Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
полового размножения, однако, необходимы зародышевые клетки. Процесс полового размножения столь хорошо известен, что кажется простым, хотя он несомненно сложнее неполового воспроизведения и требует мобилизации значительных ресурсов. Две особи одного вида, но разного пола обычно производят совершенно различные зародышевые (половые) клетки: одна особь - яйцеклетки, другая - сперматозоиды. Яйцеклетка сливается со сперматозоидом с образованием зиготы - клетки, генотип которой представляет собой случайным образом перетасованный набор генов двух родителей. Практически все виды эукариот, как многоклеточ- 49 ные, так и одноклеточные (даже те, которые могут размножаться другими способами), способны к половому размножению. Развитию полового размножения вместо более простых стратегий, основанных на обыкновенном делении клеток, должны были способствовать мощные силы естественного отбора. Хотя трудно с уверенностью указать все преимущества, которые дает при отборе половое размножение, ясно по крайней мере, что этот процесс создает возможность перетасовывания и комбинирования генов. Половое размножение могло сыграть ведущую роль в эволюции новых генов и их комбинаций и таким образом внести свой вклад в бесконечное разнообразие форм и функций современных растений и животных. 1.3.9. Клетки позвоночных имеют более 200 различных типов специализации Число различных специализаций, которые можно обнаружить у клеток высших животных, неизмеримо больше, чем у любого прокариотического организма. У позвоночных четко различают более 200 клеточных типов, причем многие из них, видимо, объединяют под общим названием большое количество более тонко различающихся вариантов. На схеме 1-2 представлено лишь несколько типов клеток. Несмотря на чрезвычайное разнообразие функций клеток, даже в пределах одного организма можно убедиться в их удивительной универсальности. Многие современные представления об общих свойствах клеток эукариот основаны на изучении специализированных типов, у которых исключительно сильно развито определенное полезное свойство, в той или иной степени присущее всем клеткам. Каждая особенность и каждая органелла (представленные на схеме 1-1) развиты в необычайно высокой степени или особенно четко выражены у того или другого типа клеток. В качестве произвольного примера рассмотрим нервно-мышечное соединение, в образовании которого участвуют клетки трех типов: мышечные, нервные и шванновские. Клетки каждого типа играют только им присущую роль (рис. 1-37). 1. Специализация мышечной клетки - сокращение. Ее цитоплазма заполнена упорядоченными рядами белковых нитей, в том числе актиновых. В промежутках между ними находится множество митохондрий, поставляющих АТР в качестве топлива для сократительного аппарата. 2. Нервная клетка стимулирует сокращение мышцы, подводя к ней возбуждающий сигнал от головного или спинного мозга. Поэтому нервная клетка необычайно вытянута: ее тело, содержащее ядро, может находиться на расстоянии метра или более от места соединения с мышцей. В процессе эволюции у нервных клеток появился хорошо развитый цитоскелет, необходимый для поддержания столь необычной формы и эффективного транспорта веществ из одного конца клетки в другой. Однако ключевая специализация нервной клетки связана с ее плазматической мембраной, содержащей белки, которые образуют ионные насосы и каналы и вызывают передвижение ионов, эквивалентное электрическому току. Хотя такие насосы и каналы имеются в плазматической мембране всех клеток, только нервная клетка использует их таким образом, чтобы электрический импульс мог распространиться от одного конца клетки до другого за какую-то долю секунды и передать сигнал к действию. Рис. 1-37. Схематическое изображение нервномышечного соединения: отросток нервной клетки, окруженный миелиновой оболочкой, контактирует с мышечной клеткой. 50 Рис. 1-38. Микрофотография (сканирующий электронный микроскоп) нейтрофила - одного из представителей лейкоцитов - поглощающего дрожжевую клетку. (Из J. Воyles, D.F. Bainton, Cell, 24, 905-914, 1981. © Cell Press.) 3. Наконец, шванновские клетки специализированы для массового «производства» плазматической мембраны, которую они слой за слоем, как ленту, навивают на вырост нервной клетки так, что получается служащая изолятором миелиновая оболочка. 1.3.10. Клетки иммунной системы специализируются на химическом узнавании Из всех имеющихся у высших животных клеточных систем две по сложности и тонкости организации достигли высшей степени развития. Это иммунная система и нервная система позвоночных. Каждая из них далеко превосходит любой искусственный прибор: иммунная система - по способности к химическому распознаванию, а нервная система - по способности к восприятию и управлению. Каждая система состоит из многих различных типов клеток и основана на взаимодействии между ними. Защищенная от внешних воздействий и тщательно поддерживаемая внутренняя среда многоклеточного организма благоприятна не только для собственных клеток животного - она притягательна также и для посторонних организмов. Следовательно, животным необходимо защитить себя от вторжений, в особенности от вирусов и бактерий. Первоочередная задача иммунной системы состоит в уничтожении любых проникнувших в тело животного чужеродных микроорганизмов. Как указывалось выше, многие эукариотические клетки способны к фагоцитозу: они могут поглощать извне частицы различных веществ и переваривать их. Среди дифференцированных клеток высших животных есть «специалисты» по фагоцитированию, например макрофаги, способные проглатывать и уничтожать бактерии и другие клетки (рис. 1-38). Но тут возникает одно осложнение: хорошо, когда фагоциты атакуют вторгнувшиеся извне клетки, но для организма было бы губительным, если бы они стали нападать также на близких родственников и коллег. Таким образом, иммунная система должна отличать собственные клетки от чужеродных, т.е. уметь распознавать «свое» и «чужое». Для этой цели у позвоночных развился специальный класс узнающих клеток - лимфоциты. Сами по себе лимфоциты не являются фагоцитами, но кооперируются с последними, посылая им сигналы, показывающие, следует ли атаковать данную клетку или оставить ее в живых. В частности, некоторые лимфоциты (В-лимфоциты) вырабатывают специальные белковые молекулы - антитела, избирательно связывающиеся с определенными атомными группами на поверхности чужеродных организмов или производимых ими токсичных молекул. Чтобы пометить новый, вторгнувшийся извне организм как чужеродный, должен быть произведен новый класс антител, но, поскольку количество возможных чужеродных организмов очень велико и практически непредсказуемо, В-лимфоциты должны быть способны к синтезу бесконечного разнообразия антител. В то же время иммунная система не должна производить антитела, связывающиеся с собственными молекулами и клетками организма. Огромное разнообразие антител создается уникальными генетическими механизмами, благодаря их существованию в организме синтезируются миллионы генетически различных лимфоцитов, каждый из них при пролиферации формирует клон, все члены которого вырабатывают одно и то же специфическое антитело. Те клоны из этого множества, которые вырабатывают антитела, реагирующие с собственными молекулами организма, уничтожаются или подавляются (с помощью все еще не ясных механизмов), а те, которые продуцируют антитела против 51 чужеродных молекул, избирательно выживают и размножаются. Таким образом, развитие иммунной системы индивидуального животного, подобно эволюционному процессу, использует стратегию случайных изменений с последующим отбором. 1.3.11. Нервные клетки позволяют организму быстро адаптироваться в изменяющихся условиях [17, 18] Наличие иммунной системы - признак, свидетельствующий о высокой организации позвоночных и отличающий их от низших животных, у которых лимфоциты отсутствуют. Нервная система, напротив, имеется практически у всех многоклеточных животных. Ее роль состоит в обеспечении еще более фундаментальной потребности - потребности в быстром адаптивном ответе на внешние события. На протяжении многих поколений эволюция совершенствует структуру организма, доводя ее до оптимальной, и приводит ее в соответствие со средой обитания. Однако в подавляющем большинстве экологических ниш наблюдаются изменения, которые происходят слишком быстро для того, чтобы могла выработаться эволюционная адаптация. В этих условиях наиболее приспособленными окажутся организмы, способные к адаптации иного рода, не требующей генетических мутаций, но тем не менее модифицирующей поведение в соответствии с изменившимися обстоятельствами. Если последовательность изменений окружающей среды полностью предсказуема, наподобие смены дня и ночи или зимы и лета, автономные изменения организма по соответствующему расписанию могут быть генетически запрограммированы. Так, фотосинтезирующая активность принадлежащего к динофлагеллятам одноклеточного организма Gonyaulax (рис. 1-39) обнаруживает 24-часовую периодичность, поддерживающуюся, даже если организм в течение недели содержать в условиях постоянного освещения. Такие биологические часы есть и у многих других организмов, но механизм их действия все еще не разгадан. Однако большинство изменений, происходящих в окружающей среде, не предсказуемы. Например, бактерии, обитающие в кишечнике, подвергаются нерегулярным колебаниям состава и количества доступного для них питания, и любая бактерия, способная подстраивать свой метаболизм к этим изменениям, будет иметь преимущество над бактерией, не способной к такой реакции. Поэтому бактерии приобрели способность регулировать скорость синтеза своих метаболических ферментов в зависимости от концентрации питательных веществ в окружающей среде. Для сопряжения внешнего стимула с адаптивным ответом служат Рис. 1-39. А. Ритм свечения фотосинтезирующего простейшего Gonyaulax polyedra, соотнесенный с теоретической кривой. Средний период ритма свечения равен 22 ч 58 мин, а отклонение для индивидуальных клеток в популяции составляет в сутки ± 18 мин. Б. Микрофотография (сканирующий электронный микроскоп) Gonyaulax. (А - из D. Njus, V.D. Gooch, J. W. Hastings, Cell Biophys., 3, 223-231, 1981; Б - с любезного разрешения John Dolge.) 52 Рис. 1-40. Сравнение гормональной и нервной сигнализации. Эндокринная клетка при стимуляции высвобождает гормоны в кровяное русло, и циркулирующие гормоны вызывают ответ в любой клетке, чувствительной к ним, независимо от того, где она находится. Нервная клетка при стимуляции генерирует потенциал действия, распространяющийся вдоль аксона и быстро запускающий высвобождение нейротрансмиттера с окончания аксона; нейротрансмиттер действует только на клетки, находящиеся в непосредственной близости от окончания аксона. специальные управляющие молекулы (такие, как циклический AMP, сАМР). У многоклеточного организма сигнал, связывающий восприятие с действием, должен, как правило, передаваться от одних клеток к другим. Так, подстройка метаболизма часто осуществляется гормонами, которые, будучи секретированы одной группой клеток, путешествуют в тканях и вызывают ответ в других группах клеток. Но гормону требуется много времени, чтобы пройти большое расстояние, кроме того, он при этом диффундирует во все стороны. Чтобы химический сигнал передавался быстро, он должен испускаться вблизи своей мишени, тем же путем достигается точная локализация действия сигнала. Но если химический сигнал должен испускаться вблизи мишени, то как же можно использовать такой способ связи для сопряжения восприятия с реакцией на него в удаленной части организма? Проблему решают нервные клетки. Один их конец чувствителен к химическим или физическим стимулам, а другой - продуцирует химический сигнал - нейромедиатор, действующий на другие клетки (рис. 1-40). Стимуляция одного конца клетки вызывает электрическое возбуждение, которое быстро распространяется до другого конца, где вызывает высвобождение нейромедиатора. Такое сигнальное устройство позволяет многоклеточным животным быстро реагировать на изменчивый окружающий мир, а также точно координировать активность далеко отстоящих друг от друга частей тела. 1.3.12. Связи между нервными клетками определяют тип поведения Одиночный нейрон человека не очень отличается от одиночного нейрона червя. Преимущество нервной системы человека основано на огромном количестве входящих в нее клеток и, самое главное, на способе их соединения друг с другом, который и определяет возможности нейронов в передаче, комбинировании и интерпретации сенсорных сигналов, а также в координации сложных последовательностей действий. Чтобы понять клеточные основы эволюции нервной системы, необходимо рассмотреть механизмы, с помощью которых эмбриональные нервные 53 Рис. 1-41. Микрофотография изолированной нервной клетки куриного эмбриона, помещенной в культуральный сосуд с питательным раствором. У клетки появляются длинные выросты, каждый из которых продвигается с помощью структуры, называемой конусом роста. (С любезного разрешения Zoltan Gabor.) клетки приобретают фантастически сложные формы и достигают строго упорядоченного способа их соединения (рис. 1-41). Некоторое представление об изумительной сложности и организованности сетей, которые сплетают развивающиеся нервные клетки, дает зрительная система мухи (рис. 1-42). Строение всей этой структуры задано генетически, и развитие ее происходит нормально даже в отсутствие света. При анализе развития нервной системы обнаруживается, что у всех видов оно основано на одних и тех же фундаментальных принципах: одинаковые механизмы используются для клеточного движения, межклеточной адгезии, химической сигнализации и т.д. Эволюция сложной нервной системы основывается прежде всего на эволюции сложных контрольных механизмов сочетания и координирования этих главных типов клеточного поведения. Характер связей между нервными клетками определяет поведение животного. Без всякого обучения и опыта самец мухи спаривается с самкой, паук плетет свою паутину, птицы летят на юг. Все эти действия предначертаны в ДНК этих видов, которая контролирует поведение отдельных клеток при построении нервной системы у эмбриона и работу нервной системы у взрослого организма. Но не всякое поведение генетически детерминировано, важное значение имеет и собственный опыт животного. Лишение развивающегося млекопитающего сенсорных стимулов может изменить микроструктуру 54 Рис. 1-42. А. Вид в сканирующем электронном микроскопе головы плодовой мушки (Drosophila). С двух сторон головы расположены два больших сложных глаза, состоящие из множества элементов, называемых омматидиями. Каждый омматидий имеет свою линзочку, фокусирующую свет на группу находящихся в его основании клеток-фоторецепторов. Б. Схематическое изображение нейронных связей в наружном слое глаза мухи, видимых на вертикальном срезе. Свет проникает в каждый омматидий сложного глаза и фокусируется на одну из восьми находящихся в основании омматидия фоточувствительных клеток-рецепторов (здесь показаны лишь пять из них). Из-за кривизны сложного глаза свет от удаленного точечного источника фокусируется в разных омматидиях на разные фоточувствительные рецепторы. Однако короткие аксоны фоторецепторов, «смотрящих» на одну и ту же точку, переплетены таким образом, что оказываются подсоединенными к одному и тому же идущему в мозг насекомого пучку аксонов. В каждом глазу мухи присутствует более тысячи таких аксонных пучков, причем каждый из них в ходе индивидуального развития точно присоединяется к правильному набору фоторецепторов. В. Сеть нервных клеток участка мозга мухи, получающего и обрабатывающего входной сигнал от омматидиев. (А - с любезного разрешения Rudi Turner and Antony Mahowald; В - из N. Stausfeld, Atlas of an Insect Brain. New York, Springer, 1976.) мозга. Взрослые животные почти всех видов - от кишечнополостных до человека - в той или иной степени способны к обучению. По определению обучение - это результат опыта и, следовательно, электрической активности нервных клеток, которая должна приводить к длительным изменениям нейронных связей. Детальная расшифровка этих механизмов является одной из центральных задач современных нейробиологических исследований. Многие нейронные связи мозга, позволяющие нам читать, писать и говорить, появляются в результате обучения и отражают негенетический тип наследования. Обучение и обмен информацией дали возмож- 55 ность человеку как виду адаптироваться таким способом, который для менее высокоорганизованных существ возможен только лишь путем генетической эволюции. Тем не менее ясно, что даже эти очень сложные способности, лежащие в основе нашей культуры и общества, имеют в своей основе тонкие особенности поведения клеток - правила, по которым нейроны на долгое время модифицируют свои связи в результате электрической активности. Конечно, изучая лишь единичные клетки, мы не поймем, как устроен многоклеточный организм, точно так же, как мы не поймем устройства клетки, анализируя отдельные биологические молекулы. Но все же, не 56 Рис. 1-43. Эволюционное родство между некоторыми упомянутыми в этой книге организмами. Ветви древа показывают пути общего происхождения, но их длина не отражает реального временного масштаба. (Отметим также, что вертикальная ось диаграммы демонстрирует не время, а основные категории организмов.) зная строения клетки, мы не можем рассчитывать на полное понимание работы организма. И мы не можем как следует разобраться в механизмах функционирования клетки, не зная составляющих ее молекул. Таким образом, обсуждение живой клетки, к которому мы переходим в следующей главе, должно начинаться с описания входящих в ее состав молекул. Заключение Эволюция крупных многоклеточных организмов связана со способностью эукариотических клеток по-разному экспрессировать наследственную информацию, а также с умением этих клеток функционировать сообща. Одним из наиболее ранних этапов на пути к многоклеточности было |