Борьба со старением, или Не все мы умрем…
Каждая из 20 аминокислот кодируется тремя нуклеотидами – кодонами. Например, кодон GCU (гуанин – цитозин – урацил) кодирует аминокислоту аланин, а AAA (аланин – аланин – аланин) – лизин[39]. Получив команду в виде кодона, например AAA, специальная транспортная РНК (т-РНК) ищет в растворе цитоплазмы нужную аминокислоту, в нашем случае аланин, и транспортирует ее к рибосоме[40]. Рибосома обеспечивает присоединение аланина к уже синтезированной части белка. Фактически рибосома работает как молекулярная машина по сборке белков. Она транслирует код из четырех букв-нуклеотидов и белковый код из 20 аминокислот. Этот процесс называют трансляцией.
4. Из рибосомы в ЭПС выходит только что собранный белок. Обычно он проходит еще довольно длительный путь досборки и обработки. Каждая камера ЭПС имеет свой специфический набор ферментов, обеспечивающий строго определенные химические реакции. Белок из рибосомы проходит через определенную последовательность камер ЭПС, подобно тому как изделие проходит заводские цеха в процессе обработки. Для транспортировки по ЭПС и дальше по клетке белок обычно погружен в пузырек-везикулу, который «везет» по клеточным путям – трубочкам и нитям – специальный транспортный белок.
5. Белки образуются и обрабатываются в покрытой миллионами рибосом шероховатой ЭПС. В то же время для выполнения функций клетки и ее деления необходимы также полисахара и липиды (жиры). Они производятся из простых сахаров, жирных кислот и других элементов в гладкой ЭПС, которая по строению похожа на свою шероховатую коллегу.
6. После прохождения всех производственных процессов в ЭПС белок транспортируется в комплекс Гольджи (см. рис. 1.2.9). При этом белки имеют сигнальные химические метки (в виде олигосахаридов), которые «сообщают» комплексу Гольджи, что с ними делать. Комплекс Гольджи, подобно ЭПС, состоит из множества полостей, которые из-за их формы принято называть цистернами, пузырьков, канальцев и трубочек. Сюда в пузырьках-везикулах транспортируются белки из шероховатой ЭПС и липиды и полисахара из гладкой ЭПС. Здесь белки, жиры и сахара взаимодействуют, белки модифицируются и готовятся к транспортировке в другие части клетки и в межклеточное пространство. Если в функции клетки входит производство гормонов и других важных для всего организма веществ, комплекс Гольджи в них сильно развит и занимает больше места, чем в обычных клетках. В комплексе Гольджи белки проходят «контроль качества». Прошедшие контроль белки получают специальные метки из полисахаридов, которые одновременно указывают маршрут дальнейшей транспортировки. Белки, не соответствующие требованиям «контроля по качеству», отсортировываются и отправляются на утилизацию в специальные органеллы – лизосомы, которые формируются в этом же комплексе.
7. Лизосомы – маленькие органеллы (диаметром от 200 до 800 нм), содержащие набор ферментов, которые синтезируются на шероховатой ЭПС и перемещаются в аппарат Гольджи. Там происходит их модификация и упаковка в мембранные пузырьки, которые после отделения от аппарата Гольджи, собственно, и становятся лизосомами. Лизосома может содержать от 20 до 60 различных видов ферментов. В лизосомах негодные белки и другие вещества расщепляются и перевариваются в формы, пригодные для дальнейшего использования. Остатки выбрасываются из клетки или консервируются для хранения.
8. Наконец, большинство производственных процессов требует затрат энергии (всё как на обычном заводе). Источником энергии в клетке являются митохондрии, производящие молекулы АТФ, доставляющие энергию во все части клетки. Об этом мы подробно поговорим в следующих разделах этой главы.
Теперь мы представляем себе все наиболее важные внутриклеточные процессы. Общую схему взаимосвязей этих процессов необходимо запомнить.
• Записанная в гене в кодах ДНК информация транскрибируется в коды РНК.
• В рибосоме информация транслируется из кодов РНК в белковый код аминокислот – синтезируется белок.
• В ЭПС под действием ферментов белки обрабатываются и собираются.
• В комплексе Гольджи белки модифицируются и сортируются.
• Подходящие по качеству белки транспортируются в везикулах к месту назначения.
• Бракованные белки утилизируются (перевариваются и расщепляются) в лизосомах, которые формируются в комплексе Гольджи.
Первые два выделенных положения настолько важны, что они получили почетное звание «Центральная догма молекулярной биологии».
На первый взгляд, идущие в клетке процессы очень похожи на производственные процессы на крупном заводе. Сначала в центре управления, которым в клетке является ядро, формируется план и техническое задание на изготовление изделия, затем она трансформируется (в клетке – транскрибируется) в техническую документацию и передается в цеха. Здесь изделие (в клетке – белок) собирается из подвозимых с других предприятий деталей (в клетке это происходит в рибосоме), потом еще в нескольких цехах проводится дополнительная обработка изделия (в клетке – в ЭПС), его упаковка и технический контроль (в клетке – в комплексе Гольджи). Забракованная часть продукции разбирается (в клетке – в лизосомах) и по возможности вновь используется в производственных процессах, а остатки, отходы производства выбрасываются (из клетки) в специально отведенные места (в межклеточное пространство).
К сожалению или к счастью, жизнь устроена намного сложнее простых схем. И это проявляется не только в клетке, но и в экономических системах.
Клетка представляет собой водный раствор белков и других органических веществ, ограниченный гибкой оболочкой и разграниченный внутри еще великим множеством оболочек-мембран на разнообразные камеры, цистерны, пузырьки и т. д. Как и в любом химическом растворе, белки и другие молекулы находятся в постоянном движении. Они со скоростью самолета пролетают микроскопические расстояния и сталкиваются друг с другом, молекулами воды, оболочек и органелл. Трубочки и нити, по которым транспортируются белки, постоянно разбираются и вновь строятся, уже в других направлениях. Камеры, цистерны и пузырьки то сливаются друг с другом, то вновь образуются. Всё в клетке движется и изменяется.
Если рассматривать клетку в соответствующем движению молекул масштабе времени (микросекунды), мы увидим только бурлящий раствор хаотически двигающихся и постоянно сталкивающихся объектов. Вспомните известное всем хаотичное броуновское движение. Точно так же в газе молекулы беспорядочно сталкиваются друг с другом и за этими столкновениями не угадывается никакой закономерности. Но стоит подняться на уровень выше, рассмотреть статистику, посмотреть на изменения статистических параметров, и выявятся простые и всем с детства знакомые газовые законы Гей-Люссака, Бойля-Мариотта и др.
Аналогично обстоят дела в экономических системах. При производстве любого сложного изделия, например автомобиля, детали и материалы приходят на завод со всего света. Если проследить за движением отдельных деталей, оно может показаться хаотическим. Поставщики могут довольно быстро меняться, и на карте поставок будут возникать и исчезать различные маршруты. На всё это накладываются кризисы, забастовки, отзывы бракованной продукции – в общем, беспорядок. Участвующие в экономической деятельности люди действуют в соответствии с собственными интересами и вроде бы совершенно свободны в своих действиях. Однако каждое утро большинство из них идет на довольно скучную работу, потом покупает еду, другие товары, и так изо дня в день. При этом, как это ни удивительно, почти всем людям (хотя бы в развитых странах) находится работа, кто-то производит для них нужные товары – и «так весь мир вертится»[41]. Экономисты считают, что порядок на хаотичном рынке наводит некая «невидимая рука»[42].
Физикам при определенных упрощениях удалось построить элегантные математические мостики от хаотичных молекулярных взаимодействий к статистически обоснованным газовым законам. В экономике также изрядно потрудились математики, и уже имеется набор математических моделей, объясняющих, хотя и при целом ряде допущений, действие «невидимой руки рынка». В молекулярной биологии клетки до этого еще очень далеко. Пока нет не только законченных математических моделей, но и ясного понимания молекулярных клеточных процессов. Что ж, и объект исследований у них намного сложнее.
В следующих разделах этой главы мы подробно остановимся на важнейших частях клетки и решающих моментах ее жизни. Мы будем главным образом оставаться в рамках простых и понятных макросхем, но также описывать нижний молекулярный уровень жизни клетки. Это необходимо для понимания процессов клеточного старения.
1.2.3. Как размещена в ядре и работает ДНК
Каждое живое существо стремится к двум целям: сохранить и продлить свое существование и распространить свою персональную, исходящую от него информацию. При этом первая цель, кажущаяся важнейшей, часто уступает главенство второй.
Миллиарды лет основным способом распространения персональной информации была передача своего генетического кода потомкам. Поэтому всё живое стремится произвести максимальное количество потомков и по возможности обеспечить им максимально большой и комфортный ареал распространения.
Люди научились распространять информацию о себе другими способами и очень этим увлеклись. Цари и вожди повсеместно ставили свои статуи, открывали в свою честь памятники и храмы. Последователи Герострата сжигали храмы и пытались убить вождей и президентов. Художники, актеры и писатели мечтали прославиться своими действительными и мнимыми талантами. В XXI веке возможностей распространять информацию о себе стало многократно больше. Каждый теперь может стать писателем-блоггером, запечатлеть себя в различном окружении и выложить фото в социальных сетях и т. д. Эти новые колоссальные возможности составили конкуренцию традиционному генетическому способу распространения индивидуальной информации, что не замедлило сказаться на демографии, особенно в развитых странах и крупных городах.
Таким образом, распространение информации – важнейший процесс как эволюции живых организмов, так и человеческой цивилизации. Признавая невероятно быстрые успехи человечества в этом вопросе, мы всё же должны почтительно склонить голову перед достижениями эволюции.
Природа или Бог, как кому нравится, организовали этот процесс с невероятной красотой и изяществом. Главной находкой эволюции стала молекула ДНК (рис. 2.4), которая обладает целым рядом необходимых для распространения информации свойств:
• во-первых, ДНК может легко и почти безошибочно создавать свою копию (репликация);
• во-вторых, ДНК гораздо более устойчива к повреждениям, чем РНК; при повреждении водородная связь между тимином и аденином не разрывается, а переходит в другую конфигурацию (одни атомы в связи заменяются на другие), при этом цепь ДНК сохраняется и может восстановиться в прежнем виде;
• в-третьих, ДНК может быть чрезвычайно плотно упакована и относительно легко распаковывается при необходимости.
Молекула ДНК человека разделена в ядре на 46 частей, названных хромосомами. Напомним, что в молекуле ДНК около 3 млрд пар нуклеотидов. Они делятся на 46 хромосом так, что в каждой хромосоме насчитывается от 50 до 245 миллионов пар нуклеотидов. В ДНК около 20 тысяч генов, которые делятся по хромосомам – примерно от 400 до 3500 генов в хромосоме.
Хромосомы образуют 23 пары. В каждой паре одна хромосома – от матери, одна – от отца. 22 пары хромосом имеют одинаковые наборы генов, а 23-я пара, половая, содержит у женщин – одинаковые хромосомы, а у мужчин – разные. В ней у мужчины имеются длинная женская X-хромосома от матери и короткая Y от отца. Парные (гомологичные) хромосомы имеют одинаковые наборы генов. Это создает дополнительную устойчивость: при дефекте гена на одной хромосоме (например, отцовской) будет работать ген, расположенный в другой (в нашем примере – материнской) хромосоме.
Хромосома состоит из участка ДНК с набором генов и белковых структур, на которые наматывается молекула ДНК. Именно эта чудесная упаковка, или, как ее принято называть, конденсация ДНК, позволяет хранить двухметровую спираль в мизерном объеме ядра, диаметр которого, как мы уже говорили, примерно в 60 тысяч раз меньше длины этой спирали.
В упаковке (конденсации) ДНК можно выделить несколько уровней. Сначала молекула ДНК обматывается вокруг белков – гистонов[43], образуя структуру, похожую на бусы. Ее называют хроматином[44]. Далее эти бусы наматываются на белковую основу наподобие катушки, образуя тонкую нить, многократно сворачивающуюся в петли. До конца процесс упаковки ДНК науке пока не известен, и вам нужно запомнить только тот факт, что ДНК в ядре чрезвычайно плотно и замысловато упакована.
В тех местах, где упаковка ДНК плотная, работа генов невозможна. Ведь работа (активность, экспрессия генов) обеспечивается специальными ферментами (РНК-полимеразой), которые должны подойти вплотную к уже неупакованной и расплетенной молекуле ДНК. Эти ферменты присоединяются к определенному участку гена – промотору, с которого начинается транскрипция участка ДНК в матричную РНК. Промотор и, следовательно, весь ген могут быть заблокированы (деактивированы), если к нему, естественно под действием фермента, присоединилась метильная группа (CH3). Этот важнейший эпигенетический механизм блокирования генов именуется метилированием. Обратный процесс, происходящий под действием другого фермента (деметилирование), приводит к экспрессии (активации) гена.
Мы уже говорили о той огромной роли, которую играет эпигенетика в жизни клеток и всего нашего организма. Фактически эпигенетика занимается включением и выключением различных генов, их активацией и деактивацией. Так вот, основные механизмы эпигенетики – это, во-первых, изменение расположения гена в хромосоме, точнее его деконденсация (разупаковка) и перемещение в свободное пространство с тем, чтобы к нему могла подойти РНК-полимераза, и, во-вторых, освобождение промотора от мешающей началу работы РНК-полимеразы метильной группы (если она там была). Для особенно любознательных заметим, что существует еще несколько механизмов активации и дезактивации (экспрессии и репрессии) генов. Например, ацетилирование гистонов[45] ведет к ослаблению химических связей гистона и ДНК, стимулирует деконденсацию и активацию соответствующего гена.
В хромосомах всех живых существ выделяются две структуры, играющие важную роль в их жизнедеятельности. В центре хромосом расположены центромеры, а по ее концам – теломеры (в переводе с древнегреческого – «концевая часть»). Центромеры и теломеры представляют собой многократно повторяющиеся небольшие последовательности нуклеотидов.
Центромеры в буквальном и фигуральном смысле занимают центральное место в делении клетки. Теломеры образуют своеобразные колпачки на концах хромосом, которые защищают их от повреждений. Связанные с теломерами белки прикрепляют концы хромосомы к ядерной оболочке и иногда к ядрышкам (о них мы расскажем чуть позже). Теломерные повторы всех позвоночных состоят из шести нуклеотидов TTAGGG, повторы всех насекомых – TTAGG, повторы большинства растений – TTTAGGG.
В молодости длина теломер у человека составляет около 15 тыс. пар нуклеотидов. При каждом делении клетки длина теломер сокращается. Это объясняется тем, что ДНК-полимераза, копирующая ДНК при делении, первоначально занимает часть теломеры, к которой первоначально прикрепляется. Поэтому она не может скопировать эту часть. Клетки перестают делиться при длине теломеры 2 тыс. пар нуклеотидов, когда ДНК-полимеразе уже не на чем первоначально закрепиться. Однако человек обычно умирает раньше, с длиной теломер 5–7 тыс. пар нуклеотидов. Тем не менее связь длины теломер со временем жизни очевидна и теломерная теория старения человека остаётся одной из наиболее популярных.
В ДНК есть ещё один тип фрагментов, вызывающих у геронтологов повышенный интерес. Это транспозоны, или «прыгающие гены», – участки ДНК, способные менять свое положение в молекуле (транспозицию). У человека транспозоны составляют до 45 % всей ДНК и по типу являются ретротранспозонами. Отличительной чертой ретротранспозонов является транскрипция их кодов в РНК, как у обычных генов, а затем обратная транскрипция из РНК в ДНК в другом месте молекулы ДНК. Излишняя подвижность ретротранспозонов, их способность производить свои копии, которые могут портить ДНК, вынудила клетку использовать механизмы избавления от них. В частности, для этого используется особый тип коротких РНК – пивиРНК, помогающие специальному белку распознать опасность и дезактивировать транспозон.
Рис. 1.2.10. Хромосомные территории (вид с использованием микроскопа – сверху и схема – внизу)
«Прыгающие гены» считаются причиной около 100 различных заболеваний. Их активность усиливается с возрастом, что внушает подозрения в том, что они могут быть важными факторами старения. Основанную на этих подозрениях теорию старения мы рассмотрим в следующей части.
Итак, ДНК в хромосоме всегда находится в более или менее компактной форме. Однако плотность укладки или степень конденсации ДНК неодинакова в различные периоды жизни клетки. Перед делением клетки конденсация ДНК, то есть плотность упаковки, значительно увеличивается. Клетка собирается перед самым ответственным моментом в своей жизни. В этот момент ДНК в хромосомах становится таким плотным, что их можно увидеть в обычный световой микроскоп. В период между делениями (в интерфазе) каждая хромосома занимает в ядре вполне определенную область (хромосомную территорию).
На рис. 1.2.10 видно (верхнее изображение), что хромосомные территории имеют нечеткие границы. Они имеют пористую границу, через которые проникают различные белки и матричная РНК. Отцовская и материнская хромосомы часто располагаются на отдаленных друг от друга территориях. Между хромосомными территориями расположены межхромосомные пространства, в которых располагаются группы ферментов, и активно идет работа генов: производится матричная РНК. Работающие гены находятся обычно в распутанном, деконденсированном состоянии и располагаются ближе к границам хромосомной территории.
В заключении этого раздела упомянем самую маленькую, но очень важную ядерную структуру – ядрышко. Оно не имеет мембраны и представляет собой сгусток белков (на 60 %) и нуклеотидов. В ДНК имеются гены, ответственные за образование специфической РНК для производства рибосом – рибосомных РНК или рРНК. Эти гены называют ядрышковыми организаторами[46]. Вблизи них располагаются ядрышки. Их число может меняться в зависимости от типа клетки, но обычно их довольно много (сотни). Основная функция ядрышек – производство рибосом, важнейших органелл, синтезирующих белки.
Как и всё в клетке, ядрышки – динамичные структуры. При начале деления клеток и конденсации (упаковке, уплотнении) хромосом они исчезают, поскольку работа генов прекращается. После деления они возникают, растут, могут сливаться друг с другом. Они могут перемещаться в межхромосомное пространство, структура которого, так же как и границы хромосомных территорий, весьма подвижна и динамична.
1.2.4. Как поддерживаются форма и структура клетки, ее энергообеспечение и управление внутриклеточными процессами
Как мы уже говорили, клетка напоминает медузу с гибкой оболочкой, наполненной цитоплазмой. Оболочка клетки – чрезвычайно сложная структура, состоящая из двух слоев жиров (липидов), погруженных в них белков, а также расположенных с внешней стороны клетки рецепторов.
Рис. 1.2.11. Схема оболочки клетки
Как видно на рисунке 1.2.11, липиды обращены гидрофильными[47] (хорошо связывающимися с водой) головками к внеклеточной и внутриклеточной среде, а гидрофобными хвостиками – друг к другу. Эти два слоя называют мембраной. Толщина клеточной мембраны – 5–7 нм. Мембрана – универсальная структура. Такая же мембрана ограждает ядро и различные органеллы. При этом неверно представлять себе мембрану как стену из липидов. На самом деле это чрезвычайно подвижная и гибкая оболочка с множеством встроенных между липидами белков, образующих различные проходы и поры. Относительно небольшие молекулы – глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы – могут проникать через мембрану. Проникновение идет самопроизвольно от областей с большей концентрацией к областям с меньшей концентрацией. Однако эти процессы могут контролироваться мембраной.
Другие молекулы могут проходить только при помощи трансмембранных белков, образующих контролируемые проходы в оболочке. Обычно прохождение таких молекул требует затрат энергии. Примером прохождения веществ от областей с меньшей концентрацией к областям с большей концентрацией, требующим потребления энергии, может служить калиево-натриевый насос, представляющий собой фермент Na+/K+-АТФ-аза. Этот фермент присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na+. При помощи получаемой извне от молекулы АТФ энергии три иона Na+ переносятся на внешнюю сторону мембраны, где они отщепляются и присоединяется два иона К+. Один заряд лишний. Так возникает разность потенциалов между внешней и внутренней частью оболочки клетки. После этого фермент возвращается в исходную позицию, а ионы К+ оказываются на внутренней стороне мембраны. В результате постоянного действия калиево-натриевого насоса концентрация калия в наших клетках в 30 раз больше, чем в плазме крови, а концентрация натрия, наоборот, в 15 раз меньше, чем вовне. Na связывает воду, а K пытается вывести ее из клетки. Этот насос обеспечивает циркуляцию жидкости из межклеточного пространства в клетку и обратно. Вместе с ней циркулируют и питательные вещества внутрь клетки, а из клетки – продукты жизнедеятельности клетки. Работа калиево-натриевого насоса потребляет примерно треть всей энергии, расходуемой клеткой.
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.