Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем - Льюис Уолперт

Белки определяют структуру клетки — и в то же время представляют собой строительный материал, из которого образуется клетка. Белки являются основным компонентом клеточной оболочки, благодаря им клетки обладают способностью к перемещению. Белки также могут проникать сквозь клеточную оболочку и таким образом переносить молекулы из клетки и внутрь нее, они передают информацию, которой обмениваются клетки, действуют в качестве рецепторов и осуществляют контроль за работой генов. Белки могут объединять свои усилия, они соединяются вместе, образуя волокна, микротрубочки, кольца, слои ткани и т. д.

Основная функция некоторых белков — выступать в роли энзимов. Энзимы — это белки, которые связываются с молекулами и изменяют их структуру, расщепляя одни молекулы на более мелкие, а другие, наоборот, объединяя. Таким образом, они играют определяющую роль в формировании новых молекул и в расщеплении пищи на более мелкие молекулярные единицы; через это они влияют на поведение клеток. Практически все происходящие в клетке процессы контролируются и осуществляются различными типами белков.

Молекулярная цепочка аминокислоты чрезвычайно гибка, она обладает способностью свертываться и складываться любым образом. Глядя на нее, любой акробат может лишь позавидовать. Трехмерная структура, которую она образует, предопределяет функцию белка. То, какую форму принимает в конечном счете белок, зависит от последовательности входящих в него аминокислот. Представьте себе веревку, которая на всем своем протяжении завязана в узлы и петли и унизана крючками. Если складывать такую веревку хаотичным образом, то некоторые крючки зацепятся за петли и форма веревки изменится. То же самое происходит и с белками. Весьма часто белковые цепи соединяются неправильно, и тогда клетка уничтожает их. Правда, на это расходуются значительные запасы клеточной энергии. Для того же, чтобы белковые цепи связывались воедино правильно, в клетке существуют особые белки-поводыри.

Если меняется всего лишь одна аминокислота в длинной белковой цепочке, то меняется и вся структура белка. А это может вызвать серьезные изменения в его деятельности и привести к ненормальному функционированию всей клетки. Именно это обстоятельство лежит в основе многих заболеваний. Ярким примером является серповидная анемия, при которой меняется всего лишь одна аминокислота в белке гемоглобина. Эта мутация приводит к нарушению структуры белка, из-за чего меняется форма кровяной клетки — она приобретает серповидные очертания, что, в свою очередь, мешает нормальному прохождению кровяных клеток через кровеносные капилляры.

Каким же образом определяется порядковое место той или иной аминокислоты в белковой цепи? Фреду Сангеру, биохимику из Кембриджа, была присуждена Нобелевская премия за то, что он определил последовательность аминокислот в белке инсулина. Сангер разработал метод отделения от белковой цепи аминокислоты, находящейся на самом ее конце. Благодаря этому методу он получил возможность отделить одну за другой все аминокислоты, входящие в белок инсулина, и определил точную последовательность их расположения в белковой цепочке.

Однако даже точное знание расположения аминокислот не всегда помогает понять пространственную структуру белка. Самым удобным методом для выяснения этого является превращение белка в кристалл, который затем просвечивается рентгеновскими лучами. Изучение углов отражения лучей и позволяет распознать пространственную структуру белка. На практике же наиболее быстрым методом для определения пространственной структуры белка является его сравнение с другим белком, пространственная структура которого уже известна. Поэтому чем больше белков изучено, тем проще становится процедура выяснения пространственной структуры новых белков.

Некоторые белки необходимо точно доставить в определенные области клетки. Столь же важно не пускать кое-какие белки в места, где их присутствие нежелательно. Но каким же образом белки направляются на путь, по которому им следует устремиться для выполнения своих специфических функций? Ведь в большинстве наших клеток имеются миллионы белковых молекул, представляющие несколько тысяч разных видов белков. Как устанавливается порядок в этом хаосе? Но все, оказывается, просто: выбор места, в котором белки должны находиться, закодирован в самой их структуре. Свободно плавающие внутри клетки белки каждую секунду встречаются с тысячами других молекул, в том числе и белковых. В результате такого взаимодействия они получают нужную информацию и попадают туда, где и должны находиться.

Ключевую роль в определении местоположения отдельных белков играют клеточные оболочки, поскольку белки не могут проникать сквозь эти оболочки, не обладая специальными средствами транспортировки. Основной же структурой клетки, помогающей белкам оказаться в нужном месте внутри клетки, является эндоплазматический ретикулум. Именно туда устремляются сначала все белки, и именно оттуда они перенаправляются в нужные места. Это происходит за счет видоизменения структур белков, например за счет добавления их к молекулам сахаров, благодаря чему меняется характер их дальнейшего присоединения к другим белкам.

К числу наиболее поразительных по своим функциям белков относятся энзимы. Они могут преобразовывать молекулы одного типа в молекулы другого типа, могут расщеплять молекулы на исходные компоненты, могут соединять воедино две разные молекулы, и таким образом благодаря им становится возможным синтез множества молекул. Энзимы являются катализаторами, способными в миллион раз ускорить химическую реакцию, причем в процессе этого сами они остаются неизменными. Они действуют поразительно быстро, успевая воздействовать на тысячи молекул в течение одной секунды. Поэтому скорость протекания химических реакций внутри клетки исключительно высока.

Все основные химические процессы, которые протекают внутри клетки, происходят с участием энзимов. Они расщепляют молекулы сахаров, которые обеспечивают нас энергией в форме АТФ. Образно энзим можно представить в виде замка, к которому должен подойти определенный ключ — та молекула, которую этот энзим должен изменить. Когда «замок»-энзим встречается с «ключом»-молекулой, он подгоняет этот ключ под себя — меняет его форму, либо отнимая у него некоторые молекулярные компоненты, либо, наоборот, добавляя их. Энзимы часто действуют по командному принципу: молекулы, обработанные одними энзимами, становятся объектами воздействия следующих групп энзимов. Это приводит к образованию сложных внутриклеточных механизмов производства энергии или синтеза новых молекул.

Энзимы, находящиеся в нашем кишечнике, играют ведущую роль в переваривании пищи, которую мы потребляем, — иными словами, в расщеплении ее на мелкие компоненты, которые проникают в систему кровообращения и разносятся кровью по организму, предоставляя питание содержащимся в нем клеткам. Другим ярким примером того, как действуют энзимы, является функционирование содержащегося в нашей слюне и слезах лизоцима, который предотвращает распространение в организме бактериальной инфекции. Этот энзим способен разрывать молекулярные цепочки сахаров, находящиеся во внешней оболочке бактериальных клеток, что ведет к ее разрушению и гибели бактерий.

Действие лизоцима основано на том, что он добавляет к белковой цепи микроба молекулу воды, вставляя ее между двух групп молекул сахаров и заставляя тем самым белковую цепь рваться. Молекулы воды бомбардируют цепочки сахаров все время, однако существующий энергетический барьер не позволяет им разорвать цепь. Энзим же видоизменяет цепочку сахаров так, что устойчивость ее понижается и молекула воды проникает в нее.

При этом энзимы не действуют автономно, сами по себе — их деятельность контролируется другими молекулами клетки и в случае необходимости регулируется. Подавление их активности осуществляется по методу обратной связи. Так, если энзим вырабатывает некое вещество «X», то оно, в свою очередь, вырабатывает некое вещество «Y», которое вступает во взаимодействие с энзимом для того, чтобы приглушить его активность.

Форма клетки и ее передвижения определяются внутренним каркасом, состоящим из белковых нитей и трубочек, которые, вместе с различными клеточными оболочками, являются своего рода костями и мускулами клетки. Находящиеся в сложном и непрерывном взаимодействии друг с другом белковые нити и трубочки поддерживают форму клетки, заставляют эту форму видоизменяться, а также обеспечивают передвижения клетки. Нити играют роль скреп, которые оберегают клетку от воздействия сил, стремящихся деформировать ее. Из них образуются подобия белковых веревок, благодаря которым форма остается неизменной. В некоторых клеточных тканях, таких, как, например, кожа, белковые нити скрепляют клетки в местах их соединений, чтобы придать тем самым ткани дополнительную прочность. Это пример весьма умной инженерии. Нити также помогают удерживать оболочку ядра, которое формируется из небольших белковых образований, и создают своего рода дорожки, по которым внутри клетки двигаются различные мелкие частицы.