Функции клетки. Рост Киев 2010
Если рассмотреть одну из самых простых систем (единичные клетки, растущие в культуре), то нетрудно заметить, что их рост связан с тремя видами активности. Во-первых, клетки должны быть способны к синтезу (или получению из пищевых источников) всех необходимых компонентов; во-вторых, эти компоненты должны оказаться в подходящий момент в определенном месте клетки, что является необходимым условием сборки соответствующих структурно-функциональных единиц, и, наконец, в-третьих, деление клетки должно быть отрегулировано таким образом, чтобы оно происходило только после того, как будет завершена синтетическая фаза роста. Во всех случаях необходимо, чтобы определенные субъединицы образовывались в клетке одновременно и в непосредственной близости друг от друга или концентрация таких субъединиц была бы достаточно высока для обеспечения их случайной встречи. Из этих соображений следует, что для понимания (в самом общем виде) явления роста мы должны сначала выявить закономерности, лежащие в основе всего лишь двух типов процессов. Такими процессами являются самосборка и все те «механизмы» клетки, которые обеспечивают требуемую для ее роста последовательность смены ряда биологических процессов (их хронологию).
Самосборка Возникновение специфической для каждой белковой молекулы «формы» обусловлено ее самоорганизацией, т. е. процессом, который в очень небольшой мере зависит от внешних (и организующих его течение) воздействий. Различные полипептидные цепи белковой молекулы синтезируются в непосредственной близости друг от друга; возможно, это обусловлено полицистронным характером м. РНК, т. е. тем, что в одной такой молекуле закодирована информация, необходимая для синтеза нескольких полипептидов. Мы знаем, что по крайней мере в одном случае (инсулин) белковая молекула синтезируется в виде одиночной длинной полипептидной цепи, которая затем расщепляется на две связанные друг с другом субъединицы. Генетические локусы, кодирующие синтез родственных ферментов в клетках прокариотов, тесно сцеплены между собой. С другой стороны, генетические локусы в клетках многих эукариотов (в особенности тех, которые мы считаем более сложно организованными) рассеяны по различным хромосомам.
Поэтому можно предположить (конечно, гипотетически), что развитие эндоплазматической сети как раз и было вызвано необходимостью создания аппарата, служащего для сборки различных полипептидных цепей, которые оказалось невозможным синтезировать посредством использования полицистронной м. РНК- В этих условиях очень важное значение приобретает обеспечение должной согласованности во времени протекания в клетке целого комплекса биосинтетических процессов. (Различные цепи какого-либо белка должны синтезироваться одновременно, и при этом для предотвращения возможных ошибок не должен происходить синтез других похожих на них цепей). Это особенно относится к тем случаям, когда поверхность, используема для накопления полипептидных цепей и последующей сборки молекул, не обладает специфичностью.
Субклеточные частицы Альтернативной точкой зрения является предположение, что митохондрия ведет свое «происхождение» от эписомоподобной частицы, держащей первоначально только то количество информации, кот было необходимо для ее воспроизведения. Однако постепенно, по децентрализации определенных внутриклеточных процессов (что было биологически целесообразно), она приобрела некоторые другие функции и соответственно более сложное строение. Тот факт, что эписомы могут быть носителями бактериальных генов (иногда перенося между клетками устойчивость к антибиотикам), можно рассматривать в качестве одного из возможных способов приобретения новой генетической информации, хотя все еще не известно, каковы преимущества такого способа переноса. Эта гипотеза косвенным образом поддерживается фактом существования «нередуцируемого минимума» функций митохондриальной ДНК.
Основная функция митохондриальной ДНК состоит в управлении синтезом структурных белков ее внутренней мембраны. Интересно, что эти белки очень близки по своим свойствам к тем, которые обнаруживаются во всех иных цитомембранах. Не так давно было показано, что РНК, синтезированная внутри митохондрий клеток Неlа (один из видов опухолевых клеток), переносится затем в эндоплазматическую сеть. Функция, выполняемая этой РНК, остается невыясненной. Однако, возможно, этот факт свидетельствует о том, что не вся митохондриальная м. РНК может быть транслирована ее рибосомами. Таким образом, данной гипотезой предполагается, что образование некоторых структурных белков наружной мембраны митохондрий, хотя они и синтезируются в цитоплазме клетки, тем не менее находится под контролем митохондриальной ДНК. Не так трудно сделать еще один шаг в указанном направлении, предположив, что образование белков всех цитомембран закодировано в небольшом числе генов, локализованных в митохондриальной ДНК.
Митохондрии и пластиды являются потомками примитивных прокариотических организмов, живущих теперь как симбионты в цитоплазме тех клеток, которые мы относим к группе эукариотов. По своему строению и составу некоторые хлоропласты очень близки к определенным существующим и поныне сине-зеленым водорослям, а если говорить о сильно извитых внутренних мембранах митохондрий, то можно найти аналогичные структуры в самых различных бактериальных клетках. Как и бактерии, описываемые частицы содержат ДНК, связанную с их мембранами и свободную от гистонов, присутствие которых столь характерно для клеток эукариотов. Вероятно, наиболее убедительными в этом отношении являются следующие факты. Синтез белка в митохондриях блокируется теми же ингибиторами, которые наиболее эффективны именно в отношении бактериальных систем; т. РНК и р. РНК. этих частиц ближе по своим свойствам к бактериальной РНК, а не к РНК, обычно обнаруживаемой в цитоплазме эукариотов. Как митохондрии, так и пластиды размножаются путем деления, напоминающего собой деление бактериальной клетки, и что присущая им способность к изменению формы обусловлена наличием в этих объектах АТФ-зависимого сократительного белка. Совокупность всех этих данных приводит к выводу о несомненном существовании в прошлом некоторого общего для различных клеток (или их частей) предшественника.
Хронология внутриклеточных биологических процессов Вероятно, что функционирование такого сложного объекта, каким является клетка, проходило бы более успешно, если бы синтез субъединиц, необходимых для сборки различных ультраструктур, был разнесен во времени. В этих условиях клетка могла бы свести к минимуму число расточительных перекрестных реакций и резко уменьшить «время поиска» соответствующих молекулярных субъединиц при сборке. Поэтому очевидно, что должна наблюдаться определенная хронология происходящих в клетке процессов. В связи с этим возникает два вопроса: во-первых, является ли общей биологической закономерностью тот факт, что время синтеза в клетке каждого данного соединения занимает только вполне определенную часть времени жизни клетки, и, во-вторых, каков тот конкретный механизм, который обеспечивает такого рода хронологию биологических процессов в клетке?
Рост всех клеток представляет собой циклический процесс, подразделяющийся на ряд этапов: синтез структур, непосредственно участвующих в метаболизме клетки, синтез ДНК (или РНК) и синтез аппарата клеточного деления. Весьма знаменательно, что эти три периода синтетической активности не перекрывают друга в сильной степени, и, следовательно, мы имеем все основания считать, что в клетке существует некоторый механизм, обеспечивающий должную хронологию протекающих в ней процессов (их разнесение во времени).
Регуляция транскрипции Транскрипция закодированной в ДНК генетической информации в полирибонуклеотидную последовательность м. РНК осуществляется специфической ДНК-зависимой РНК-полимеразой. В состав РНКполимеразы (так называемый минимальный фермент) входят одна β 1 -, одна β 2 -, две α- и одна ω-цепи. В активном состоянии фермента к нему присоединяется σ-фактор. Это белок относительно небольшого молекулярного веса (90 000), который необходим для присоединения полимеразы к специфическим участкам ДНК. . После прикрепления полимеразы к ДНК и начала транскрипции σ фактор диссоциирует, и поэтому, очевидно, что его единственная функция состоит в инициации процесса считывания генетической информации. Имеется также ρ-фактор, который ответствен за узнавание терминирующих кодонов, указывающих на окончание считывания (терминацию транскрипции). Этот белок, так же как и σ -факт обратимо связывается с молекулой РНК-полимеразы.
Регуляция процесса транскрипции ДНК в м. РНК осуществляется двумя различными способами. Первый: вероятно, состоит в выработке (или высвобождении ранее синтезированного) σ фактора. В отсутствие σ -фактора РНК-полимераза (которая очевидно, лишена специфичности) не способна связаться с промотором и транскрипция оказывается невозможной. Следовательно, в зависимости от числа промоторов и σ-факторов ген, определяющий образование одного σ -фактора, может одновременно управлять процессом трансляции либо всех других генов, либо ряда генов, расположенных в самых различных местах генома, либо одного гена. Для того чтобы понять существо второго способа регуляции, необходимо обратить внимание на факт, что даже при наличии соответствующего σ -фактора присоединение РНК-полимеразы к промотору не является условием, достаточным для начала транскрипции. Действительно, если с геномоператором связан репрессор, то даже в описываемом случае движение (или прикрепление) полимеразы вдоль ДНК окажется невозможным.
Клеточный цикл у эукариотов Очевидным поворотным пунктом в жизни клетки является митоз. Однако сам по себе этот процесс занимает лишь небольшую часть жизненного цикла клетки; 90% всего времени жизни клетки приходится на стадию интерфазы.
Клеточный цикл. Отдельные стадии жизненного цикла клетки определяются, исходя из количества содержащегося в ее ядре ДНК. На протяжении G 1 -периода происходит транскрипция ДНК, обеспечивая белковый синтез и рост клетки (увеличение ее массы). В S-периоде происходит репликация ДНК, а в G 2 -периоде — дальнейший рост клетки, связанный, в частности, с синтезом белков, необходимых для осуществления митоза. Во время собственно митоза синтеза белка и ДНК в клетке не происходит.
Синхронность клеточного деления Другим подходом к изучению механизма временной регуляции являётся анализ синхронности клеточного деления. Если верно, что для клеток каждого типа характерна фиксированная продолжительность жизненного цикла, то можно ожидать, что в культуре, образовавшейся в результате деления одной клетки (клеточный клон), должен поддерживаться исходный ритм, т. е. деление всех клеток культуры должно происходить одновременно. Это должно проявиться в том, что число клеток в культуре будет удваиваться через определенные и равные интервалы времени.
Рассмотрим обычный случай роста клеток в культуре. Деление клеток в такой популяции происходит асинхронно, причем в какой-либо данный момент времени делится только относительно небольшой процент клеток (5— 10%). Тем не менее время, за которое какая-либо данная клетка популяции проходит свой жизненный цикл (от деления до деления), равно продолжительности цикла, свойственного любой иной клетке культуры. Следовательно, можно думать, что десинхронизация объясняется не нарушением механизма временной регуляции, а тем, что начало деления у разных клеток культуры сдвинуто во времени. Иными словами, возникающие скорее всего под действием различных случайных факторов небольшие сдвиги во времени наступления митоза у различных клеток будут, накапливаясь, приводить к десихронизации культуры.
Нарушение синхронности деления Факторы внешней среды (р. Н, температура, облучение) нарушают синхронность деления. В основе работы любого механизма временной регуляции должны лежать некоторые метаболические процессы, и поэтому случайные факторы, нарушающие метаболизм, будут в различной степени влиять на отдельные клетки популяции. Хотя нарушение синхронности можно считать показателем того, что в разных клетках механизмы временной регуляции не в одинаковой степени «защищены» от внешних воздействий, однако более вероятно, что степень повреждения различных клеток под действием внешних факторов может варьировать случайным образом.
Синхронизация клеточного деления Воздействуя определенным образом на культуру асинхронно делящихся клеток, можно синхронизировать процесс их деления. Способ синхронизации деления клеток в условиях культуры – температурный шок. Любой сдвиг температуры - вверх или вниз от оптимального значения — замедляет рост клеток. Можно думать, что не все внутриклеточные процессы в равной мере чувствительны к изменениям температуры; естественно полагать, что некоторые периоды жизненного цикла характеризуются особенно высокой чувствительностью к температурным воздействиям. Следовательно, температурный шок будет оказывать значительно более выраженное действие на клетки, находящиеся в этом наиболее чувствительном периоде жизненного цикла или близко к этому периоду. Клетки же, находящиеся в другом периоде, как бы «догоняют» клетки, «застрявшие» в этом наиболее чувствительном периоде. Поскольку большая часть клеток не способна выжить при температуре, существенно отличающейся от оптимальной, синхронизировать культуру однократным длительным температурным воздействием обычно не удается. Гораздо чаще клетки подвергают воздействию периодических колебаний температуры, чередуя нормальную температуру с «шоковой» ; при этом каждый следующий цикл повышает уровень синхронизации.
Синхронизации клеточного деления можно добиться истощением запасов энергии. Например, клетки эпидермиса, не способные к накоплению резервных углеводов, не будут делиться в отсутствие глюкозы. При добавлении к среде глюкозы (в присутствии кислорода) клетки начнут делиться; при этом достигается высокая степень синхронизации. Очевидно, что в этом случае блокируется некоторый процесс, требующий определенной затраты энергии, в результате чего остановка деления происходит на определенной стадии клеточного цикла.
Инициация клеточного деления Перечень стимуляторов (ингибиторов) клеточного деления очень велик. Однако на основе вызываемого ими эффекта эти вещества можно подразделить на три важнейшие группы: 1) влияющие на содержание сульфгидрильных групп в клетках; 2) действующие на белок-синтезирующую систему (на уровне транскрипции или трансляции) и 3) изменяющие свойства плазматической мембраны.
Инициация синтеза ДНК Клетки эукариотов содержат несколько (иногда много) хромосом, и поэтому следует предполагать, что в них имеется несколько (иногда много) реплицирующихся единиц, или репликонов. Их репликация не обязательно должна проходить одновременно; быть может, именно этим отчасти объясняется тот факт, что продолжительность S-периода у эукариотов бывает относительно большой. Уже давно предполагалось (а недавно было доказано), что репликация сильно конденсированных (гетерохроматиновых) участков хромосом не совпадает по времени с репликацией эухроматиновых участков. Как правило, гетерохроматин реплицируется на относительно более поздних стадиях S-периода. К тому же известно, что эухроматин, «вкрапленный» в гетерохроматиновую У-хромосому, реплицируется с обычной для эухроматина скоростью, что указывает на определенную автономность последнего от соседнего с ним гетерохроматина. Данное наблюдение приводит к выводу, что в структурном отношении репликон не тождествен хромосоме. Эухроматиновые и гетерохроматиновые участки одной и той же хромосомы ведут себя как различные репликоны.
Особого рода синтез ДНК может быть инициирован в экспериментальных условиях действием мутагенов. При облучении нереплицирующихся ядер отмечается позднее включение в хромосомы 3 Н-тимидина. По-видимому, некоторые (если не все) повреждения, вызванные облучением, репарируются посредством синтеза новой ДНК. С этим выводом хорошо согласуется тот факт, что метка в этих случаях распределяется по хромосомам случайным образом и не образует обычной для данных клеток картины распределения. Учитывая эти и некоторые другие данные, не приходится сомневаться в том, что репарация поврежденной ДНК действительно имеет место. К сожалению, репарационный синтез ДНК можно измерить лишь при ее серьезном повреждении. Если речь идет о репарации нескольких небольших участков ДНК, то общее количество включенной метки будет настолько мало, что его не удается обнаружить в эксперименте. Поэтому мы не в состоянии уловить репарационный синтез в нормальных клетках. А вместе с тем, поскольку такой механизм существует, можно полагать , что он постоянно функционирует, уменьшая вероятность мутаций.
Дифференцировка ядер Ядра клеток подвергаются дифференцировке и все другие события, происходящие при этом в клетках, связаны с изменением их генома. Иногда судьба клетки (ее последующая специализация) предопределяется еще на уровне первого дробления; во многих же случаях она определяется на ранних этапах образования бластулы. В каждом случае клетки в конечном счете проходят строго определенный путь развития, сопровождающийся специализацией их структуры и функции; этот процесс и представляет собой то, что мы называем клеточной дифференцировкой. Поэтому принято говорить, что в процессе эмбриогенеза происходит изменение потенций клеток, начиная с яйцеклетки (которая способна дать начало всем типам клеток, свойственных данному организму) и кончая высокодифференцированной клеткой (которая способна к образованию клеток только одного типа).
Ядерная дифференцировка не сопряжена с необратимой потерей ( умножением) отдельных частей генома. Эта интерпретация согласуется с результатами обширных исследований по регенерации конечностей, процессу, который возможен лишь при частичной дифференцировке определенных клеток, а также с работами по выращиванию целого растения из одной соматической клетки. Вместе с тем должно быть очевидным, что в процессе эмбриогенеза генетическая информация, содержащаяся в ядре, изменяется; в некоторых случаях это изменение может выразиться в почти полной репрессии генома.
Хромосомы эукариотов Хромосома эукариотов значительно более развита в структурном отношении к прокариотам и образована главным образом ДНК и белком. РНК в хромосоме слишком мало, чтобы она могла выполнить в ней какую-либо структурную функцию. Очевидно, что и липидов в хромосоме недостаточно для образования какойлибо мембранной структуры. Основываясь на молекулярном составе хромосом, можно предложить следующие три типа их строения: хромосома может быть построена из белка, несущего на свой поверхности молекулы нуклеиновой кислоты; она может быть представлена гигантской молекулой ДНК, окруженной хромосомными белками (т. е. в точности, как вирусная частица), и, наконец, она может состоять из чередующихся белковых нуклеиновокислотных единиц, присоединенных друг к другу конец в конец.
Хромосомные белки На долю белков приходится около половины массы хромосом, причем большую их часть составляют гистоны. Эти относительно небольшие молекулы с высоким положительным зарядом, вероятнее всего, связаны с отрицательно заряженной молекулой ДНК посредством электростатических взаимодействий. Их молекулярный вес лежит в диапазоне 10 000— 20 000. Гистоны обычно подразделяют на три основных класса: богатые аргинином, умеренно богатые лизином и богатые лизином. Каждый из этих классов может быть с свою очередь подразделен на два или более подклассов, однако, по-видимому, общее число разных гистонов не превышаете 10. Синтез гистонов происходит одновременно с ДНК на протяжении S-периода. Протамины представляют собой особую группу гистонов и характеризуются очень низким молекулярным весом (3000— 5000). Они обладают сильно выраженными основными свойствами и встречаются преимущественно в сперматозоидах рыб и некоторых видов птиц. Около 2/3 входящих в их состав аминокислотных остатков представлено аргинином; остальная часть молекулы приходится на долю аланина и пролина. Число существующих видов протаминов очень невелико—скорее всего их три.
Амплификация генов Количество ДНК, приходящееся на одну клетку, является постоянной характеристикой каждого данного вида организмов или типа клеток (некоторые клетки организма могут быть полиплоидными). Однако тесной корреляции между содержанием ДНК в ядрах клеток и того или иного организма и эволюционным положением этого организма не существует. Если же учитывать минимальное количестве ДНК, обнаруженное в клетках каждого типа (или класса) организмов, то между этой характеристикой и положением организма на филогенетическом древе обнаруживается грубая корреляция. По-видимому, не вся содержащаяся в клетках генетическая информация используется организмом. Часть генетического материале утратившего функциональное значение, просто передается из поколения в поколение в процессе митоза.
Возможное объяснение высокого содержания ДНК в ядрах эукариотов состоит в том, что различные клетки многоклеточного организма выполняют существенно различные функции и поэтому каждая из клеток должна содержать относительно большое количество генетической информации. Любой данной клетке в любой произвольно выбранный момент времени было бы вполне достаточно того количества ДНК, которое содержится в бактерии. Другим объяснением избыточности ДНК может служить феномен, получивший название амплификации генов. Это явление, по-видимому, позволяет клетке создавать большое количество РНК для поддержания белкового синтеза на достаточно высоком уровне. Такая способность особенно важна для специализированной клетки, но и у нормально делящейся клетки в жизненном цикле существуют моменты, когда возникает необходимость в быстром синтезе того или иного белка, например в период формирования митотического веретена.
Регуляция дифференцировки Для эукариотов характерны такие специфические процессы, как переход отдельных участков хромосомы в неактивное (конденсированное) состояние и интенсивная амплификация генов, расположенных в других ее участках. Однако ни один из этих процессов не связан с необратимым изменением генетического материала. По всей вероятности, хромосомные белки, которых нет у прокариотов, создают в клетках эукариотов новый уровень регуляции. Поскольку характер распределения гетерохроматиновых участков в хромосомах зависит от достигнутой клеткой стадии развития и поскольку имеются весьма убедительные данные о том, что некоторые белки способны вызывать дерепрессию функционально неактивных участков хромосомы, есть все основания предполагать, что даже крайние проявления процесса дифференцировки, наблюдаемые у эукариотов, могут быть обусловлены позитивным контролем генетических функций.
Старение и смерть С понятием роста неразрывно связано понятие смерти. Очевидно, что клетки могут погибнуть под действием различных вредных факторов, однако гораздо более интересно рассмотреть вопрос о том, погибают ли клетки «от старости» .
В определенном смысле человеческое тело можно уподобить хемостату. Почки отфильтровывают и удаляют токсичные продукты, легкие и органы кровообращения поддерживают необходимую величину парциального давления кислорода и т. д. Однако этот хемостат в целом далек от совершенства и слишком часто «ломается» . Несомненно, что стоящая перед нами проблема серьезно осложняется тем фактом, что в данном случае один и тот же «аппарат» служит для поддержания жизнедеятельности самых разнообразных клеток. Как правило, многоклеточности сопутствует процесс дифференцировки; однако по мере функциональной специализации клеток происходит дивергенция их потребностей, которая достигает такой степени, что уже никакая единая регуляторная система не может удовлетворять их полностью. Вместе с тем имеются данные, указывающие на потенциальное бессмертие зародышевых клеток. В некотором смысле можно сказать, что яйцеклетки развиваются до организма только для того, чтобы образовать еще большее число яйцеклеток, и т. д. Большинство исследований указывают на то, что первичные половые клетки обособляются на самых ранних стадиях эмбриогенеза, обеспечивая таким образом непрерывность линии зародышевых клеток. Отсюда следует, что данные постоянно делящиеся клетки не стареют. Конечно, непрерывность существования зародышевых клеток зависит от функционирования других дифференцированных клеток организма (выполняющих роль хемостата). Можно без преувеличения утверждать, что старением соматических клеток вид расплачивается за бессмертие зародышевых.