Династия Серия "Элементы"
жүктеу/скачать 2.07 Mb.
|
| Актиновые нити, добытые из слизевика Physarum polycephalym, украшенные актиновыми “стрелками" из мышц кролика.
Актиновый цитоскелет в клетке хрящевой ткани коровы, помеченный флуоресцентным красителем фаллоидином-ФИТЦ. Эта способность взять определенную тему и проиграть ее во всевозможных вариациях, неизменно сохраняя верность основным элементам ее структуры, характерна и для живой природы. Например, на такую заданную тему, как двигательные взаимодействия миозина и актина, естественный отбор с бесконечной изобретательностью писал вариации, породив захватывающий дух набор форм и функций. Внутренний мир любой сложной клетки наглядно подтверждает, с какой удивительной легкостью естественному отбору даются строгие вариации. Взаимодействие двигательных белков с нитями цитоскелета порождает целый мир движений сложных клеток, как внутренних, так и внешних. Многие клетки способны без видимых усилий скользить по твердым поверхностям, не прибегая ни к помощи конечностей, ни к изменениям формы тела. Другие образуют выросты (так называемые ложноножки), которые вытягиваются и подтягивают за собой клетку или помогают ей заглатывать жертв, обволакивая их протоплазмой. У третьих есть реснички или жгутики, которые, ритмично извиваясь, помогают клетке двигаться. Внутри клеток бурлит цитоплазма, поддерживая непрерывную циркуляцию их содержимого. В этом микромире беспрестанно суетятся крупные тельца, такие как митохондрии, и танцуют, прежде чем разойтись к разным полюсам, свой изысканный гавот хромосомы. А вскоре после этого клетка делится надвое, перешнуровываясь посередине, как будто безжалостно перетягивая свою талию. Все эти движения обеспечиваются молекулярным инструментарием, характерные элементы которого составляют актин и миозин. И все эти процессы представляют собой строгие вариации на одну и ту же тему. Представьте, что вы уменьшились до размеров, скажем, молекулы АТФ и что клетка стала для вас огромным футуристическим городом. Куда ни кинешь взор, везде протянуты замысловатые системы проводов, поддерживаемых другими проводами. Одни кажутся слабыми и тонкими, другие отличаются немалым диаметром. Земное тяготение не играет в этом городе будущего никакой роли: повсюду вязкая среда и беспорядочно трясущиеся атомы. Попытайтесь сдвинуться с места, и вы почувствуете, что застряли, как муха в варенье, в то время как со всех сторон на вас сыплются удары и толчки. Вы вдруг замечаете, как через этот головокружительный город с поразительной скоростью движется необычайная машина, перебирающая механическими руками, которыми она держится за один из множества натянутых проводов. К этой машине с помощью громоздкого соединительного блока прикреплен поистине огромный предмет, который она быстро тянет за собой. Если вы окажетесь у него на пути, вы почувствуете такой удар, будто с вами столкнулась летающая электростанция. На самом деле это и есть электростанция - то есть митохондрия, транспортируемая в другой конец клеточного города, чтобы обеспечить энергией затеваемую там стройку. Теперь вы замечаете, что и другие разнообразные объекты движутся в том же направлении: одни быстрее, другие медленнее, но все их тянут, держась за натянутые в небе провода, похожие машины. Когда митохондрия со свистом проносится мимо, вас подхватывает создаваемый ею вихрь, и вы тоже начинаете кружиться вместе со всеми. Вы сами становитесь частью перемешивающего содержимое любой сложной клетки непрерывного круговорота - цитоплазматического потока. Все это обеспечивается нанотехнологиями столь сложными, что мы еще только начали в них разбираться, и все же, несмотря на всю странность этого города будущего, его инфраструктура на удивление похожа на инфраструктуру бесчисленного множества других подобных городов. Клетка, внутренности которой я описал, могла оказаться одной из клеток вашего собственного организма, но с тем же успехом могла быть и клеткой растения, или гриба, или одноклеточного простейшего, плавающего в пруду возле дома. Миру клеток свойственно изумительное единообразие, создающее глубокое ощущение взаимосвязанности и братства живой природы. С точки зрения клетки вы представляете собой лишь очередную вариацию на тему плана строения, еще один способ построить нечто замечательное из похожих кирпичиков. Но каких кирпичиков! У всех эукариот (организмов, состоящих из сложных клеток, наделенных ядром; см. главу 4) каждый из таких кирпичиков выглядит как процветающий мегаполис, в отличие от гораздо проще устроенных клеток бактерий. И в немалой степени эта разница определяется богатствами цитоскелета и постоянно осуществляемой им транспортировки, благодаря которой содержимое клетки непрерывно развозится по ее внутренностям. Без этого неиссякаемого транспортного потока клеточный город не смог бы существовать, как не смогли бы существовать и наши прекрасные города без их оживленных магистралей. Весь внутриклеточный транспорт осуществляется с помощью белковых моторов. Первый из них - миозин, скользящий вдоль актиновых нитей точно так же, как он делает это в мышцах. А дальше начинаются вариации. В мышцах миозиновые головки почти постоянно отделены от актиновых нитей. Если бы они не были отделены, а оставались связанными, это физически мешало бы другим головкам совершать взмахи. Такая система была бы похожа на лодку, гребцы которой отказываются поднимать весла из воды. В мышцах механизм с отделенными большую часть времени миозиновыми головками прекрасно работает, потому что сплетенные друг с другом длинные хвосты, на которых закреплены эти головки, удерживают их рядом с актиновыми нитями. Но с актиновыми проводами, пересекающими клетку вдоль и поперек, осуществлять работу подобного механизма было бы гораздо сложнее. Как только двигательные головки отделялись бы от актиновой нити, их начинало бы дергать из стороны в сторону, и им трудно было бы вновь ухватиться за провод (хотя в ряде случаев миозиновые головки все же удерживаются возле актиновых проводов за счет электрических взаимодействий). Лучшим решением этой проблемы будет “процессивный" двигатель, остающийся прикрепленным к актину и в то же время каким-то образом марширующий вдоль актиновой нити, как уличная процессия. Именно это мы и наблюдаем. Несколько небольших изменений в структуре миозина делают из него как раз такой процессивный двигатель, способный перемещаться вдоль актиновой нити, все время за нее держась. Какие это изменения? Одно из них - удлинение шейки. Вспомните, что в мышцах две миозиновые головки торчат рядом, прочно соединенные друг с другом хвостами и шейками, но в остальном, судя по всему, не особенно координируют свою работу. Стоит немного удлинить шейки, и взаимозависимость головок еще ослабнет. Это позволит одной головке оставаться прикрепленной, пока вторая совершает взмах, в результате чего миозиновый двигатель сможет перемещаться вдоль провода, перебирая “руками”6. Другие варианты предполагают соединение трех или даже четырех головок. Также, разумеется, нужно избавиться от хвостов, чтобы миозиновые головки не торчали из толстой нити, а могли свободно “расхаживать” по клетке. И, наконец, к двигательным головкам нужно прикреплять другие предметы. Это происходит за счет “соединительных” белков, каждый из которых соответствует какой-то одной разновидности груза. В итоге мы получаем целое племя процессивных двигателей, способных по актиновым путям развозить грузы в клетке во всех направлениях. Как возник этот великий парад двигательных белков? В мире бактерий и близко нет ничего подобного. При этом актин и миозин - не единственный двигательный “дуэт” в эукариотических клетках. У двигательных белков другого семейства, так называемых кинезинов, принцип работы примерно такой же, как у миозинов: они тоже перемещаются по проводам цитоскелета, перебирая “руками”. Но кинезины пользуются при этом не актиновыми нитями, а проводами большего калибра - так называемыми микротрубочками, собираемыми из субъединиц еще одного белка - тубулина. Одна из многих функций кинезинов состоит в том, что во время деления клеток они обеспечивают расхождение хромосом к полюсам по веретену из микротрубочек. Существуют и другие разновидности двигательных белков, но мы не будем их разбирать, чтобы не завязнуть в избыточных подробностях. Для всех этих двигательных белков, как и для их путеводных проводов, известны бактериальные прототипы, хотя родственные связи между теми и другими далеко не всегда очевидны, а бактериальные белки обычно выполняют совсем другую работу7. Здесь тоже помогли методы рентгеноструктурного анализа, позволившие установить родство, которое, может, вообще не удалось бы выявить, пользуясь только генетическими последовательностями. На уровне подробных генетических последовательностей между двигательными белками двух основных разновидностей, миозинами и кинезинами, нет почти ничего общего. Здесь и там попадаются похожие участки, но долгое время считалось, что такие участки возникли случайно или в результате конвергентной эволюции. Кинезины и миозины и вправду казались классическим примером конвергенции: двумя неродственными группами белков, которые специализировались на выполнении сходных функций и у которых поэтому выработались черты структурного сходства (точно так же, как между крыльями летучих мышей и птиц, возникших независимо и похожих друг на друга оттого, что в них были сходным образом решены одни и те же задачи, связанные с полетом). Но затем с помощью рентгеноструктурного анализа удалось с атомарным уровнем разрешения установить их трехмерную структуру. Генетическая последовательность дает лишь двумерную последовательность букв - либретто без музыки, - в то время как рентгеноструктурный анализ кристаллов позволяет определить трехмерную форму белка - оперу целиком во всем ее великолепии. Вагнер однажды заметил, что оперная музыка должна вырастать из слов, что слова первичны. Но Вагнера помнят не за одни словесные выражения тевтонских страстей - именно музыка вдохнула жизнь в его произведения, которыми наслаждается уже не одно поколение ценителей. Точно так же и последовательность генов представляет собой Слово природы, но настоящая музыка белков заключена в их форме, и именно она позволяет белкам выживать под давлением естественного отбора. Отбору нет дела до последовательностей генов: его заботят только функции. Хотя гены и определяют функции кодируемых ими белков, они часто делают это именно за счет того, что диктуют форму, в которую белки сворачиваются по правилам, по-прежнему плохо нам понятным. В результате последовательности генов, происходящих от общего предка, могут постепенно расходиться так далеко, что между ними не останется никакого сходства, как и получилось с генами миозинов и кинезинов. Но вырастающая из них музыка белковых шариков никуда не делась, и ее по-прежнему можно выявить с помощью рентгеноструктурного анализа. Итак, исходя из данных рентгеноструктурного анализа, мы знаем, что миозины и кинезины действительно происходят от одного и того же белка, несмотря на очень слабое сходство кодирующих эти белки генов. Их трехмерное строение обнаруживает множество соответствующих друг другу складок и других структур, вплоть до ключевых аминокислот, сохранившихся в одном и том же положении на одних и тех же местах. Это поразительное достижение отбора: он сохранил строение белковых структур и промежутков между ними неизменными в течение миллиардов лет, хотя сам материал этих структур и даже определяющие его последовательности со временем исказились до неузнаваемости. И все эти структуры показывают, что и миозины, и кинезины родственны более многочисленному семейству белков, которые явно происходят от бактериальных предшественников8. Эти бактериальные белки выполняли (и по-прежнему выполняют) работу, включающую те или иные движения, требующие приложения физической силы, например переходы из одной конформации в другую, но ни один из них не обеспечивал настоящей подвижности. Таким образом, рентгеноструктурный анализ показывает нам строение “костей” белка, как рентгеновский снимок птичьего крыла демонстрирует строение его скелета. И так же, как строение костей и суставов выдает происхождение крыльев, развившихся из конечностей бескрылых рептилий, строение двигательных белков свидетельствует о том, что они явно произошли от бактериальных белков, способных менять конформацию, но не обладавших настоящей подвижностью. Рентгеноструктурный анализ позволил сделать удивительные открытия и об эволюции цитоскелета - тех самых протянутых по всей клетке актиновых и тубулиновых проводов. Можно задаться вопросом, зачем клетке понадобилось вырабатывать целую сеть таких проводов - скоростных магистралей для двигательных белков, когда в ней еще не было самих этих двигательных белков. Не означало ли это, что эволюция поставила телегу впереди лошади? Нет, если цитоскелет был ценен сам по себе. Ценность цитоскелета определяется его структурными свойствами. Форма всех эукариотических клеток, от длинных и тонких нервных клеток до плоских клеток эндотелия, поддерживается именно нитями цитоскелета, и оказывается, что примерно то же самое относится и к бактериям. Многие поколения биологов приписывали многочисленные формы бактериальных клеток (палочковидную, спиралевидную, серповидную и так далее) окружающей эти клетки жесткой клеточной стенке. Поэтому, когда в середине 90-х годов XX века выяснилось, что у бактерий тоже есть цитоскелет, это стало большой неожиданностью. Бактериальный цитоскелет состоит из тонких нитей, очень похожих на актиновые и тубулиновые. Как мы теперь знаем, эти нити отвечают за поддержание сложной формы бактериальных клеток. (Мутации в генах цитоскелета приводят к тому, что обладающие сложной формой бактериальные клетки превращаются в простые шарики.) Как и в случае с двигательными белками, генетическое сходство между белками бактериального и эукариотического цитоскелетов невелико. Но сходство их трехмерного строения, установленное лет десять назад с помощью рентгеноструктурного анализа, оказалось еще сильнее, чем у двигательных белков. По сути, бактериальные и эукариотические цитоскелетные белки почти точно накладываются друг на друга, так что одни и те же структуры и промежутки, а также несколько одинаковых ключевых аминокислот полностью совпадают. Ясно, что цитоскелет эукариотических клеток развился из бактериального. При этом эукариотические белки сохранили не только форму, но и функции далеких предшественников. И те, и другие играют общую структурную роль, но в обоих случаях цитоскелет способен на нечто большее, чем обеспечение неподвижной опоры. В отличие от нашего жесткого костного скелета клеточный скелет всегда динамичен, непрерывно меняется и перестраивается, непостоянен и всеобъемлющ, как грозовые облака. Он позволяет прикладывать силу, передвигая хромосомы, разделяя клетки пополам в ходе их удвоения, а также (по крайней мере, у эукариот) формировать наружные выросты и без помощи двигательных белков. Короче говоря, цитоскелет уже сам по себе обладает подвижностью. Как такое могло получиться? Как актиновые, так и тубулиновые нити состоят из белковых субъединиц, собирающихся в длинные цепочки - полимеры. Эта способность к полимеризации не так уж удивительна: в конце концов, пластмассы тоже представляют собой полимеры, состоящие из субъединиц, образующих длинные молекулярные цепочки. Необычно в цитоскелете то, что его структура находится в состоянии динамического равновесия - переменчивого баланса присоединяющихся и отпадающих субъединиц, полимеризации и деполимеризации. В результате цитоскелет вечно перестраивается, надстраиваясь и снова разбираясь. Однако “строительные блоки” цитоскелета могут присоединяться к другим только с одного конца цепочки (как детали конструктора “Лего”, или - это, может быть, точнее, - как воланы, вложенные один в другой), а отделяться - только с другого. Это и дает цитоскелету возможность создавать механическую силу. И вот почему. Если скорость добавления субъединиц на одном конце цепочки равна скорости их отделения на другом конце, то полимерная цепочка в целом сохраняет постоянную длину. В этом случае кажется, что она движется в направлении того конца, к которому добавляются субъединицы. Если на пути такой цепочки оказывается тот или иной предмет, она может физически двигать его вперед. В действительности его при этом двигает не сама цепочка. Этот предмет толкают беспорядочные молекулярные силы, но каждый раз, когда между ним и растущим концом цепочки образуется небольшой промежуток, туда может протиснуться и пристроиться к цепочке еще одна субъединица. Тем самым рост цепочки не дает предмету двигаться назад, а беспорядочные толчки двигают его вперед. Самый наглядный пример работы этого механизма, вероятно, наблюдается при некоторых бактериальных инфекциях, возбудители которых нарушают сборку цитоскелета. Например, листерии, которые могут вызывать менингит у новорожденных, выделяют два или три белка, вместе подчиняющие себе работу цитоскелета зараженной клетки. Это позволяет бактериям активно двигаться внутри клетки за счет актиновых “комет”, собирающихся и разбирающихся за ними. Полагают, что сходный процесс происходит и в клетках самих бактерий, помогая им отделять друг от друга хромосомы и плазмиды (маленькие кольцевые молекулы ДНК) в ходе клеточного деления. Причем нечто похожее происходит и у амеб (а также в некоторых клетках нашей собственной иммунной системы, таких как макрофаги). Клеточные выросты (ложноножки) образуются за счет динамичной сборки и разборки актиновых нитей. Ни в каких сложных двигательных белках просто нет нужды. Работа динамичного цитоскелета может показаться очень сложной, но биохимик Тим Митчисон из Гарварда утверждает, что это отнюдь не так. В основе этого явления лежат самопроизвольные физические процессы, которые происходят и без особой эволюции. Белки, не играющие вообще никакой структурной роли, могут сами по себе внезапно полимеризоваться, образовывая скелетные структуры, способные к приложению силы, после чего так же быстро разбираться, возвращаясь в исходное состояние. Такое поведение может показаться пугающим. Оно и правда обычно не приводит ни к чему хорошему. Например, при серповидноклеточной анемии, если уровень кислорода падает, то особая форма гемоглобина внезапно поляризуется, образуя своего рода каркас. Этот каркас и придает красным кровяным тельцам серповидную форму, давшую болезни ее название, то есть прикладывает силу и совершает движения. Когда уровень кислорода вновь повышается, этот аномальный цитоскелет разбирается (также самопроизвольно) и красные кровяные тельца опять обретают нормальную дискоидальную форму. Хотя возникающий при этом цитоскелет и не делает ничего хорошего, это настоящий динамичный цитоскелет, способный к приложению физической силы9. Что- то подобное, должно быть, произошло в очень давние времена и с нормальным цитоскелетом. Субъединицы актина и тубулина происходят от обычных белков, выполняющих в клетке другие функции. Несколько несложных изменений в их структуре, подобных тем, что приводят к образованию аномальной формы гемоглобина, позволили им спонтанно собираться в нити. Однако, в отличие от изменений в гемоглобине при серповидноклеточной анемии, эти изменения должны были сразу оказаться полезными для клетки, поскольку их поддержал естественный отбор. Их польза могла быть и непрямой и даже не связанной с движением. В конце концов, ведь и мутацию, вызывающую серповидноклеточную анемию, естественный отбор поддерживает в тех регионах, где распространена малярия, поскольку обладание единственной копией мутантного гена защищает от этого недуга. Несмотря на то, что аномальный гемоглобин вызывает длительные болезненные приступы (серповидные клетки негибки и закупоривают капилляры), естественный отбор сохранил самопроизвольную сборку вредного цитоскелета, потому что у нее есть ценный, хотя и непрямой побочный эффект -устойчивость к малярии. Итак, величием подвижности, от его простейших начал до прославленной силы скелетных мышц, мы обязаны горстке белков и бесконечным вариациям на тему механизма их работы. Задача, которую нам еще предстоит решить, состоит в том, чтобы разобраться во всех этих изумительных вариациях и найти исходную тему, тот простой хорал, с которого все началось. Поиски этого “хорала” составляют одно из самых увлекательных и дискуссионных направлений современных исследований, ведь его напевала еще праматерь всех эукариотических клеток, по-видимому, около двух миллиардов лет назад, и отголоски столь давних аккордов теперь не так-то просто расслышать. Как именно древнейшая эукариотическая клетка обрела подвижность, точно неизвестно. Мы не знаем, сыграло ли здесь ключевую роль сотрудничество (симбиоз) между клетками, что долгое время доказывала Линн Маргулис, или же клеточный скелет развился из генов, уже имевшихся у клетки-хозяина. Вероятно, мы сможем пролить больше света на эту проблему, когда отгадаем несколько интересных загадок. Например, у бактерий хромосомы расходятся при делении клетки с помощью актиновых нитей, в то время как перешнуровка, разделяющая материнскую клетку на две дочерние, осуществляется с помощью тубулиновых микротрубочек. При делении эукариотических клеток все происходит наоборот. Здесь “строительные леса” веретена деления, по которым хромосомы расходятся в разные стороны, построены из микротрубочек, а шнуровка, разделяющая клетку, состоит из актина. Когда мы узнаем, как и почему эти белки поменялись ролями, мы получим лучшее представление об истории жизни на Земле. Но все эти серьезные проблемы, стоящие перед исследователями, на самом деле относятся лишь к деталям общей схемы, которая в целом теперь ясна. Мы знаем, из каких белков возникли белки цитоскелета и двигательные белки, и для обобщенной схемы не так уж важно, достались они эукариотам от симбиотической бактерии или от клетки-хозяина. Обе возможности вполне правдоподобны, и когда мы узнаем ответ на этот вопрос, он в любом случае не пошатнет оснований современной биологии. Один факт не вызывает сомнений. Если когда-то и существовали эукариоты, не способные передвигаться, не имевшие динамичного цитоскелета и двигательных белков, этих источников механической силы, теперь их уже не найти: все они давным-давно вымерли. Предок всех современных эукариот обладал подвижностью, которая предположительно давала ему большие преимущества. Поэтому вполне возможно, что расцвет подвижных организмов не только навсегда изменил степень сложности экосистем, но и способствовал в свое время изменению облика нашей планеты и превращению ее из простого мира, где правили бактерии, в тот богатый и изумительный мир, который мы знаем сейчас. жүктеу/скачать 2.07 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|