Но бывает так, что клетке позарез нужны те или иные «продукты», а самостоятельно «заходить» они никак не хотят (то есть их концентрация внутри и так выше, чем снаружи). Тогда включается механизм активного транспорта (или насоса). Его можно рассмотреть на примере обмена натрия на калий. Его так и называют – Na-/K-насос. Суть его заключается в том, что клетка выталкивает ионы натрия, замещая их на ионы калия. Занимаются этим специальные белки-переносчики, которые и образуют так называемые ионные насосы. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация K– и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На такое замещение расходуется значительная энергия, зато этот механизм позволяет клетке получать различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты.
А что делать, если внутрь надо затащить совсем уж крупногабаритные предметы? К таким «роялям» и «шкафам» относятся макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеиновые комплексы и другие нужные вещества. И здесь в нашей крепостной стене начинают происходить настоящие чудеса. Кусок «стены» (мы же помним, что речь идет о клеточной мембране) выпячивается и захватывает нужный кусок внеклеточного материала. Затем он обволакивает его и расщепляет макромолекулы до простейших составляющих. А те уже легко проскакивают через знакомые нам проходы-поры.
Этот процесс называется эндоцитоз. То же самое, но только изнутри – наружу, носит название экзоцитоз. С помощью экзоцитоза мембрана помогает клетке избавиться от внутриклеточных продуктов или непереваренных остатков. Это можно сравнить с работой мусороуборочной машины: «мусор» заключается в своеобразный пузырек (вакуоль) и подводится к стене (мембране). Пузырек сначала прилепляется к внутренней поверхности стены, а затем как бы раскрывается в нее, выдавливая содержимое через ходы наружу. Вот такая чистюля – наша клетка.
Для понимания всех происходящих в мембране процессов следует помнить, что в отличие от настоящей крепостной стены ткань мембраны является подвижной, текучей структурой. Именно это свойство позволяет ей проявлять такие чудесные качества, как избирательность, различные механизмы транспорта веществ внутрь и наружу и так далее. Мембраны – структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях.
Из мембранной ткани формируются и некоторые «внутренние» помещения, вход в которые доступен не для всех. Но об этом – чуть позже.
Если саму клетку мы сравниваем со средневековым городом, а мембрану – с крепостной стеной, то роль замка в нем играет, безусловно, ядро.
Ядро – самая большая и самая заметная составная часть клетки. Первым ее рассмотрел шотландский ученый Роберт Браунс в 1831 году. Он заметил, что ядро отделяется от остальной клетки двойной крепостной стеной-мембраной, а от нее в разные стороны расходятся цепочки пузырьков-«чистильщиков» (эндоплазматическая сеть) и загадочный комплекс Гольджи… Но обо всем по порядку.
Современные ученые сравнивают ядро с кибернетической системой, в которой происходит хранение, обработка и передача колоссального объема энергии. По сути все, что «знает» наше тело, хранится в ядре клетки. Получается, что именно отсюда, из «замка», идет управление всеми процессами, происходящими в нашем «городке». Ядро – стратегический центр и штаб клетки. Без ядра клетка погибает.
Форма ядра чаще всего шарообразная или яйцевидная. Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок, заполняющий пространство между структурами («комнатами») ядра. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. Это самые крупные «залы». Главная задача ядрышек – это производство рибосом. Рибосомы – очередное чудо клетки. Представьте себе мини-заводик, который из подручных материалов собирает молекулы белка. А теперь представьте, что таких заводиков – тысячи! Задача ядрышек – выпустить рибосому в цитоплазму (то есть из замка – в городок). Там уже рибосомы собираются в целые промышленные конгломераты и начинают производить белки.
Надо сказать, что клетка клетке рознь. В каких-то выпуск белка поставлен на промышленную остову (это клетки мышечной ткани, например), а в каких-то (в клетках костных структур) его образуется совсем немного. Так вот, чем активнее клетка, тем крупнее ядрышки в ее ядре – ведь им приходится работать день и ночь, чтобы производство не останавливалось ни на секунду!
Звучит все просто, но на деле все гораздо сложней. Рибосомы оказываются не просто промышленными конвейерами. Если продолжить проводить аналогии со знакомым нам миром, рибосомы окажутся похожими на сверхсовременных роботов, которые собирают дорогие автомобили. У них есть собственные «мозги» – программное обеспечение, которое заставляет их с потрясающей точностью воспроизводить молекулы белка совершенно определенного вида – по заданной матрице, как это принято говорить в мире науки. Матрица создается на основе генетической информации, заложенной в молекулы РНК – рибонуклеиновой кислоты.
Теория происхождения жизни
Как у каждого уважающего себя замка, у нашего обязательно должно быть несколько старинных преданий и легенд. Эта – рассказывает о возникновении жизни на Земле. Ряд ученых (в частности, Карл Вёзе, Лесли Оргел и Уолтер Гильберт) полагают, что когда-то, когда живая клетка еще не существовала на планете Земля, ее роль выполняли свободные рибонуклеиновые кислоты, которые вольготно себя чувствовали в воде и, перемещаясь, образовывали ансамбли с себе подобными. Они также могли обмениваться информацией и выступать катализаторами в некоторых химических процессах, благодаря чему примитивные формы жизни становились все сложнее и сложнее, пока рибонуклеиновые кислоты не научились отгораживаться друг от друга мембранами. Тогда «свободной любви» этих молекул пришел конец, зато наступила эра упорядоченных отношений, появилась молекула ДНК и возникла клетка – мельчайшая ячейка общества. Точнее – организма. Что-то есть до боли знакомое в этой истории, вы не находите?
Частично эту теорию подтверждают современные исследования, которые показали, что рибонуклеиновые кислоты вполне могут формировать колонии на гелях и твердых субстратах (правда, при создании определенных условий для репликации – самовоспроизведения). При этом они охотно обмениваются молекулами, которые при столкновении обмениваются свободными участками (то есть «делятся информацией»). Вся совокупность колоний при этом быстро эволюционирует.
Логично предположить, что, научившись синтезировать белок, колонии, в которых при мутации образовались молекулы-ферменты (их отличительная особенность в том, что они ускоряют некоторые химические процессы), стали развиваться еще быстрее и успешнее. И наконец, лидерами в этой гонке стали колонии, сформировавшие более надежный механизм хранения информации в ДНК и в конце концов отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.
Легенда – легендой, но главное, что нам предстоит усвоить: молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) – это простейшие хранители генетической информации. Именно они «учат» рибосомы, как создавать молекулы белка строго определенного вида. Давайте посмотрим, как это происходит.