные газы, и заполненные внешние электронные оболочки придают им устойчивость и, следовательно, инертность, то есть нежелание вступать в какие-либо химические взаимодействия. Все остальные атомы стремятся совместно с другими атомами создать такие же устойчивые, как у инертных газов, электронные оболочки.

Образуя молекулы, атомы элементов притягивают к себе электроны с разной силой, прямо пропорциональной их электроотрицательности[30]. Металлы имеют электроотрицательность на уровне 1, такие неметаллы, как углерод, сера, бром, водород, и металлы – медь, цинк, железо – электроотрицательность, близкую к 2, такие неметаллы, как фтор и хлор, – на уровне 3 и 4.

Существует несколько типов химических связей между элементами. Все химические связи вызваны одной единственной силой электростатического притяжения, или кулоновской силой. Все связи объясняются перетягиванием электронов от одного атома к другому.

Если молекулу образуют элементы с высокой и низкой электроотрицательностью, например, Na и Cl, то элемент с высокой электроотрицательностью (Cl) перетягивает электрон на свою электронную орбиту и сам становится отрицательным. При этом элемент с низкой электроотрицательностью остается без своего электрона и становится положительном. Положительный и отрицательный заряды притягиваются и образуют весьма устойчивую связь, именуемую ионной, поскольку фактически притягиваются положительный ион Na+ и отрицательный ион Cl-.

Ковалентная связь (основная химическая связь в органических соединениях) образуется при взаимодействии атомов, электроотрицательности которых отличаются незначительно. Такая связь возникает в результате обобществления валентных (находящихся на внешней оболочке) электронов, которые до образования связи принадлежали двум атомам. В процесс обобществления могут вовлекаться не только два, но и четыре, и шесть электронов. В результате образуется устойчивая электронная конфигурация инертного газа, например для воды.

Из рисунка 1.2.2 видно, что в такой конфигурации у кислорода имеется внешняя оболочка, заполненная до инертного газа неона (8 электронов), а у водорода – до инертного газа гелия (2 электрона). При этом образовавшаяся устойчивая конструкция несимметрична. Молекула воды представляет собой диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, – отрицательно.

Рис. 1.2.2. Ковалентная связь молекулы воды

Связываясь с атомом наиболее электроотрицательных элементов (фтор, кислород, хлор и азот), атом водорода приобретает положительный заряд. При этом в отличие от других атомов водород, отдавший электрон, является ядром, абсолютно лишенным электронной оболочки. Размеры ядра в тысячи раз меньше размера атома. Поэтому водород может подойти очень близко к другим атомам – электронная оболочка ему уже почти не мешает. Если рядом находится другой диполь, водород притянется к его отрицательному концу. Так образуется водородная связь. Она в 4–10 раз менее прочна, чем ковалентная и ионная. Водородные связи часто встречаются в молекулах белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений, поэтому эти связи играют важную роль в биохимии.

Ковалентная и водородная связи составляют основу биохимии. Используя ковалентную связь, аминокислоты могут связываться в огромные по размеру и весьма сложные белки[31].

Для наиболее продвинутых и любознательных читателей поясним, что для построения сложных белков служит ковалентная связь между атомами азота и углерода.

От одной аминокислоты с конца COOH (карбоксила) отщепляется – OH, а от конца с NH2 (аминогруппы) – другой – H, из них образуется вода (H-O-H, или хорошо знакомая всем H2O). Освободившиеся при этом электроны образуют ковалентную связь между C и N. Ковалентную связь между двумя аминокислотами принято называть пептидной[32].

Рис. 1.2.3. Образование пептидной (ковалентной) связи между двумя аминокислотами

В белковых цепях атомы водорода, ковалентно связанные с атомами азота (левый конец на рисунке 1.2.3), взаимодействуют с атомами кислорода соседней цепи или другого участка этой же цепи (справа) и образуют водородную связь. Все сложные белки содержат сотни водородных связей, которые сворачивают их в причудливые формы (шары, спирали и т. д.).

Водородная связь играет важнейшую роль в построении молекул ДНК и РНК, задающих и передающих генетический код. ДНК состоит из четырех типов элементов, которые называют нуклеотидами.

Рис. 1.2.4. Двойная спираль ДНК

Каждый нуклеотид состоит из одинакового для всех связующего звена, состоящего из сахара и остатка фосфорной кислоты, и одного из четырех разных кодирующих элементов: аденина, гуанина, тимина или цитозина. Связующие элементы создают между собой прочные ковалентные связи (азот – углерод), вместе образующие спираль, напоминающую штопор. Кодирующие элементы связываются друг с другом водородными связями: аденин с тимином двумя водородными связями, а гуанин и цитозин – тремя. Через мостики кодирующих элементов две спирали ДНК связываются, образуя двойную спираль с перемычками, напоминающую лесенку (рис. 1.2.4).

Так устроена основная молекула жизни!

РНК отличается от ДНК незначительно. Во-первых, в качестве связующего звена используется другой тип сахара – не дезоксирибоза, а просто рибоза. Во-вторых, вместо тимина РНК использует другое основание – урацил.

Ковалентная и водородная связи определяют многие свойства основы нашего тела – воды. Ковалентная связь создает асимметрию молекулы воды и создает ее двухполюсную структуру, кратко диполь. То есть отрицательно заряженный атом кислорода в молекуле воды несколько отстоит от положительных ядер атома водорода (как показано на рис. 1.2.2).

Образование диполя – фундаментальное свойство воды. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается во многих средах, но только вода ослабляет внешнее электрическое поле так сильно – в 81 раз!

Рис. 1.2.5. Диполи воды выстраиваются во внешнем электрическом поле так, чтобы его ослабить

На рис. 1.2.5 (слева) показаны диполи воды без внешнего поля, а справа – при наличии поля E0. Диполи воды выстраиваются в направлении, противоположном внешнему полю. В результате оно ослабляется, причем, как показывают измерения, в 81 раз.

Точно так же ослабляются ковалентные и водородные связи в воде. Именно это делает их менее устойчивыми и создает возможности для их разрыва и образования новых связей. Это открывает возможности для различных превращений органических молекул, которые и являются сущностью нашей жизни. Во Вселенной нет больше такой замечательной среды для протекания жизненных процессов, как вода. Так что нам, в который уже раз, исключительно повезло! Воды на Земле оказалось предостаточно для развития жизни.

Рис. 1.2.6. Кластеры водных молекул

Асимметрия обеспечивает образование водородных связей между молекулами воды. Атом водорода, находящийся на положительном полюсе одной молекулы воды, притягивается к атому кислорода, находящимся на отрицательном полюсе другой молекулы воды. Так молекулы воды сцепляются в кластеры (рис. 1.2.6). При охлаждении из этих кластеров образуются кристаллы льда и снежинки. На реально существующем свойстве кластеризации воды основаны спорные гипотезы о «памяти воды» и обоснования действия гомеопатических лекарств[33].

В клетке вода окружает все органические молекулы. Диполи воды создают между ними энергетические барьеры, которые нужно как-то преодолевать. То есть взаимодействию двух молекул препятствуют электростатические силы отталкивания окружающих каждую молекулу диполей воды.

Клетка представляет собой водную среду в пластичной оболочке, в которой находится множество органических молекул. Все молекулы в клетке постоянно движутся с большой скоростью, но на очень маленькие расстояния, сталкиваясь в основном с молекулами окружающей их воды. Это хаотическое тепловое, или броуновское движение (припоминаете?). Каждая молекула, находящаяся в клеточном «коктейле», пребывает в хаотическом подрагивании или трепетании. Если бы диполи воды не отталкивали бы молекулы и не препятствовали их соединению, органические молекулы слились бы между собой, и жизнь, представляющая собой постоянно идущие химические реакции, прекратилась, так и не начавшись.

Диполи воды как бы изолируют белковые и другие органические молекулы и препятствуют спонтанным, то есть не санкционированным организмом внутриклеточным реакциям. Для того чтобы химическая реакция началась и успешно прошла, нужно каким-то образом преодолеть силу отталкивания диполей воды и создаваемый ими барьер.

Работу фермента легче всего представить себе следующим образом. Фермент представляет собой довольно большую белковую молекулу. Одна его часть временно скрепляется с первой органической молекулой (субстрат), которая должна вступить в реакцию, а другая часть – со второй молекулой. Фермент расчищает пространство между реагирующими молекулами от диполей воды, что позволяет им соприкоснуться и соединиться друг с другом в новое устойчивое соединение – продукт реакции. После этого фермент отпускает новое соединение (продукт) в свободное плавание по клетке. Он вновь готов к работе.

Другие ферменты расщепляют субстрат на отдельные продукты, как показано на рис. 1.2.7. В этом случае фермент создает между частями субстрата щель, в которую проникают надежно разъединяющие продукты молекулы воды.

Рис. 1.2.7. Как работает фермент

В клетке одновременно проходят тысячи химических реакций, и каждую из них обслуживает отдельный фермент, не похожий на другие. Без фермента невозможна биохимическая реакция. Каждая реакция может одновременно проходить в разных частях клетки. Поэтому чем больше ферментов, специфических для этой реакции, тем интенсивнее она будет проходить. Следовательно, влияя на количество ферментов, можно регулировать интенсивность реакции. Каждый белок и, значит, каждый фермент вырабатываются определенным геном. Интенсивность выработки белка, как вы уже, надеюсь, помните, соответствует экспрессии гена, которая регулируется эпигенетическими факторами. Отсюда следует, что мозг, подавая команды через специальные сигнальные молекулы-гормоны или через нервную систему, может эпигенетическими факторами воздействовать на экспрессию генов и, таким образом, регулировать интенсивности всех реакций в клетке.

Это главный механизм, регулирующий все химические реакции в клетке.

1.2.2. Как устроена клетка

В конце предыдущей главы мы описали, как живет клетка в клеточном сообществе, которым, по существу, является тело человека. Она получает от других клеток всё необходимое для жизнедеятельности и сама выполняет свойственные ей в этом сообществе функции. Строение каждой клетки должно обеспечивать:

• выполнение определенных для этого типа клетки функций в организме человека, например производство гормонов для клеток эндокринной железы или желудочного сока для клеток желудка;

• индивидуальность этой конкретной клетки путем построения надежной границы между тем, что находится внутри и снаружи клетки (это свойство любого живого организма; в частности роль границы тела человека играют кожа и внутренние поверхности пищеварительных и дыхательных органов, соприкасающиеся с внешней средой);

• размножение клетки путем деления, то есть создание своей копии (при этом, в отличие от человека, клетка создает свою полноразмерную копию, поэтому перед делением ей нужно накопить в себе все необходимые белки, жиры, углеводы и нуклеотиды в двойном размере).

Для выполнения этих основных задач клетка должна содержать:

• оболочку, надежно отделяющую ее содержимое от внешней среды, но позволяющую полезным веществам и управляющим молекулам проникать в клетку и из клетки в межклеточную жидкость;

• хорошо охраняемое хранилище, содержащее информацию о структуре клетки, ее функциях, структуре белков и т. д., и центр управления производством всех необходимых клетке веществ (белков, жиров, нуклеотидов и т. д.);

• изолированные части клетки (цеха) для производства и сборки необходимых клетке белков, жиров, нуклеотидов и т. д.;

• систему энергообеспечения клетки, поставляющую энергию для всех потребляющих её производственных процессов;

• инфраструктуру, поддерживающую форму клетки и транспортирующую по клетке вещества;

• систему ремонта частей клетки и вывоза разнообразного мусора.

Как мы видим, перечень необходимых частей клетки примерно совпадает с органами и системами человека или частями крупного города, что вполне закономерно, поскольку сложные системы и организмы устроены похожим образом.

Строение клетки вполне соответствует поставленным задачам. Да иначе и быть не могло. Основные части, их расположение и взаимодействия, в принципе, известны давно. Впервые, в 1665 году, клетку увидел в микроскопе английский естествоиспытатель Р. Гук, который, кстати, открыл известный закон Гука и не без оснований претендовал на пальму первенства в открытии закона всемирного тяготения Ньютона. Однако хорошо известно только строение мертвой клетки в неподвижном статическом положении. А вот изменения структуры, динамика клетки изучены пока очень слабо. Поэтому в этом разделе мы сначала рассмотрим структуру мертвой клетки в статике, а потом обсудим, что происходит в живой клетке.

Как мы уже говорили, клетки имеют очень разные формы и размеры. Каждый из нас не раз держал клетку в руках, очищая и съедая куриное яйцо. Клетки человека, конечно, намного меньше. Их примерный средний размер – 20 тысяч нанометров[34]. Мы все размеры будем измерять в нанометрах (нм) для удобства сравнения. Например, толщина человеческого волоса – 80 тысяч нанометров. Клетки бактерий примерно в 10 раз меньше человеческих, вирусы – где-то 100 нм (это размер вируса гриппа), белки – около 2–5 нм, а нуклеотиды и сахара – 0,5–1 нм. Так что по объему молекула белка меньше клетки в 60 миллиардов раз, и для белков и, тем более, для других более мелких молекул клетка – огромный город. (Человек ростом около 1,7 м примерно во столько же раз меньше крупного города радиусом 17 км, во сколько средний белок меньше клетки).

Рис. 1.2.8. Структура клетки

Наша цель – понять, как устроена клетка и как она функционирует, для того чтобы выделить в этих процессах наиболее вероятные факторы старения нашего организма.

Для наглядности приведем одно из известных схематических изображений структуры клетки (рис. 1.2.8).

Клетка отделена от других клеток и межклеточной жидкости оболочкой-мембраной, которая состоит из двух слоев водоотталкивающих липидов (жиров). Она способна пропускать только определённые вещества и только в определенном направлении. Через неё внутрь клетки может медленно просачиваться глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы. Причём скорость просачивания может регулироваться.

Внешняя липидная оболочка клеток покрыта полисахаридами и белками, которые присоединены к липидам. Белки покрывают поверхность мембранной оболочки наподобие мозаики. К ним так же часто прикреплены полисахариды. Часть белков образуют в мембране ходы, через которые могут проникать внутрь клетки или выводиться вовне строго определенные молекулы. Другие белки служат органами осязания клетки – рецепторами. Они могут распознавать подходящие к клетке чужеродные молекулы.

В клетке можно выделить две основные части – ядро и внутриклеточное пространство, или цитоплазму, в которой плавают различные органы клетки – органеллы. Ядро отделено от цитоплазмы двумя ядерными мембранами, которые так же, как и клеточная мембрана, состоят главным образом из жиров-липидов. Все клеточные и внутриклеточные мембраны имеют толщину около 7 нм.

Теперь о главном. Клетка должна постоянно производить белки для восполнения собственных расходуемых или разрушающихся в процессе эксплуатации белков, для производства белков дочерних клеток, образующихся при делении, и белков, которые будут использоваться организмом вне данной клетки. Белок – сложнейшая трехмерная конструкция, состоящая иногда из многих сотен аминокислот, причудливо свернутых и переплетенных. При этом для выполнения предназначенной конкретному белку функции важна не только последовательность аминокислот в белке, но и их взаимное расположение в трехмерной конфигурации. Для производства белка, как и любого изделия такой сложности, необходим проект и инструкция по его сборке.

Общеизвестно, что инструкции по сборке белков закодированы в ДНК, находящейся в ядре клетки. Как огромная молекула ДНК (около 2 метров длины) помещается в маленьком ядре (диаметр всего 6000 нм, в 330 тысяч раз меньше длины ДНК), мы расскажем в следующем разделе.

Сегодня уже почти каждый знает, что код инструкции состоит из четырех букв – T, A, C и G[35], образующих сцепленные друг с другом пары нуклеотидов T – A, C – G. Полный код содержит примерно 3 млрд пар таких букв (нуклеотидов), которые по их предназначению можно разбить на отдельные группы – гены. Каждый ген – это участок ДНК, который является инструкцией по производству соответствующей ему молекулы РНК (рибонуклеиновая кислота). РНК очень похожа на ДНК, только тимин в ней заменен на близкий по строению и функциям урацил. Принято считать, что РНК возникли в процессе эволюции раньше ДНК и 3–4 миллиарда лет назад мир органических соединений был представлен только молекулами РНК. Говорят даже о мире РНК, который предшествовал началу жизни.

Однако РНК имеет только одну цепочку. Она может образовывать две связанные цепи как ДНК, но такая молекула не будет достаточно устойчивой. Поэтому для передачи наследственной информации лучше подходит устойчивая и стабильная ДНК. В то же время РНК оказалась незаменимым инструментом для передачи информации в процессе производства белков и регулирования процессов внутри клетки.

Теперь опишем производство белка в клетке по шагам.

1. Упакованный в цепочке ДНК ген, кодирующий определенный белок, распаковывается служебными белками и выводится в рабочую область. В ядре к нему подходит специальный фермент (белок) РНК-полимераза. Она узнает участок гена, называемый промотором, и, связываясь с ним, последовательно производит молекулу РНК, используя ген ДНК как шаблон. В результате получается молекула РНК[36], в которой та же последовательность букв, что и в гене ДНК, только на месте тимина стоит урацил. Производство м-РНК на основе гена ДНК принято называть транскрипцией[37]. Информация транскрибируется, то есть переписывается из кода ДНК в почти такой же код РНК.

Рис. 1.2.9. Синтез белка в рибосоме

2. Построенная таким образом молекула РНК покидает ядро через поры в ядерной мембране и попадает в эндоплазматическую сеть (ЭПС), которая представляет собой сложную систему мельчайших пузырьков, полостей, камер и канальцев. ЭПС занимает от 30 до 50 % объема клетки.

3. На стенках ЭПС располагаются примерно 10 млн рибосом – молекулярных комплексов, производящих белки по инструкции, принесенной РНК. Рибосома состоит из белков, соединенных со специальными РНК[38]. Она состоит из двух частей и по форме напоминает трубку, лежащую на телефоне (см. рис. 1.2.9). Матричная РНК (м-РНК), попавшая в эндоплазматическую сеть, втягивается в ближайшую рибосому между ее двумя частями («трубкой» и «телефоном»), и нуклеотид за нуклеотидом проталкиваются через нее.