Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011

Молекулярная биология. Предмет и основные разделы курса
Разнообразие и всеобщность клеток

Подобно нам самим, отдельные клетки, которые формируют наше тело, могут расти, размножаться, воспринимать сигналы, реагировать на воздействия и осуществлять невообразимое множество химических реакций. Эти свойства и определяют живой организм (или просто организм, как мы будем говорить далее).

Человек, как и другие многоклеточные организмы, состоит из миллионов и миллиардов клеток, но существуют и организмы, которые состоят всего из одной клетки, и при этом такие одноклеточные организмы демонстрируют все без исключения свойства присущие любым другим организмам. Поэтому, можно без преувеличения утверждать, что клетка - это фундаментальная единица жизни, тот "кирпичик" из которого строится всё многообразие "архитектуры" жизни.

С началом XXI века совпал "бум" в познании клетки, её организации и механизмах протекающих в ней процессов. Количество информации о компонентах клетки, структурах, из которых они состоят, и которые состоят из клеток, о механизмах объединения, взаимного влияния и взаимодействия клеток растет лавинообразно.

Именно сейчас, в начале третьего тысячелетия, человечество достигло такого уровня знаний в физике, химии и прикладной математике (компьютеры), и разработало такие микро- и нано-скопические методики исследований, сложных биологических объектов, что стало возможным не только отслеживать внутриклеточные процессы на молекулярном

уровне, но и управлять биохимическим "производством" внутри клетки, программируя работу клеточных "биологических фабрик", для получения в промышленных масштабах тех нужных человечеству продуктов, которые способны синтезировать клетки.

Вот почему знания о механизмах внутриклеточных процессов составляют основу современной биотехнологии.

Сразу стоит заметить, что чем больше человек узнает о биологических процессах, тем больше возникает вопросов и направлений изучения, тем больше оказывается задач и проблем, которые ждут своих исследователей. Например, как информация распространяется по клетке и между клетками, каков механизм принятия клеткой "решения", о том, каким именно образом реагировать на то или иное внешнее (или внутреннее) событие.

Молекулярная биология клетки - это сложная интегрирующая наука, в которой объединяются вместе биохимия, биофизика, молекулярная биология, все виды микроскопии, генетика, физиология, компьютерная визуализация и моделирование, и биология развития организмов.

Каждая из этих отраслей, представляет собой самостоятельную науку, со своими методами теоретического и экспериментального исследования, а молекулярная биология клетки объединяет их результаты, рассматривая само явление жизни в качестве объекта исследования.

Клетки обладают колоссальным разнообразием формы и размеров. На рисунке 1 показаны микрофотографии некоторых клеток.

Рисунок 1 (a) - окруженная сперматозоидами яйцеклетка человека диаметром порядка 0,2 мм, из которой в результате деления и дифференцировки получается тридцать триллионов (30х10¹² = 2⁴⁵) клеток человеческого организма.

Рисунок 1 (б) - клетки Lactococcus lactis - эубактерии, которые используются при производстве таких сортов сыра, как Рокфор (Roquefort), Бри (Brie) и Кэмемберт (Camembert).

Рисунок 1 (в) - колония археобактерий Methanosarcina, которые получают энергию для жизнедеятельности превращая двуокись углерода и водород в метан.

Рисунок 1 - Микрофотографии некоторых клеток

Рисунок 1(г) — клетки крови: гладкие округлые большие клетки, напоминающие береты - эритроциты переносящие кислород; белые ворсистые шарики - лейкоциты, часть иммунной системы; небольшие эллипсоидальные клетки - тромбоциты, обеспечивающие сворачивание крови при ранении.

Рисунок 1(д) — окаменевшие яйца динозавров.

Рисунок 1(e) - колонии одноклеточных водорослей Volvox aureus; большие сферы состоят из индивидуальных клеток, которые видны на рисунке в виде светлых точек, большие светлые пятна внутри сфер - это дочерние колонии клеток.

Рисунок 1 (ж) - одна клетка - нейрон мозжечка, который может образовывать более сотни тысяч контактов с другими клетками через разветвленную сеть дендритов. Клетка визуализирована введением в нее специальных флуоресцентных белков. Собственно тело клетки - это серый шар в нижнем левом углу рисунка.

Рисунок 1 (з) — срез стенки кишечника - клетки могут образовывать эпителиальные ткани. Каждый из трех пальцеобразных структур, показанных на рисунке, состоит из стопки клеток. Питательные вещества переносятся из перевариваемой пищи через кишечный эпителий в кровь, которая разносит их по всему организму. Новые клетки постоянно образуются у основания этих структур, а старые клетки удаляются, сбрасываются, с вершины этих "столбов".

Рисунок 1 (и) - клетки растений жестко зафиксированы на своем месте целлюлозным скелетом растений. Пространство между клетками организовано в капилляры для транспорта воды и питательных веществ.

Разнообразие клеток чрезвычайно. Некоторые клетки очень подвижны и легко изменяют свою форму, как амебы и коловратки (rotifers). Другие стабильны и неподвижны.

Кислород убивает некоторые клетки, но абсолютно необходим для других.

Большинство клеток многоклеточного организма между собой взаимосвязаны и взаимозависимы. Хотя некоторые одноклеточные организмы способны жить в изоляции, другие образуют колонии или живут в симбиозе с другими типами организмов, как, например, бактерии, которые помогают растениям усваивать азот из воздуха или бактерии, которые живут в кишечнике человека, помогая переваривать пищу.

Но, несмотря на все эти и другие различия, все клетки имеют подобную структуру и осуществляют многие сложные процессы практически одинаково.

Прежде всего, в зависимости от того есть ли в клетках ядро или нет, все клетки делятся на прокариотические (безъядерные или, точнее, доядерные) и эукариотические.

Прокариотические клетки представляют собой область, окруженную клеточной мембраной, не имеющую четкого ядра (рисунок 2(a)).

Рисунок 2 - Электронные микрофотографии двух типов клеток: а - прокариотическая клетка Escherichia coli', б - эукариотическая клетка белого кровяного тельца

Наиболее многочисленными являются бактерии. Сухой вес, например, кишечной палочки (Escherichia coli) составляет 25х10^-14 г (четверть пикограмма), но при этом вес всех бактерий в человеке составляет 1—1,5 кг. По оценкам на Земле 5х10³⁰ бактерий весящих 10¹² кг (миллиард тонн). Прокариотические клетки были найдены на глубине 10 км в океане, и на высоте 12 км в атмосфере.

Количество углерода, содержащееся в бактериях сравнимо с количеством углерода, содержащегося во всех растениях Земли.

Клетки эукариот имеют четко выраженную структуру: клеточное ядро и цитоплазму, которая состоит из цитозоля и органелл цитоплазмы. Эукариоты - это все члены царств растений и животных, включая грибки, {fungi) которые существуют в виде многоклеточных (плесень, mold) и одноклеточных (дрожжи, yeast) форм, и простейшие (protozoans - proto, примитивные; zoan, животные), которые исключительно одноклеточные.

В настоящее время считается, что все клетки произошли от общего предка, поскольку основные структуры, основные молекулы и основные метаболические процессы во всех клетках одинаковы. Подробный анализ ДНК различных прокариотических организмов выявил существование двух их типов: так называемые "настоящие" бактерии или эубактерии, и археобактерии. Считая, что организмы с более подобными генами разошлись в своем эволюционном развитии не так давно, как организмы с большими отличиями в структуре генов, исследователи восстановили эволюционное генеалогическое дерево, показанное на рисунке 3.

Рисунок 3 - Эволюционное дерево видов: - общий предок, - предок археобактерий и эукариот

Согласно этому эволюционному дереву археобактерии и эукариоты отделились от "настоящих" бактерий до того, как они разделились между собой.

Многие археобактерии живут в необычных, часто экстремальных условиях, которые дают представление о тех "доисторических" условиях, в которых зарождалась жизнь.

Например, галофилы ("любящие соль") требуют повышенной концентрации солей в окружающей среде, термоацидофилы ("тепло- и кислото- (acid) -любивые") живут в горячих (80°С) серных источниках, где pH обычно менее 2.

Другие археобактерии живут в бескислородной среде и синтезируют метан соединяя воду и СО₂.