в чем смысл жизни клетки
Наука и образование: внутренняя жизнь клетки
В сегодняшнем выпуске нашей постоянной рубрики «Наука и образование по пятницам» мы предлагаем вам обратиться к такой, казалось бы, далёкой от нас теме, как внутренняя жизнь клетки.
Все мы (и не только люди, но и животные, и растения, и даже бактерии) состоим из клеток. Это — один из постулатов клеточной теории, которая была впервые сформулирована в середине XIX века немецкими физиологом и ботаником Шлейденом и Шванном. Постепенно формулировки теории менялись, в соответствии с новыми научными открытиями, но суть оставалась прежней: клетка — это элементарная функциональная единица всего живого (за исключением вирусов, которые не имеют клеточного строения и, тем самым, вызывают ожесточённые споры среди учёных по вопросу того, относить ли их к живым организмам).
В мире существуют как одноклеточные организмы, вроде некоторых бактерий, грибов и водорослей, так и многоклеточные (практически все остальные, включая людей, тигров, крокодила и тысячелетнюю секвойю). Однако в реальной жизни увидеть отдельную клетку глазами невозможно, для этого они слишком малы, и даже в лабораторных условиях это совсем не просто. И ещё более трудной задачей представляется увидеть то, что происходит внутри клетки, а ведь клетка, как вы, конечно, знаете, это именно то, что поддерживает нашу жизнь. И даже такая формулировка не совсем верна: не столько клетки поддерживают нашу жизнь, сколько мы — и есть скопления клеток. В многоклеточных организмах разные органы и составляющие их клетки имеют специализации: кто-то отвечает за защиту организма инфекций, кто-то — за репродуктивные функции, кто-то — за когнитивные функции; есть клетки печени, почек, поджелудочной, мозга — и все они выполняют разные функции. Но до недавнего времени мы практически ничего не знали о том, что происходит внутри них.
И хотя непосредственное наблюдение внутриклеточной жизни всё ещё представляет собой проблему, учёные, на основе большого числа экспериментов, сумели установить примерно, что и в каких отделах клетки (а клетка — это не единое целое, она сама состоит из большого числа элементов) происходит. И теперь мы можем оценить, насколько сложные процессы протекают постоянно (да, и в тот момент, когда вы это читаете) в каждой из примерно 100 триллионов наших клеток.
Для этого мы предлагаем вам посмотреть анимационные ролики о том, как устроена внутренняя жизнь клетки. Эти ролики, основанные на многолетних исследованиях учёных по всему миру, были сделаны компанией научной анимации XVIVO совместно с Гардвардским университетом. В них нет объяснений (да и чтобы рассказать в деталях то, что там показано, потребуется пара полноценных курсов молекулярной биологии), но в данном случае они и не нужны, потому что служат немного другой цели: показать, как восхитительно устроен мир, насколько он сложен и прекрасен, насколько сложны даже маленькие клетки, из которых состоит всё живое на Земле. Согласитесь, в повседневной жизни мы об этом явно не задумываемся.
Первый ролик посвящён тому, как белые кровяные тельца (лейкоциты), призванные защищать нас от инфекций, сканируют своё микроокружение и реагируют на его изменение в случае какой-либо внешней угрозы:
Второй ролик посвящён митохондриям — энергетическим станциям клетки, основная функция которых состоит в том, чтобы обеспечивать клетки энергией для существования, размножения и прочей их работы:
А третий ролик — об упаковке белков в клетке. В клетках постоянно синтезируются новые белки, которые необходимы для полноценной жизни и работы, но чтобы эти белки могли выполнять свои функции, они должны пройти сложную систему обработки:
Согласитесь, трудно представить, что всё это происходит в клетках нашего тела прямо сейчас?
Жизнь наших клеток. Часть 1
Жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей, опасностей и, как и всякая жизнь, рано или поздно заканчивается. Полина Лосева решила разобраться в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами. А начать эту повесть мы решили с самого общего для всего живого — смерти.
«Клеточные трагедии» — это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. Это первый текст цикла. У него уже есть продолжение — рассказ о стрессе и том, как клетки с ним справляются.
Несчастный случай
От него не застрахован, увы, никто. Даже маленькую клетку можно случайно раздавить или проткнуть. Кроме этого, ее можно внезапно лишить еды. И если у клетки нет запасов на черный день, то энергия заканчивается моментально. Обычно значительную часть энергии клетка тратит на контроль за транспортом веществ через наружную мембрану. И если энергии нет, то транспорт нарушается и вещества могут фактически бесконтрольно сквозь нее проходить и ее повреждать, а это то же самое, как если бы мембрану проткнули.
Дальше ситуация развивается по стандартному сценарию: в мембране образуется дырка, сквозь нее вода течет в клетку, клетка разбухает и готовится лопнуть. Из дырки наружу выходят разные внутриклеточные вещества, их потихоньку поглощают соседние клетки. Но часть веществ соседи съесть не успевают, и они расплываются по ткани, нередко вызывая воспаление. Такой тип гибели называется некрозом (не путать с некрозом ткани — почернением и распадом, который возникает, например при гангрене).
Интересно, что иногда клетка может пожертвовать собой на благо родины, это назвали некроптозом (по аналогии с апоптозом, о котором речь пойдет дальше). Например, бывает так, что клетка-макрофаг самоотверженно съела бактерию, но не смогла ее переварить. Можно смириться с тем, что бактерия останется жить внутри, а можно проявить трагический героизм. Такая клетка-герой создает комплекс белков, который протыкает ее собственную мембрану изнутри. При этом соседи получают возможность добить бактерию и позвать на помощь другие клетки иммунитета.
Подобные смерти среди клеток учащаются, когда человек болен, например, нейродегенеративным заболеванием, таким как болезнь Паркинсона или Альцгеймера. Ученые полагают, что, блокируя некроптоз, смогут их остановить. В то же время можно применить некроптоз в мирных целях и организовывать несчастные случаи, например, для раковых клеток, устойчивых к другим механизмам гибели.
Профессиональное выгорание
Этим, например, занимаются клетки эпидермиса, верхнего слоя кожи. Они образуются в глубине эпидермиса и постепенно движутся наверх, по мере того как их предшественники отшелушиваются. Для того чтобы кожа получилась прочной, клеткам приходится укреплять себя изнутри, накапливая твердые белки и жестко держась друг за друга клеточными контактами. В такой конструкции нет места ни ядру, ни другим органеллам, поэтому они постепенно исчезают, пока клетка поднимается наружу. В конечном счете от клетки остается мешочек из жира, заполненный белками. Так происходит процесс ороговения — самой медленной и неотвратимой клеточной гибели.
Истинное самоубийство
Однако самым хорошо изученным остается механизм настоящего самоубийства клетки — апоптоза. Оно происходит, когда клетка по тем или иным причинам «решает», что ее дальнейшее существование небезопасно для организма. Эти причины могут быть самыми разными.
«Говорят, я не такой, как все». Если клетки иммунитета, например Т-лимфоциты, обнаруживают клетку с неправильными белками на поверхности, ей посылают сигнал смерти через рецепторы на мембране. Обычно после этого клетка послушно умирает. А если нет, то, возможно, перед нами бунтарь и правонарушитель — будущая опухоль.
«Освободим место другим». В развитии организма немало периодов, когда органы или ткани заменяются на другие или отмирают совсем. В таких случаях самоубийство абсолютно нормально, клетку на него могут уговорить соседи из других тканей. Если оно почему-то не произошло, то остаются рудименты: например, человек рождается со сросшимися пальцами.
«Меня никто не любит». Клетки в организме обмениваются сигналами поддержки, то есть сигнальными молекулами. Часто они выделяются нервными окончаниями. Если нервное окончание повреждено, то окружающие клетки не чувствуют поддержки и заключают, что они больше не находятся в организме. А вне организма жизни нет.
«Земля уходит из-под ног». Кроме общения с соседями, клетке важно закрепиться на межклеточном веществе (за исключением клеток крови). Иногда это помогает ей выполнять свои функции, например ползти, а иногда от этого вещества поступают сигналы выживания. Если клетка ни к чему не прикреплена, она считает себя неработоспособной и погибает.
«Распад личности». Центром клетки, как известно, является ядро с ДНК. Если в ДНК накапливаются ошибки, растет шанс опухолевой трансформации. Поэтому системы репарации, которые чинят ошибки в ДНК, параллельно стимулируют апоптоз. Когда таких сигналов становится много, чинить что-то уже бесполезно, проще умереть.
«Я неуравновешен». Иногда клетке не удается поделить свои хромосомы на две части, тогда наступает так называемая митотическая катастрофа. Опять же дисбаланс генетического материала приводит к образованию опухолей, поэтому такие неуравновешенные клетки должны погибнуть.
«Нечем дышать». Вторая ключевая органелла клетки после ядра — митохондрия. Там происходит клеточное дыхание с образованием энергии. Если митохондрия повреждена, то из ее внутреннего пространства в цитоплазму клетки выходят молекулы, запускающие апоптоз.
«Я слишком возбужден». Это случается с нервными клетками при избытке возбуждающих сигналов. На мембране клетки открывается много ионных каналов, в том числе для кальция, его концентрация в клетке сильно возрастает, от этого рушится мембрана митохондрий — и вот уже нечем дышать.
Чем бы ни запускался апоптоз, итог всегда один. Белки, стимулирующие гибель клетки, запускают ферменты каспазы, которые активируют друг друга и начинают расщеплять все клеточные молекулы подряд. В результате на клетке сначала образуются выпячивания, а потом она вся распадается на мембранные пузырьки — апоптотические тела, которые могут поглотить макрофаги.
(А) Здоровые клетки. (В) Клетки, которые распадаются на апоптотические тела. Изображение адаптировано. Фото: Edelweiss E, Balandin TG, Ivanova JL, Lutsenko GV, Leonova OG, Popenko VI, Sapozhnikov AM, Deyev SM.Edelweiss E, Balandin TG et al Barnase as a New Therapeutic Agent Triggering Apoptosis in Human Cancer Cells, PLoS One. 2008 Jun 18;3(6):e2434CC BY 2.5
Прелесть гибели клеток апоптозом заключается в том, что при этом они практически не вредят окружающим тканям. Из таких клеток выделяется совсем немного веществ, вызывающих воспаление и загрязняющих межклеточное пространство, — остальное поглощают макрофаги. Однако, чтобы так аккуратно уйти, клетке необходима энергия. Апоптоз — энергозависимая гибель, в отличие от некроза. Во многих из вышеперечисленных случаев клетка может погибнуть и некрозом, то есть просто лопнуть, если ей не хватает энергии.
Еще одно полезное свойство апоптоза — мы точно знаем, как он работает. И, к сожалению, знаем, что именно его нарушение является причиной большинства онкологических заболеваний. Поэтому сейчас многие исследования направлены на то, чтобы избирательно его заблокировать или активировать в тех или иных клетках.
Не все нарушения в работе клетки обязательно приводят к смерти. Самый выигрышный для клетки вариант — распознать повреждения на ранних стадиях и постараться их заблаговременно починить. Для этого существует аутофагия — процесс постепенного самопоедания, переваривания собственного содержимого. Умереть таким образом практически невозможно — среди клеток гибель такого типа удалось обнаружить в единичных случаях. Зато переваривание собственных испорченных белков или целых органелл позволяет избавиться от ошибок. Это скорее перезагрузка для клетки, похожая на очищение от лишних мыслей, которое испытывает человек, прыгнувший с парашютом и фактически побывавший на грани смерти.
Типы клеточной гибели, видоизменённая схема Jhayes21Wikimedia commonsCC BY-SA 3.0
Поэтому для большинства клеток организма аутофагия исключительно полезна. Она позволяет стволовым клеткам дольше оставаться стволовыми, замедляет старение клеток и помогаетпротивостоять внешним повреждениям, например, при атеросклерозе. А в клетках мозга, например, особенно важна митофагия — переваривание митохондрий. Если оно нарушено, могут развиваться нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона. Также митофагия препятствует росту опухоли на ранних стадиях (правда, к сожалению, способствует на поздних). В некоторых случаях аутофагия помогает и переваривать внутриклеточных патогенов (например, вирусные частицы). Но некоторые вирусы, например ВИЧ, научилисьподавлять аутофагию или размножаться прямо в пищеварительных вакуолях.
Изучение механизмов аутофагии находится сейчас на переднем крае клеточной биологии. Недаром в 2016 году за работу в этом направлении вручили Нобелевскую премию. Среди ближайших перспектив — борьба с инфекциями и нейродегенеративными заболеваниями и продление жизни. В любом случае уже стало понятно, что не во всех ситуациях клетке стоит сразу прыгать с моста. Возможно, иногда достаточно просто прыгнуть с парашютом и жизнь наладится.
Опубликовано в журнале «Чердак», 08.11.2017
Элементарная живая система: почему клетка — основа жизни
Что отделяет жизнь от нежизни, как образуются новые клетки и почему опухоль — это бунт против многоклеточности
Самоорганизация — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счет внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия. Гипотеза об упорядочении в системе за счет ее внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе».
Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца. Метилирование в промоторной зоне гена, как правило, приводит к его супрессии.
Активный транспорт — перенос вещества через клеточную мембрану или через слой клеток, протекающий из области низкой концентрации в область высокой, то есть с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии для осуществления активного транспорта служит энергия макроэргических связей АТФ.
Николай Константинович Кольцов (1872–1940) — русский биолог, основатель русской советской школы экспериментальной биологии, автор основополагающей идеи матричного синтеза хромосом
Большинство генов эукариот имеет прерывистое строение, они содержат кодирующие последовательности — экзоны и некодирующие последовательности — интроны. В зрелой молекуле мРНК присутствуют только экзоны, а интроны вырезаются из первичного транскрипта в процессе сплайсинга.
Эндоплазматический ретикулум — внутриклеточный органоид эукариотической клетки, представляющий собой разветвлённую систему из окружённых мембраной уплощённых полостей, пузырьков и канальцев
Лактозный оперон — полицистронный оперон бактерий, кодирующий гены метаболизма лактозы. Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки была впервые описана в 1961 году учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно. Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.
Жизнь клетки
Наука, изучающая строение и функции клеток, называется цитология.
Клетка — элементарная структурная и функциональная единица живого.
Клетки, несмотря на свои малые размеры, устроены очень сложно. Внутреннее полужидкое содержимое клетки получило название цитоплазмы.
Цитоплазма является внутренней средой клетки, где проходят различные процессы и расположены компоненты клетки — органеллы (органоиды).
Клеточное ядро
Клеточное ядро — это важнейшая часть клетки.
От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран. В оболочке ядра имеются многочисленные поры для того, чтобы различные вещества могли попадать из цитоплазмы в ядро, и наоборот.
Внутреннее содержимое ядра получило название кариоплазмы или ядерного сока. В ядерном соке расположены хроматин и ядрышко.
Хроматин представляет собой нити ДНК. Если клетка начинает делиться, то нити хроматина плотно накручиваются спиралью на особые белки, как нитки на катушку. Такие плотные образования хорошо видны в микроскоп и называются хромосомами.
Ядро содержит генетическую информацию и управляет жизнедеятельностью клетки.
Ядрышко представляет собой плотное округлое тело внутри ядра. Обычно в ядре клетки бывает от одного до семи ядрышек. Они хорошо видны между делениями клетки, а во время деления — разрушаются.
Функция ядрышек — синтез РНК и белков, из которых формируются особые органоиды — рибосомы.
Рибосомы участвуют в биосинтезе белка. В цитоплазме рибосомы чаще всего расположены на шероховатой эндоплазматической сети. Реже они свободно взвешены в цитоплазме клетки.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) участвует в синтезе белков клетки и транспортировке веществ внутри клетки.
Значительная часть синтезируемых клеткой веществ (белков, жиров, углеводов) не расходуется сразу, а по каналам ЭПС поступает для хранения в особые полости, уложенные своеобразными стопками, “цистернами”, и отграниченные от цитоплазмы мембраной. Эти полости получили название аппарат (комплекс) Гольджи. Чаще всего цистерны аппарата Гольджи расположены вблизи от ядра клетки.
Аппарат Гольджи принимает участие в преобразовании белков клетки и синтезирует лизосомы — пищеварительные органеллы клетки.
Лизосомы представляют собой пищеварительные ферменты, “упаковываются” в мембранные пузырьки, отпочковываются и разносятся по цитоплазме.
В комплексе Гольджи также накапливаются вещества, которые клетка синтезирует для нужд всего организма и которые выводятся из клетки наружу. 
Митохондрии — энергетические органоиды клеток. Они преобразуют питательные вещества в энергию (АТФ), участвуют в дыхании клетки.
Митохондрии покрыты двумя мембранами: наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы — кристы.
В мембрану крист встроены ферменты, синтезирующие за счет энергии питательных веществ, поглощенных клеткой, молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).
Количество митохондрий в клетках различных живых существ и тканей неодинаково.
Например, в сперматозоидах может быть всего одна митохондрия. Зато в клетках тканей, где велики энергетические затраты (в клетках летательных мышц у птиц, в клетках печени), этих органоидов бывает до нескольких тысяч.
Митохондрии имеют собственную ДНК и могут самостоятельно размножаться (перед делением клетки число митохондрий в ней возрастает так, чтобы их хватило на две клетки).
Митохондрии содержатся во всех эукариотических клетках, а вот в прокариотических клетках их нет. Этот факт, а также наличие в митохондриях ДНК позволило ученым выдвинуть гипотезу о том, что предки митохондрий когда то были свободноживущими существами, напоминающими бактерии. Со временем они поселились в клетках других организмов, возможно, паразитируя в них. А затем за многие миллионы лет превратились в важнейшие органоиды, без которых ни одна эукариотическая клетка не может существовать.
Плазматическая мембрана
Чтобы клетка представляла собой единую систему, необходимо, чтобы все ее части (цитоплазма, ядро, органоиды) удерживались вместе. Для этого в процессе эволюции развилась плазматическая мембрана, которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки — цитоплазму и ядро — от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена.
Строение мембраны одинаково у всех клеток. Основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Некоторые белки находятся на поверхности липидного слоя, другие — пронизывают оба слоя липидов насквозь.
Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие маленький диаметр. Однако более крупные частицы (молекулы пищевых веществ — белки, углеводы, липиды) через мембранные каналы пройти не могут и попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза:
В том месте, где пищевая частица прикасается к наружной мембране клетки, образуется впячивание, и частица попадает внутрь клетки, окруженная мембраной. Этот процесс называется фагоцитозом (клетки растений поверх наружной клеточной мембраны покрыты плотным слоем клетчатки (клеточной оболочкой) и не могут захватывать вещества при помощи фагоцитоза).
Пиноцитоз отличается от фагоцитоза лишь тем, что в этом случае впячивание наружной мембраны захватывает не твердые частицы, а капельки жидкости с растворенными в ней веществами. Это один из основных механизмов проникновения веществ в клетку.
Когда в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза попадают различные питательные вещества, их необходимо переварить (т.е. белки должны разрушиться до отдельных аминокислот, полисахариды — до молекул глюкозы или фруктозы, липиды — до глицерина и жирных кислот). Чтобы внутриклеточное переваривание стало возможным, фагоцитарный или пиноцитарный пузырек должен слиться с лизосомой.
В мире существуют как одноклеточные организмы, вроде некоторых бактерий, грибов и водорослей, так и многоклеточные (практически все остальные, включая людей, тигров, крокодила и тысячелетнюю секвойю). Однако в реальной жизни увидеть отдельную клетку глазами невозможно, для этого они слишком малы, и даже в лабораторных условиях это совсем не просто. И ещё более трудной задачей представляется увидеть то, что происходит внутри клетки, а ведь клетка, как вы, конечно, знаете, это именно то, что поддерживает нашу жизнь.
И даже такая формулировка не совсем верна: не столько клетки поддерживают нашу жизнь, сколько мы — и есть скопления клеток. В многоклеточных организмах разные органы и составляющие их клетки имеют специализации: кто-то отвечает за защиту организма инфекций, кто-то — за репродуктивные функции, кто-то — за когнитивные функции; есть клетки печени, почек, поджелудочной, мозга — и все они выполняют разные функции. Но до недавнего времени мы практически ничего не знали о том, что происходит внутри них.
Т-клетка человека.
И хотя непосредственное наблюдение внутриклеточной жизни всё ещё представляет собой проблему, учёные, на основе большого числа экспериментов, сумели установить примерно, что и в каких отделах клетки (а клетка — это не единое целое, она сама состоит из большого числа элементов) происходит. И теперь мы можем оценить, насколько сложные процессы протекают постоянно (да, и в тот момент, когда вы это читаете) в каждой из примерно 100 триллионов наших клеток.
Для этого мы предлагаем вам посмотреть анимационные ролики о том, как устроена внутренняя жизнь клетки. Эти ролики, основанные на многолетних исследованиях учёных по всему миру, были сделаны совместно с Гардвардским университетом. В них нет объяснений (да и чтобы рассказать в деталях то, что там показано, потребуется пара полноценных курсов молекулярной биологии), но в данном случае они и не нужны, потому что служат немного другой цели: показать, как восхитительно устроен мир, насколько он сложен и прекрасен, насколько сложны даже маленькие клетки, из которых состоит всё живое на Земле. Согласитесь, в повседневной жизни мы об этом явно не задумываемся.
Как белые кровяные тельца (лейкоциты), призванные защищать нас от инфекций, сканируют своё микроокружение и реагируют на его изменение в случае какой-либо внешней угрозы:
Второй ролик посвящён митохондриям — энергетическим станциям клетки, основная функция которых состоит в том, чтобы обеспечивать клетки энергией для существования, размножения и прочей их работы:
Ещ один ролик — об упаковке белков в клетке. В клетках постоянно синтезируются новые белки, которые необходимы для полноценной жизни и работы, но чтобы эти белки могли выполнять свои функции, они должны пройти сложную систему обработки:
Согласитесь, трудно представить, что всё это происходит в клетках нашего тела прямо сейчас?