Армия иммунитета. Как два триллиона микроскопических существ хранят ваше здоровье и как им помочь

Приставка или суффикс «-цит-» обычно указывает на связь с клеткой. Запомните, не раз еще пригодится.

Цитоскелет состоит из микротрубочек и разнообразных нитевидных структур. А строится цитоскелет путем самосборки и самоорганизации. По сути, сам по себе. Магия? Нет. Биохимия!

Микротрубочки цитоскелета состоят из белка тубулина. А нитевидные структуры – из белка актина. Тубулин и актин – это сложные мономеры (ага, мы уже знаем это слово!), одинаковые молекулы, которые могут полимеризоваться (соединяться в длинные цепи). Белки тубулина при самосборке образуют полые трубочки. А из белков актина получается спирально закрученная нить.

Происходят процессы полимеризации и обратного распада сами по себе, но напрямую зависят от определенных факторов. Влияют на это температура, кислотность, количество кирпичей-мономеров и даже сила отталкивания строящейся нити от препятствий. А так как процесс сборки и разборки полимеров происходит автоматически, но зависит от различных условий, то, изменяя эти условия, клетка может своим цитоскелетом… управлять! И клетки тут являются не совсем строителями в нашем понимании – у них ведь нет рук и инструментов. Они выступают, как бы это назвать… биохимическими дирижерами.

Среднестатистический клеточный скелет выглядит так: микротрубочки растут из клеточного центра и расходятся во все стороны на периферию к мембране (рис. 24). Актиновые нити часто и густо располагаются прямо под мембраной, образуя каркас, эдакий пружинистый матрасик, который помогает поддерживать форму.

Рис. 24. Цитоскелет клетки: микротрубочки из тубулина расходятся из центра на периферию, нити актина расположены под клеточной мембраной

Для шибко любознательных

Такие хитроумные белковые молекулы не появились сразу из ниоткуда – это итог длительного эволюционного отбора. Благодаря биохимической эволюции в условиях, заданных законами химии и физики, путем бесчисленных проб и ошибок, в распоряжении клеток оказался биохимический конструктор, способный «строить сам». Самосборка молекулярных полимеров (тубулин, актин) или фибриллярных белков (коллаген, эластин) может проходить как с затратой энергии, так и без – путем других химических взаимодействий (ковалентные сшивки, водородные связи и т. д.). А на запуск или скорость процесса могут влиять температура, кислотность среды, ферменты (катализаторы) и другие условия.

Вообще, менять форму скелета по желанию – это очень круто, согласитесь. Если бы мы так умели, то были бы способны сплющиваться в блин и протискиваться в самые узкие щели. Или отращивали ноги подлиннее, опаздывая на работу. Но цитоскелет клетки устроен довольно просто, потому, обладая запасом тубулина и актина, клетка может быстро собрать и разобрать свой внутренний конструктор. А человеческий скелет по сравнению с этими молекулярными технологиями – это уже переход с микро- на макроуровень. Кость – сложнейшая постройка из миллионов клеток (у каждой из которых есть свой цитоскелет!) и хитроумно сложенных белковых волокон, да еще и покрытых кристаллами кальция. Попробуй-ка все это хозяйство быстренько разбери-собери.

Но кое-какие возможности перестраивать свой скелет и у нас тоже имеются! Да, мы не можем, как макрофаг, отрастить себе ногу там, где вздумается, и кости с возрастом теряют способность расти в длину. Но ученые выяснили, что в ответ на физические нагрузки кости становятся плотнее и крепче, а при длительной бездеятельности – наоборот, теряют плотность. И скелет космонавта, и скелет прикованного к постели человека всего после нескольких месяцев отсутствия механических нагрузок становятся очень хрупкими. А под влиянием занятий спортом кости укрепляются, да так, что меняется даже их внешний вид: они становятся массивнее и толще, а выступы, гребни – более выраженными (изменения зависят непосредственно от вида спорта). Так что не только ваши клетки, но и вы тоже перестраиваете свой скелет на протяжении всей жизни. А вот хорошую сторону или не очень – это зависит от того, что вы делаете (в частности, от питания, вида и уровня нагрузок). В общем, сказать, что мы совсем уж не можем перестраивать свой скелет, будет не совсем верным, так что не будем расстраиваться.

Пожалуй, хватит про скелет, давайте про мышцы. Настоящих мышц, естественно, у клеток тоже нет. Потому как мышца – это сложный орган, который сам состоит из клеток (как и кости). Но некое упрощенное подобие мышц у клеток имеется: представлено оно нитями упомянутого актина, по которым передвигаются молекулы другого белка, миозина. В этом процессе участвуют ионы кальция, без кальция никто никуда не поедет. То же самое происходит, кстати, и в ваших мышцах – именно потому они имеют способность сокращаться и растягиваться. Вот только в ваших мышечных клетках тубулина и актина очень много, эти белки строго упорядочены в толстые волокна. А в обычных клетках (в частности, у простейших) актин и миозин образуют некое подобие тонкой сеточки. Но она также способна сокращаться. Выглядит это примерно так, как показано на рис. 25.

Итак: у клетки есть скелет, мышцы. Но как все это позволяет ей передвигаться, да еще и целенаправленно? Клетка ведь не слоняется куда попало, как пьяная. Ее поведение и движение порой поражают своей точностью! Что ж, если интересно немного подробнее разобраться в технике движения клеток, стоит обратиться к тем, кто больше всех в этом преуспел. Собственно, к амебам.

Рис. 25. Растянулись – сократились! Мышцы у клетки так себе

Для ЛЛ

У клетки есть самосборный скелет и самосборные мышцы.

«Перед» и «зад» – по мере необходимости

Аристотель сказал: «Движение – это жизнь, а жизнь – это движение» – и оказался прав во многих смыслах. Поиск ресурсов, партнеров, освоение новых территорий – все это чаще всего требует способности активно перемещаться. Потому история эволюции приспособлений для движения у жизненных форм началась очень рано, уже на стадии первых одноклеточных.

Если нанести на предметное стекло каплю ила из пруда или застойной лужи и посмотреть в микроскоп, мы увидим там весьма оживленную тусовку. Носятся мелкие инфузории, чинно перетекает куда-то амеба, вращается в толще воды жгутиконосец, а диатомовые водоросли «утюжат» вперед-назад. Даже мельчайшие бактерии, которых едва можно рассмотреть в световой микроскоп, далеко не все сидят на месте. Приспособления для перемещения одноклеточных отличаются большим разнообразием: реснички, жгутики, реактивное движение, осциллирующее (колебательное) движение. Встречаются способы локомоции, аналогов которым нет у многоклеточных животных от слова «совсем»: это как раз передвижения амеб при помощи «переливания» цитоплазмы из одного участка клетки в другой.

Но как жидкая цитоплазма может помочь в движении? Нам сложно даже представить, что можно двигаться, переливая внутри себя жидкость…

Хе. Дело в том, что цитоплазма внутри клетки – это не просто раствор. Основоположник научной микроскопии Антони ван Левенгук (это он, кстати, дал инфузориям название «инфузория») описывал клетку как мешочек с кашей. Но все оказалось интереснее. В цитоплазме клетки присутствуют ионы (вещества, несущие положительный или отрицательный заряд), разнообразные молекулы и крупные молекулярные агрегаты. Часть воды связывается с этими веществами, образуя два разных состояния: золь или гель. Золь – структура типа «твердое в жидком», та самая рыхлая кашица. А гель – типа «жидкое в твердом», что-то вроде плотного желе или холодца.

Регулируя структуру цитоплазмы от золя к гелю (от кашицы к холодцу), клетка может перетекать, а потом застывать, как желейная конфетка, фиксируя форму. Так что цитоплазма не так проста, как кажется, и вполне себе способна участвовать в изменении формы клетки.

Однако в гипнотизирующем перетекающем движении амебы участвует не только цитоплазма, но и весь цитоскелет существа: актиновые волокна и актин-миозиновая сеть.

Как клетке вообще приходит в голову (или что у нее там) начать куда-то двигаться? В ответ на определенный значимый стимул (световой, химический, температурный) в клетке запускается перестройка скелета. Если сигнал желанный для клетки (например, след чего-то вкусного), в эту сторону начинает расти целый букет актиновых волокон. Само по себе быстрое удлинение нитей актина приводит к возникновению движущей силы в направлении роста этих нитей. Так образовывается выпуклость – та самая пресловутая ложноножка, или псевдоподия. Она будет тащить клетку в направлении положительного стимула в надежде, что там можно будет чем-то полезным поживиться.

В ответ на отрицательный стимул (например, яркий свет, который для существа может быть опасен) цитоскелет тоже начнет удлиняться, но только в противоположном направлении. Чтобы утащить клетку подальше от неприятностей.

Таким образом на время движения определяется передний и задний конец амебы. Не удивляйтесь: это у вас передний и задний конец всегда на одном месте с рождения. Но это вовсе не значит, что так у всех. У амебы, как видите, все условно: перед и зад у нее появляются по мере необходимости (у макрофага, кстати, тоже). Ползет влево, значит, зад – справа.

Но вернемся внутрь клетки (рис. 26): пока в нужную сторону растет пучок актина, цитоплазма на переднем конце выпячивающейся псевдоподии растворяется в золь (кашу). А по краям застывает в гель (холодец). Это дает возможность фиксировать форму псевдоподии, но при этом продолжать расти-тянуться вперед.

Рис. 26. Образование псевдоподии у клетки амебы: структуры актинового цитоскелета распадаются на мономеры (на заднем конце клетки), стрелками указано, куда они движутся с током цитоплазмы. На переднем конце актиновые мономеры полимеризуются в нити, которые удлиняются и выталкивают вперед псевдоподию

Одновременно с удлинением ноги сеточка актин-миозиновых волокон (клеточная мышца) на заднем конце амебы сокращается, выдавливая цитоплазму вперед, как пасту из тюбика. Цитоплазма в ответ на сдавление послушно перетекает в направлении движения.

В это время цитоскелет на заднем конце распадается на составные мономеры, которые потоком перетекающей цитоплазмы переносятся на передний конец. Там эти мономеры используются для постройки каркаса растущей псевдоподии. То есть на заднем конце клетка разбирает свои внутренние постройки на кирпичи, а на переднем удлиняет ими новую ногу.

Интересно, что когда длинная молекула полимера на одном конце разбирается и укорачивается, а на другом надстраивается и удлиняется, она постепенно продвигается в пространстве и может так уползти на приличное расстояние! В большом мире трудно найти аналоги такому типу движения, а в физической химии его называют «протягивание».

Если выросшая псевдоподия благополучно закрепилась за что-нибудь, то вся амеба подтянется вслед за ней, а если нет, то произойдет обратная разборка цитоскелета и псевдоподия втянется обратно. Бывает такое, что амеба образует несколько выростов в противоположные стороны, – это можно назвать «нерешительностью». Задумчивая амеба похожа на расплывшуюся кляксу (рис. 27): псевдоподии тянут ее в разные стороны. Как вы догадались, у такой неопределившейся амебы в этот момент нет ни переда, ни зада.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Археи – это такие одноклеточные организмы, не имеющие ядра. От других организмов их отличает уникальное строение мембран и независимое эволюционное развитие жгутиков. Живучи в различных средах, даже в экстремальных условиях.

2

Автокатализ – химическая реакция, скорость которой увеличивается по мере накопления в системе ее продуктов (или промежуточных веществ).

3

Везде, где используется слово «изобретение» по отношению к клеткам, нужно мысленно ставить кавычки, подразумевая переносный смысл. Естественно, клетки ничего не изобретают, а все усовершенствования появляются по законам физики, химии, эволюции и отбора.