остатка фосфорной кислоты; остается относительно бедный энергией аденозиндифосфат (АДФ).

Освобожденная энергия сопровождает: все процессы клеточного синтеза,

все электрические события в клеточной мембране, транспорт ионов и молекул,

сокращения мышц (скелетной мускулатуры, миокарда, гладких мышц сосудов и кишечника.

Синтез АТФ на 95% происходит в митохондриях, остальные 5% — в цитоплазме клетки. В клетке в процессе гликолиза из глюкозы образуется пируват, который превращается в жирные кислоты и аминокислоты в матриксе митохондрий при посредстве ацетил-КoA. Затем этот богатый энергией промежуточный продукт разрушается в цикле лимонной кислоты (цикле Кребса) на два компонента, водород и оксид углерода (CО2). CО2 диффундирует из митохондрий

вцитоплазму, а оттуда в кровь, где переносится эритроцитами в легкие и выделяется при выдохе. Атомы водорода окисляются еще в митохондриях с высвобождением дополнительного количества энергии, которая тут же используется для преобразования AДФ в богатый энергией АТФ. Эти процессы требуют участия ряда важных ферментов, которые

вмоментальной готовности к действию находятся на «полках» (мембранных перегородках) митохондрий. АТФ покидает митохондрию при посредстве специфических транспортных белков и используется для снабжения энергией клеточных процессов.

Уровень pH в матриксе. Содержимое (лучше говорить «матрикс») митохондрий имеет щелочную реакцию (pH 7,5–8,0). Вследствие этого возникает градиент протонов, направленный от внутренней митохондриальной мембраны к матриксу (в межмембранном пространстве кислая среда, а в матриксе щелочная). Большое количество свободной энергии, возникающее при обратном токе протонов, используется АТФ-синтазой, ферментом на внутренней мембране митохондрий, для синтеза АТФ.

1.4. Отравление синильной кислотой

Патология. Синильная кислота (HCN, цианистый водород) блокирует дыхательную цепь, предотвращая генерацию трансмембранного протонного электрохимического градиента в митохондриях. Синильная кислота ингибирует АТФ-синтазу, в клетках падает содержание АТФ; клетки лишаются ионных градиентов мембран и погибают.

HCN присутствует в горьком миндале (50 зернышек миндаля — смертельная доза), а также в табачном дыме. HCN часто применяется при попытках суицида.

Симптомы отравления. Первый симптом — учащенное дыхание с одновременным покраснением кожи, что объясняется недостаточным поступлением кислорода в ткани. При вдыхании паров синильной кислоты паралич дыхательных мышц приводит к смерти уже через несколько секунд. Если воздействие синильной кислоты прекратится, и в легкие будет поступать нормальный воздух, то быстро произойдет детоксикация и организм реабилитируется даже без специфического лечения.

Коротко

Функциональные системы клетки

Клетка живет и выполняет свойственную ей работу за счет функциональной согласованности внутриклеточных органелл. В клеточной мембране осуществляется обмен информацией между внешней средой и внутриклеточными компонентами. Информация передается на различных носителях в клетку и из клетки через посредство ионных каналов благодаря электрохимическим градиентам либо белкам-переносчикам. В то время как мелкие частицы (например, ионы) переносятся с участием отдельных мембранных белков, крупные белковые молекулы поступают в везикулы, которые захватываются клеткой посредством эндоцитоза или выводятся путем экзоцитоза. Каждая клетка обладает особой «системой переваривания» в виде лизосом, устраняющих ненужный материал. Белки и липиды синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме. В аппарате Гольджи происходит созревание протеинов, точнее, оснащение их молекул полимерами сахаров. Митохондрии выполняют функцию энергоснабжения клетки. На их складчатых мембранах поддерживаются значительные протонные градиенты, благодаря которым при помощи АТФ-синтазы и с потреблением кислорода синтезируется богатый энергией АТФ.

1.4. Воспроизведение и рост клеток

Митоз

!Организм живет за счет постоянного обновления многих клеток; основу составляет четко контролируемый цикл деления клетки.

Клеточный цикл. Жизненный цикл клетки (рис. 1.13) соответствует периоду от одного деления клетки до следующего. В организме млекопитающих клетки размножаются непрерывно. Что касается индивидуальной клетки, то ее жизненный цикл часто продолжается всего лишь 10–30 ч. Процесс начинается с определенной последовательности физических явлений и завершается делением клетки на две дочерних (митоз). Митоз продолжается примерно 30 мин, так что 95% всего времени своей жизни клетка занята не репродукцией, а «повседневной работой», иначе говоря, выполнением своих специфических функций (т. е. находится в интерфазе).

Воспроизведение клетки начинается непосредственно в ее ядре. Первый этап — удвоение (репликация) ДНК в хромосомах, создающее предпосылку для последующего митоза. Удвоение ДНК начинается за 5–10 ч до митоза и длится 4–8 ч. В результате образуются две молекулы ДНК, ко-

Рис. 1.13. Деление клетки и клеточный цикл. A. Деление клетки на две дочерние происходит в М-фазе (М — от слова «митоз») клеточного цикла. Б. Представлены шесть стадий; они продолжаются в течение нескольких минут. В. В интерфазу клетка выполняет свои специфические функции. Интерфаза может продолжаться от нескольких часов до нескольких лет. Некоторые клетки вообще не делятся

торые при митозе распределяются между двумя новыми дочерними клетками. После репликации началу митоза предшествует пауза продолжительностью примерно 1–2 ч.

Репарация ДНК. Основной задачей в течение паузы между репликацией ДНК и началом митоза является быстрое «контрольное прочитывание» (proofreading) и немедленный «ремонт» (repair) нитей ДНК. Ошибочные последовательности нуклеотидов отслеживаются, и специфические ферменты вырезают дефектные участки, заменяя их на комплементарные нуклеотиды. Здесь участвуют те же ферменты, что и при репликации, а именно ДНК-полимераза и ДНК-лигаза. Благодаря этим доработкам репликация редко совершается с ошибками. Если все же ошибка случается, в организме возникает мутация. Как следствие, синтезируется дефектный белок и клетка не может функционировать нормально либо погибает. Если мы теперь представим, что в геноме человека по меньшей мере 30 000 генов и смена поколений происходит, допустим, каждые 30 лет, то можно было бы ожидать, что ребенок получит не менее 10 мутаций родительского генома. Однако существует еще один защитный механизм: в каждом человеческом геноме представлены пары хромосом с практически идентичными генами. Следовательно, несмотря на мутацию одного гена, регуляцию клеточных функций потомка обеспечит второй ген, в большинстве случаев нормальный.

Хромосомы. В ядре клетки двойные спирали ДНК упакованы в виде хромосом. Человеческая клетка содержит 46 хромосом, которые составляют 23 пары. Чаще всего гены двух хромосом в каждой паре полностью или почти идентичны друг другу, поэтому считается что различные гены существуют парами.

Помимо ДНК хромосомы содержат большое количество белков, главным образом положительно заряженные гистоны. Эти небольшие тетрамерные молекулы представляют собой белковую глобулу, вокруг которой намотаны спирали ДНК. Гистоновые глобулы, обвитые ДНК, выстраиваются друг за другом, образуя длинные нити. Нити организуются

вкомпактные надструктуры. Гистоны играют важную роль

врегуляции активности ДНК. До тех пор пока ДНК плотно упакована, невозможны ни образование одноцепочечной РНК (транскрипция), ни удвоение ДНК (репликация). Специфические сегменты ДНК просто физически недоступны для полимераз. Однако есть особые регулирующие белки, которые проникают через ядерные поры из цитоплазмы

вядро клетки, деконденсируя определенные его области. Вследствие этого отдельные спирали ДНК высвобождаются и становятся доступными для полимераз. В итоге хромосомы могут реплицироваться, а РНК — транскрибироваться. Всего за несколько минут из реплицированных ДНК-спиралей и гистонов образуются готовые хромосомы. Две вновь образованные хромосомы до начала митоза остаются скрепленными центральной частью — центромерой. Такие удвоенные, но еще скрепленные хромосомы называются хроматидами.

Митоз. Быстро протекающий процесс деления клетки на две дочерних называется митозом. Неко-

торые из первых событий проходят в цитоплазме. Здесь вблизи полюса клеточного ядра лежат две пары так называемых центриолей. Каждая центриоль — это небольшое цилиндрическое тельце длиной 400 нм и диаметром 150 нм, состоящее из параллельных трубчатых структур. Две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу, составляют пару. Вместе с перицентриолярным матриксом эта структура называется центросомой. Незадолго до митоза две центриоли центросомы расходятся; их раздвигают встраивающиеся между ними микротрубочки. Одновременно около каждой пары центриолей возникают микротрубочки, радиально расходящиеся из клеточного центра (стадия «материнской звезды»). Некоторые «лучи» этой «звезды» проникают через ядерную мембрану, способствуя разделению двух хроматид. Совокупность микротрубочек и центриолей называется веретеном деления.

Стадии митоза. В профазе свободно лежащие нити хромосом уплотняются. В прометафазе фрагментируется ядерная оболочка. Одновременно микротрубочки прикрепляются к центромерам хроматид. Затем микротрубочки тянут одну из пары хроматид к каждому из противоположных полюсов клетки. Во время метафазы две «звезды» аппарата веретена деления расходятся еще дальше. Здесь, вероятно, участвуют молекулярные моторы типа актина. В это же время микротрубочки тянут хроматиды в клеточный центр, где из них формируется экваториальный диск аппарата веретена деления. В анафазе все 46 пар хроматид отделяются друг от друга и образуют дочерние хромосомы. В телофазу дочерние хромосомы полностью расходятся. Затем веретено деления разрушается, а вокруг каждого набора хромосом развивается новая ядерная оболочка из эндоплазматического ретикулума. Наконец, в центре клетки образуется сократимое кольцо из микрофиламентов (актина и миозина), которое разделяет ее на две дочерние. Так завершается митоз — поразительная последовательность событий, повторяющаяся миллионы раз.

Рост клетки

!Образовавшиеся при деления клетки мигрируют на места своего назначения и специализируются; клетка каждого типа владеет специфическим структурным аппаратом, с помощью которого осуществляет свою повседневную деятельность.

Рост клетки. Как уже упоминалось, есть типы клеток, которые постоянно растут и делятся, например кроветворные клетки костного мозга, стволовые клетки кожи или эпителия кишечника. Многие другие клетки, такие как гладкомышечные, могут не делиться годами. Некоторые типы клеток, например нервные клетки (нейроны), практически никогда не делятся в зрелом организме даже под действием таких биологических стимулов, как специфические тканевые факторы. В связи с этим существует проблема замещения поврежденной нервной ткани (например, при поперечном мие-

лите — синдроме полного поперечного поражения спинного мозга, или поперечном параличе).

Если в результате патологии пострадала часть клеток, но макроструктура органа сохранилась, здоровые клетки могут размножаться и восстановить нормальный орган. Допустим, что при вирусном гепатите погибло 90% клеток печени; в фазу ремиссии сохранившиеся клетки печени начинают пролиферировать (расти и размножаться), пока не восстановится нормальная функция печени (лат. Restitutio ad integrum). То же самое характерно для клеток желез, костного мозга, подкожной ткани, кишечного эпителия и многих других; исключение составляют нервные и мышечные клетки.

Дифференцировка клеток. Геном клетки содержит информацию о синтезе тысяч различных белков, зашифрованную в последовательности ДНК. Однако индивидуальная клетка, будь то нервная, мышечная или клетка почки, экспрессирует только часть своих генов. Разнообразие типов клеток многоклеточного организма обусловлено именно тем, что клетка печени и клетка крови используют разные наборы генов, хотя все клетки организма имеют в своем распоряжении все гены, свойственные геному человека. Чтобы понять, что такое дифференцировка клеток, нужно рассмотреть, в чем заключаются различия между клеточными типами. Отметим некоторые важные моменты.

Многие процессы одинаковы для всех клеток. Поэтому есть белки, присутствующие в каждом типе клеток нашего организма, например структурные белки хромосом, РНК-полимеразы, ферменты репарации ДНК, рибосомные белки, ключевые ферменты клеточного метаболизма и ряд белков цитоскелета.

Некоторые белки имеются в больших количествах в специализированных клетках, однако полностью отсутствуют в других типах клеток. Например, гемоглобин обнаруживается только в эритроцитах, а белки, транспортирующие ионы йода, выявлены в клеточной мембране тироцитов (эпителиальных клеток щитовидной железы).

Клетка организма человека, точнее, челове-

стоянно. Непосредственный результат экспрессии гена в клетке — это его транскрипт, мРНК. После экспорта мРНК из ядра клетки в рибосомы происходит трансляция, т. е. синтезируется специфический белок, который в конечном счете и характеризует функцию клетки.

На пути от транскрипции ДНК до готового к функционирования белка существуют возможности изменения его структуры и, следовательно, функции. Таким образом возрастает функциональное разнообразие.

Гибель клеток

Апоптоз. Клетки нашего организма — это элементы высокоорганизованного сообщества. Число клеток строго регулируется, так что число делений клетки соответствует числу клеточных смертей. Если клетка далее не используется, происходит запуск внутриклеточной программы гибели. Эта последовательность процессов носит название «программируемая клеточная гибель», или апоптоз (от греч. «опадение») (рис. 1.14). Например, в период эмбрионального развития нервной системы погибает примерно 50% исходно заложенных клеток. В нормальном зрелом организме каждый час погибают миллиарды клеток кишечного эпителия и клеток крови. Преимущественно это результат активной клеточной гибели (апоптоза, а применительно к эритроцитам — эриптоза). Таким образом постоянно обновляются клетки, которые находятся в непосредственном контакте с окружающей средой (эпителий бронхов и желудочно-кишечного тракта, клетки печени, эпидермиса и т. д.).

Кроме того, возможна острая (непредвиденная) гибель клеток. При остром нарушении состояния ткани (заболевании) наблюдается набухание и разрыв клеток. Клеточное содержимое изливается, так что соседние клетки тоже подвергаются вредному воздействию. Процесс называется некрозом клетки, а следствием является воспаление. В отличие от некроза, при апоптозе клеточная гибель «ло-

Рис. 1.14. Апоптоз. Программируемая гибель живой клетки эндотелия. Снимок получен с помощью атомно-силового микроскопа. Клетка лишается связи с сообществом других клеток и «бесследно» исчезает. Дефект восполняется в результате следующего деления соседних клеток

кальна», соседние клетки не затрагиваются. Клетка сморщивается, ее ядро максимально уплотняется. Цитоскелет теряет прочность, ядерная оболочка разрушается, а ДНК распадается на фрагменты. Затем макрофаги (клетки-«пожиратели») во внеклеточном пространстве распознают клетку как «излишнюю» и эндоцитируют ее. Процесс апоптоза обусловлен активацией протеолитических ферментов каспаз, которые на первых стадиях развития клетки обычно неактивны и начинают функционировать после активации внутриклеточного протеолитического каскада. Если запущена активность каскада, он работает по принципу «все или ничего», неминуемо приводя клетку к гибели.

Активация каспаз может начаться с рецепторов гибели на поверхности клетки. Они могут активироваться специфическими белками внеклеточной среды и передавать сигнал гибели внутрь клетки. Активацию каспаз может вызвать стресс. В частности, из митохондрий клеток, испытывающих стресс, высвобождается особый белок (цитохром С), который затем вызывает апоптоз. Кроме того, стимулом для запуска программируемой клеточной гибели может стать повреждение ДНК; в результате устраняются клетки-мутанты (с дефектами генов). Наряду с белками, вызывающими апоптоз, существуют другие белки, которые предотвращают программируемую клеточную гибель. В конечном счете взаимодействие между про- и антиапоптозными сигналами определяет, продолжится ли жизнь клетки (см. 1.5).

1.5. Рак

Патология. Раковые клетки берут начало от обычных клеток, у которых аномалия генетического материала присутствовала исходно либо была вызвана различными факторами (например, канцерогенами сигаретного дыма). Вследствие этого клетки теряют свои генуинные качества (лат. genuinus — природный, истинный), такие как способность к дифференцировке. Они не занимают свое обычное «рабочее место» в эпителиальном клеточном «монослое», а мигрируют в близлежащую ткань (рис. 1.15). При этом они внедряются в кровеносные сосуды, разносятся с кровотоком и проявляются в организме вторичными очагами роста опухоли (метастазами).

Причины. Наряду с ионизирующим излучением (радиоактивные материалы), химическими веществами (бензпирен угольной смолы) и отягощенной наследственностью (уже присутствующими мутантными генами без клинических симптомов) причиной рака могут также быть вирусы, бактерии или паразиты. Например, гепатоцеллюлярная карцинома, вызываемая вирусом гепатита B (преимущественно в тропической Африке и Юго-Вос- точной Азии); причина рака шейки матки — папилломавирус (повсеместно); причина саркомы Капоши — ВИЧ (прежде всего в Южной Африке);