WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
-- [ Страница 1 ] --

1 Молекулярная биология клетки 2 Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray, Biology Julian Lewis, Martin Raff, of the Cell Keith Roberts, James D. Watson SECOND EDITION Garland Publishing, Inc.

New York London 3 Б. Албертс Д. Брей Дж. Льюис М. Рэфф К. Робертс Дж. Уотсон МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3-х томах 1 Перевод с английского канд. биол. наук Т.Н. Власик канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук В.М. Маресина, Т.Д. Аржановой, Г. В. Крюковой под редакцией акад. Г. П. Георгиева, д-ра биол. наук Ю.С. Ченцова Москва «Мир» 1994 4 ББК 28.070 М75 УДК 576.32/36 Федеральная целевая программа книгоиздания России Авторы: Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж.

Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., перераб. М75 и доп. Т. 1. Пер. с англ.-М.: Мир, 1994.-517 с., ил.

ISBN 5-03-001985-5 Созданный коллективом известных американских ученых (в их числе - лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон) современный учебник молекулярной биологии. Энциклопедическая полнота охвата материала позволяет использовать его как справочное пособие. На русском языке выходит в 3-х томах. Читатель уже знаком с 1-м изданием (М.: Мир, 1986-1987). Новое издание переработано авторами и дополнено современным материалом. В т. 1 рассматриваются эволюция клеток, их химический состав, методы исследования, структура и функции плазматической мембраны, митохондрий, хлоропластов.

Для биологов всех специальностей, преподавателей и студентов университетов, медицинских, педагогических и сельскохозяйственных институтов.

1903010000 - М КБ 46 - 92 - 29 ББК 28. 056(01) - Редакция литературы по биологии ISBN 5-03-001986-3 (русск.) © 1989 by Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, ISBN 5-03-001985-5 and James D. Watson © перевод на русский язык, Власик Т. Н., Корж В. П., Маресин В. М., ISBN 0-8240-3695-6 (англ.) Аржанова Т. Д., Крюкова Г. В., Предисловие редактора перевода Книга Б. Албертса, Д. Брея, Дж. Льюиса, М. Рэффа и Дж. Уотсона «Молекулярная биология клетки» вышла в русском переводе в 1986 1987 гг. и сразу же завоевала широкое признание и популярность среди отечественных биологов. Трудно переоценить значение этой книги для студентов и аспирантов, использующих ее в качестве учебника.

Не вызывает сомнения, что второе издание «Молекулярной биологии клетки», выпущенное теми же авторами в 1989 г., также будет очень полезно как для биологов, так и для медиков нашей страны. Шесть лет, разделяющие эти книги, оказались весьма плодотворными для биологии в целом;

были получены новые фундаментальные данные, решены многие спорные вопросы, появились новые научные представления в области молекулярной биологии, цитологии, биологии развития, клеточной иммунологии и нейробиологии. Авторы книги существенно переработали ее содержание, привели его в соответствие с современным уровнем знаний.

Общая композиция книги не изменилась, однако в ней появились две новые главы: контроль генной активности (гл. 10) и рак (гл. 21).

Внесены изменения в порядок расстановки глав, что делает изложение материала более логичным. Так, глава 7, посвященная биоэнергетике, закономерно следует за материалом, связанным со строением мембран, а после главы «Клеточное ядро» следует глава о генной экспрессии.

Значительно обновлена глава 8, посвященная внутриклеточным органеллам, теперь она называется «Внутриклеточная сортировка макромолекул и внутриклеточные компартменты». В нее введен анализ молекулярных основ сортировки лизосомных и секреторных белков.

Большое внимание в книге уделено современным методам молекулярной и клеточной биологии. Авторы стремятся показать как, каким способом, с помощью какого рода экспериментов получены те или иные данные. Это стремление связать конкретный материал с логикой эксперимента имеет большое педагогическое значение.

Предлагаемое второе издание «Молекулярной биологии клетки» можно рекомендовать в качестве основного учебника для студентов и аспирантов молекулярно-биологического профиля, а также для слушателей курсов по таким специальностям, как цитология, генетика, гистология, эмбриология, общая физиология и др. Более того, знакомство с этой книгой биолога любой специальности значительно расширит его кругозор и обновит представления о молекулярной, клеточной и тканевой организации живой природы.

Ю. С. Ченцов Предисловие ко второму изданию Более 50 лет назад Уилсон писал, что «ключ к решению любой биологической проблемы в конечном счете следует искать в клетке».

Однако до недавнего времени биология клетки преподавалась в вузах как специализированный второстепенный курс, основанный главным образом на электронной микроскопии. А в большинстве медицинских вузов многие разделы клеточной биологии - такие, как механизмы эндоцитоза, хемотаксис, движение клеток и клеточная адгезия - вообще почти не изучались. Их считали слишком «клеточными» для курса биохимии и слишком «молекулярными» для курса гистологии. Однако, в связи с огромными успехами, достигнутыми клеточной биологией в последнее время, она начинает занимать по праву принадлежащее ей центральное место в биологическом и медицинском образовании. Все больше университетов вводят ее как обязательный годичный курс для всех студентов, обучающихся по специальности «биология» или «биохимия». Клеточная биология становится также общеобразовательной дисциплиной для первого курса большинства медицинских вузов. Первое издание «Молекулярной биологии клетки» появилось в преддверии этих остро необходимых реформ, и, как мы надеялись, должно было им способствовать. Мы будем удовлетворены, если второе издание поможет углубить эти реформы и ускорить их проведение.

Перерабатывая книгу, мы обнаружили лишь несколько примеров, когда новые открытия начисто опровергли старые представления. Но за шесть лет, прошедших со времени выхода в свет первого издания, было получено очень много новых данных;

они выявили новые связи между различными вопросами и во многих местах радикально изменили акценты. Таким образом, во втором издании книга серьезно переработана: каждая глава претерпела существенные изменения, многие разделы были почти целиком переписаны заново, добавлены две новые главы, посвященные контролю экспрессии генов и проблеме рака.

Некоторые читатели первого издания, особенно преподаватели, предлагали давать более подробное описание экспериментов, подтверждающих обсуждаемые теории. Нам не хотелось разрывать повествование и увеличивать объем и без того уже очень большой книги, но мы согласны с тем, что студентам необходимо понимать, как сделаны открытия, описываемые в книге. С этой целью Джон Уилсон и Тим Хант составили сборник задач по молекулярной биологии. Каждый раздел этого сборника соответствует определенному разделу «Молекулярной биологии клетки» и посвящен главным образом экспериментам, описанным в соответствующей оригинальной литературе. Это служит основой для разбора ряда вопросов - как несложных, так и более трудных - предназначенных для активного вовлечения читателя в обсуждение, лежащее в основе открытия.

Второе издание, как и первое, готовилось долго. Как и прежде, каждая глава переходила от автора, написавшего первый черновик, к остальным авторам для критических замечаний и активного пересмотра. Поэтому каждая часть этой книги представляет собой совместное произведение. В этом общем деле нам часто помогали Тим Хант и Джон Уилсон. При решении вопроса о необходимости пересмотра того или иного раздела мы пользовались услугами независимых экспертов. Мы особенно благодарны Джеймсу Ротману (Принстонский университет) за его вклад в главу 8, и Джереми Хеймсу (Лондонский университетский колледж), Тилсу Митчисону (Калифорнийский университет, Сан-Франциско) и Паулю Рэрсу (Оксфордский университет) за работу над главой 13. Все разделы уже переработанного текста просматривались независимыми экспертами, чьи комментарии и предложения были неоценимы.

Главную роль в создании книги, пригодной для чтения, вновь сыграла Миранда Робертсон. Она добивалась того, чтобы каждая фраза была ясной и логичной, и переписывала многие страницы, не обладавшие этими качествами. Мы также благодарны сотрудникам издательства Garland Publishing, в особенности Рут Адаме, Алисону Уолкеру и Гэвину Бордену, за их доброту, юмор, трудолюбие и большую помощь, которую они оказывали нам на протяжении четырех лет, потребовавшихся для подготовки этого издания. Особенную благодарность мы приносим Кэрол Уинтер за ее кропотливый труд при перепечатке всей книги и подготовке дискет к печати. Наконец, мы благодарны нашим женам, семьям, коллегам и студентам и приносим им извинения за недостаток внимания в течение нескольких лет, без их помощи и терпения эта книга никогда не была бы написана.

Предисловие к первому изданию Научное познание таит в себе парадокс. Из хаоса фактов, накопленных в стремительном потоке информации, рождается неожиданно простое объяснение ранее загадочных явлений. Так постепенно обнажается сама суть вещей. Современная клеточная биология может служить тому примером. Использование новейших методов молекулярной биологии позволило увидеть изумительное изящество и экономичность процессов, протекающих в живых клетках, и замечательное единство принципов их функционирования. Стремясь донести суть этих принципов до читателя, авторы были далеки от мысли создать энциклопедию научных сведений, напротив, нам хотелось бы предоставить возможность поразмыслить над имеющимися фактами. Безусловно, в биологии клетки все еще остаются неизученными обширные области, и многие известные факты до сих пор не получили объяснения. Но эти нерешенные проблемы как раз и являются наиболее волнующими, и мы старались так их изложить, чтобы побудить читателей включиться в поиски решения неясных вопросов. Поэтому, касаясь малоизученных областей, мы вместо простого изложения фактов часто брали на себя смелость высказывать гипотезы, отдавая их на суд читателя и надеясь на критическое отношение к ним.

В книге «Молекулярная биология клетки» рассматриваются главным образом эукариотические клетки, а не бактерии. Название книги отражает первостепенное значение подходов, определяемых молекулярным уровнем исследования. Именно с позиций молекулярной биологии и рассматриваются клетки в первых двух частях книги, содержание которых в совокупности соответствует традиционным курсам биологии клетки.

Но одной молекулярной биологии недостаточно. Эукариотические клетки, из которых состоят многоклеточные животные и растения, - это в высшей степени «социальные» организмы: они живут благодаря кооперированию и специализации. Чтобы понять, как они функционируют, необходимо исследовать роль и место клеток в многоклеточных сообществах, а также узнать, как функционируют изолированные клетки данного типа. Это два совершенно различных, но глубоко взаимосвязанных уровня исследования. Поэтому часть III книги посвящена поведению клеток в организме многоклеточных животных и растений. Таким образом, проблемам биологии развития, гистологии, иммунологии и нейробиологии уделено здесь гораздо больше внимания, чем в других учебниках по биологии клетки. Хотя в основном курсе основ биологии клетки этот материал может рассматриваться как факультативный или дополнительный, он представляет собой важный раздел науки о клетках и должен быть особенно интересен тем, кто решил продолжить изучение биологии или медицины. Широкий охват тем в книге отражает наше убеждение, что в современном биологическом образовании курс биологии клетки должен занимать центральное место.

Книга предназначена в основном для студентов, биологов или медиков, впервые систематически изучающих биологию клетки. Мы предполагаем, что большинство читателей знакомы по крайней мере с вводным курсом биологии, тем не менее мы старались написать книгу так, чтобы даже не знакомый с биологией читатель мог ее понять, при условии что начнет читать книгу с первых страниц. Наряду с этим мы надеемся, что книга окажется полезной и для научных работников, нуждающихся в руководстве, которое помогло бы им разобраться в обширных областях знаний. Поэтому мы приводим список литературы, значительно более детальный, чем тот, который мог бы понадобиться среднему студенту дипломнику. В то же время мы старались отобрать лишь те работы, которые можно найти в большинстве библиотек.

Это большая книга, и мы ее долго вынашивали -втрое дольше, чем вынашивается слон и в пять раз дольше, чем вынашивается кит.

Многие вложили в нее свой труд. Главы книги неоднократно возвращались к автору, написавшему первый черновой вариант, обсуждались и перерабатывались другими авторами, вновь подвергались критике и переписывались, так что каждая глава книги в своем окончательном виде является результатом объединенных усилий. Кроме Того, часть материала была предоставлена несколькими специалистами, не вхо- дившими в авторский коллектив. Этот материал был переработан нами и приведен в соответствие с остальными разделами книги. Все главы были дополнительно прочтены специалистами, чьи замечания и поправки трудно переоценить. Пауль Бартон (Канзасский университет), Дуглас Чендлер (Университет штата Аризона), Урсула Гуденоу (Вашингтонский университет), Роберт Поллак (Колумбийский университет), Роберт Сэведж (Свартморовский колледж) и Чарльз Йокум (Мичиганский университет) прочли рукопись полностью или частично и внесли много полезных предложений. Студенты, читавшие рукопись, помогли выявить неясно написанные и трудные для понимания места.

Советы студентов и специалистов собрала и систематизировала в основном Миранда Робертсон. Настояв на том, чтобы каждая страница была ясной и логичной, и переписав страницы, не соответствовавшие этим требованиям, она сыграла главную роль в создании учебника, который студенты прочтут с легкостью. Лидия Мейлим нарисовала многие рисунки к главам 15 и 16. Целый ряд ученых щедро снабдили нас фотографиями - их фамилии указаны в подписях к соответствующим рисункам. Мы благодарим за снисхождение и понимание наших коллег, которым пришлось взять на себя часть наших обязанностей, а также наши семьи и наших студентов, которым мы в течение ряда лет не уделяли должного внимания.

Наконец, наш особенно приятный долг - поблагодарить наших редакторов и издателя. Тони Адаме в большой степени способствовал улучшению стиля изложения, а Рут Адаме, чей добрый нрав и высокая работоспособность не раз заставляли авторов краснеть за себя, полностью организовала подготовку издания книги. Гэвин Борден взял на себя труд опубликовать книгу, а его неизменные любезность и радушие сделали для нас работу над книгой и приятной, и полезной с познавательной точки зрения.

Примечание для читателей Главы этой книги можно читать независимо друг от друга. Тем не менее они расположены в логической последовательности. Первые три главы части I охватывают элементарные принципы и основы биохимии и могут служить введением для изучавших ее. Часть I завершается главой 4, описывающей принципы основных экспериментальных подходов к исследованию клеток. Чтобы освоить материал, изложенный в последующих главах, ее читать необязательно, но учтите, что в ней содержатся полезные справочные данные.

Часть II посвящена центральным вопросам клеточной биологии;

в ней рассматриваются общие свойства большинства эукариотических клеток, обсуждаются присущие им молекулярные механизмы наследственности и проблемы клеточной адгезии и внеклеточного матрикса.

Часть III описывает поведение клеток при формировании многоклеточных организмов, начиная с образования яйцеклеток и сперматозоидов и кончая нарушением многоклеточной организации при раковых заболеваниях.

В главе 4 приведено несколько таблиц, в которых перечислены наиболее важные вехи в развитии молекулярной биологии клетки и имена ученых, причастных к этим открытиям. В других разделах книги мы избегаем ссылок на конкретных исследователей. Авторы крупных открытий приведены в списке литературы в конце каждой главы. Этот список как правило включает оригинальные статьи, в которых впервые излагаются важные результаты. Цифры в заголовках текста указывают на номер цитируемой статьи в списке литературы.

Жирный шрифт используется в книге для выделения ключевых терминов в том разделе, где они обсуждаются наиболее полно. Курсивом выделены менее важные термины.

Существенным дополнением к книге служит задачник.1 Он позволяет оценить изящество экспериментов и изобретательность их авторов.

Задачи относятся к центральному разделу книги (гл. 5-14) и тесно связаны с данными, представленными в ней.

Большинство экспериментальных задач освещено в основном тексте. Например, символ 5-4 над заголовком раздела означает, что изложенный в нем материал сформулирован в виде задачи № 4 в главе 5 задачника. Кроме того, каждый раздел задачника начинается серией утверждений с пропущенными словами и верных и неверных вопросов, которые призваны помочь читателю усвоить терминологию и основные концепции, относящиеся к теме. Задачник может быть полезным для самостоятельной работы студентов и семинарских занятий. Он может также использоваться преподавателями во время экзаменов.

Уилсон Дж., Хант Т. Молекулярная биология клетки. Сборник задач. Пер. с англ. В печати. Прим. редакции.

I Введение в биологию клетки Рис. 1.1. Бактериальные клетки на кончике булавки (микрофотографии сделаны с помощью сканирующего электронного микроскопа). (С любезного разрешения Tony Brain и Science Photo Library.) Рис. 1.ІІ. Делящиеся клетки дрожжей (микрофотография сделана с помощью сканирующего электронного микроскопа). (С любезного разрешения Herskowitz и Schabatach.) 1 Эволюция клетки Все живые существа состоят из клеток - маленьких, окруженных мембраной полостей, заполненных концентрированным водным раствором химических веществ. Простейшие формы жизни - это одиночные клетки, размножающиеся делением. Более высокоразвитые организмы, такие как мы сами, можно сравнить с клеточными городами, в которых специализированные функции осуществляют группы клеток, в свою очередь связанные между собой сложными системами коммуникаций. В известном смысле клетки находятся на полпути между молекулами и человеком.

Мы изучаем клетки, чтобы понять, каково их молекулярное строение, с одной стороны, и чтобы выяснить, как они взаимодействуют для образования столь сложного организма, как человек, - с другой.

Считается, что все организмы и все составляющие их клетки произошли эволюционным путем от общей предковой клетки. Два основных процесса эволюции - это 1) случайные изменения генетической информации, передаваемой от организма к его потомкам, и 2) отбор генетической информации, способствующей выживанию и размножению своих носителей. Эволюционная теория является центральным принципом биологии, позволяющим нам осмыслить ошеломляющее разнообразие живого мира.

Эта глава, как и книга в целом, посвящена развитию - от молекул до многоклеточных организмов. В ней обсуждается эволюция клетки, сначала как самовоспроизводящейся единицы, состоящей из более мелких частей, а затем как строительного блока для более крупных структур. По мере изложения материала мы будем последовательно знакомиться с компонентами и функциями клетки, которые детально рассматриваются в следующих главах в основном в том же порядке. Мы узнаем, как свойства больших молекул определенного типа обеспечивают передачу потомству и выражение в фенотипе (экспрессию) наследственной информации, обусловливая эволюционный процесс. Эти молекулы, заключенные в мембрану, составляют сущность самореплицирующейся клетки. Затем мы опишем основные этапы эволюции - от небольших, похожих на бактерии клеток до значительно больших и более сложно устроенных, таких, например, как клетки современных растений и животных. Наконец, будут высказаны гипотезы о том, каким образом отдельные свободноживущие клетки породили большие многоклеточные организмы, как клетки специализировались и как, объединившись, образовали столь сложные органы, как мозг.

Естественно, в эволюционном подходе есть свои опасности: большие пробелы в наших знаниях мы заполняем рассуждениями, детали которых могут быть ошибочными. Не в наших силах вернуться в прошлое и стать свидетелями уникальных молекулярных событий, происходивших миллиарды лет назад. Однако эти древние события оставили много следов, которые мы можем анализировать. Предковые растения, животные и даже бактерии сохранились как ископаемые. Но, что еще более важно, каждый современный организм содержит информацию о призна- ках живых организмов в прошлом. В частности, существующие ныне биологические молекулы позволяют судить об эволюционном пути, демонстрируя фундаментальное сходство между наиболее далекими живыми организмами и выявляя некоторые различия между ними. Анализируя молекулярное подобие и различие, мы пытаемся воссоздать признаки живших некогда существ. Эту задачу можно сравнить с той, которую решает ученый филолог, восстанавливая текст древнего автора, искаженный при неоднократных копированиях и редактированиях. Задача трудна и доказательства несовершенны, и все-таки этот путь дает возможность делать разумные предположения относительно основных стадий в эволюции живых клеток.

1.1. От молекул - к первой клетке 1.1.1. Простые биологические молекулы могут образовываться в пребиотических условиях Условия, существовавшие на Земле в первый миллиард лет ее истории, все еще являются предметом спора. Мы не знаем, была ли поверхность нашей планеты вначале расплавленной? Содержала атмосфера аммиак или же метан? Можно только предполагать, что Земля была весьма неспокойным местом - с постоянными вулканическими извержениями, неистовыми ливнями и сверкающими молниями. Не было совсем или было очень мало кислорода, и отсутствовал озоновый слой, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца.

В таких условиях, очевидно, возникали простые органические (т.е.

Рис. 1-1. Типичный опыт, имитирующий содержащие углерод) молекулы. Лучшее тому доказательство - лабораторные первозданные условия на Земле. Воду нагревают в эксперименты. Если через нагретую смесь воды и газов, таких, как СО2, СН4, NH3 и Н2, герметичном сосуде, содержащем СН4, NH3 и Н2.

пропускать электрический разряд или ультрафиолетовое излучение, они реагируют с Через смесь газов и водяного пара пропускают образованием малых органических молекул. Обычно набор таких молекул невелик, но электрический разряд. Органические соединения каждая образуется в сравнительно больших количествах (рис. 1-1). Среди продуктов накапливаются в U-образной ловушке.

есть ряд соединений, таких, как цианистый водород (HCN) и формальдегид (НСНО), которые легко вступают в последующие реакции в водном растворе (рис. 1-2).

Наиболее важно, что в эксперименте удается получить четыре основных класса внутриклеточных малых молекул: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты.

Хотя в таких опытах нельзя точно воспроизвести условия, существовавшие ранее на Земле, они показывают, что органические молекулы образуются на удивление легко. Кроме того, наша формирующаяся планета имела огромные преимущества перед любым экспериментатором: она была очень велика и обеспечивала широкий спектр условий. Но важнее всего то, что в распоряжении Земли были сотни миллионов лет. В таких условиях кажется вполне вероятным, что в какой то момент, в каком-нибудь месте сконцентрировались многие из простых органических молекул, входящих в состав современных клеток.

1.1.2. Полинуклеотиды способны направлять собственный синтез Простые органические молекулы, такие, как аминокислоты или нуклеотиды, могут ассоциировать с образованием больших полимеров. Две аминокислоты могут соединиться с помощью пептидной связи, а два нуклеотида могут быть соединены фосфодиэфирной связью. Последовательное повторение этих реакций ведет к образованию линейных полимеров, называемых соответственно полипептидами и полинуклеотидами. У современных организмов полипептиды, называемые белками, и полинуклеотиды в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонук- Рис. 1-2. Некоторые соединения, которые могли образоваться в опыте, описанном на рис. 1-1.

Соединения, выделенные цветом, являются важными компонентами современных живых клеток.

леиновой кислоты (ДНК) обычно считаются наиболее важными компонентами. Универсальные «кирпичики», из которых состоят белки - это всего лишь 20 аминокислот, а молекулы ДНК и РНК построены только из четырех типов нуклеотидов. Остается лишь гадать, почему именно эти наборы мономеров, а не другие со схожими химическими свойствами были отобраны для биосинтеза.

Самые первые полимеры могли образоваться несколькими путями, например при разогреве сухих органических соединений или в результате каталитического эффекта высоких концентраций неорганических полифосфатов. При проведении аналогичных реакций в пробирке образуются полимеры различной длины со случайной последовательностью, у которых наличие данной аминокислоты или нуклеотида в каждом положении определяется случайно (рис. 1-3). Но если уж полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Особенно это относится к полинуклеотидам, которые могут служить матрицей в реакции полимеризации и, таким образом, определять последовательность нуклеотидов в новых полинуклеотидах. Например, полимер, состоящий из одного типа нуклеотидов (полиуридиловой кислоты, или poly U), может служить матрицей для синтеза второго полимера, составленного из другого типа нуклеотида (полиадениловой кислоты, или poly A). Подобные матричные свойства основаны на специфическом, так называемом комплементарном связывании полинуклеотидов друг с другом. Poly U способствует образованию poly А, выстраивая вдоль своей цепи необходимые субъединицы (рис. 1-4).

Рис. 1-3. Четыре типа нуклеотидов (показаны буквами, A, U, G, С) могут спонтанно полимеризоваться с высвобождением воды. В результате получается смесь олигонуклеотидов случайной длины и случайной последовательности.

Рис. 1-4. Нуклеотиды способны связываться друг с другом (причем G предпочтительно связывается с С, а А - с U) при помощи сравнительно слабых химических связей (слева). Такое связывание позволяет одному полинуклеотиду служить матрицей для синтеза другого (справа).

Специфическое спаривание комплементарных нуклеотидов сыграло, видимо, решающую роль в возникновении жизни. Рассмотрим, например, полинуклеотид, подобный РНК и содержащий основания урацил (U), аденин (А), цитозин (С) и гуанин (G). Благодаря комплементарному спариванию оснований - А с U и G с С - при добавлении РНК к смеси активированных нуклеотидов в условиях, благоприятствующих полимеризации, синтезируется новая молекула РНК, последовательность нуклеотидов которой комплементарна последовательности нуклеотидов в исходной РНК. Таким образом, новые молекулы представляют собой как бы слепок исходной молекулы, каждому А которой соответствует U в копии и т. д. На первой стадии информация, содержащаяся в последовательности исходной цепи РНК, сохраняется в новообразующихся комплементарных цепях. На второй стадии копирование с использованием комплементарной цепи в качестве матрицы восстанавливает исходную последовательность (рис. 1-5).

Механизмы комплементарного матричного копирования изящны и просты, они занимают центральное место в процессах переноса информации в биологических системах. Генетическая информация каждой клетки закодирована в последовательности оснований ее полинуклеотидов, и эта информация передается из поколения в поколение благодаря комплементарному спариванию оснований.

Рис. 1-5. Репликация последовательности полинуклеотида (здесь молекулы РНК). На стадии 1 исходная молекула РНК служит матрицей для образования молекулы РНК с комплементарной последовательностью. На стадии 2 эта комплементарная молекула в свою очередь служит матрицей для образования молекулы РНК с исходной последовательностью. Поскольку каждая матрица способна произвести много комплементарных копий, эти реакции могут привести к «размножению» исходной последовательности.

Для быстрого образования полинуклеотидов в пробирке обязательно должны присутствовать специфические белковые катализаторы ферменты, которых не могло быть в «пребиотическом бульоне». Там, однако, были, очевидно, минералы и ионы металлов, способные служить менее эффективными катализаторами. Кроме того, катализаторы лишь ускоряют реакции, которые происходили бы и без них, но за достаточно долгое время. Поскольку и время, и химически активные предшественники нуклеотидов имелись в изобилии, то вполне возможно, что в пребиотических условиях на Земле стало возможным возникновение медленно реплицирующихся систем полинуклеотидов.

1.1.3. Самореплицирующиеся молекулы подвержены естественному отбору При любом процессе копирования неизбежно происходят ошибки и размножаются неточные копии оригинала. Следовательно, в результате многократных циклов репликации образующаяся последовательность нуклеотидов будет существенно отличаться от исходной. Так формируется разнообразие молекул. В случае РНК эти молекулы, вероятно, будут иметь и разные функциональные свойства. Ведь молекулы РНК - это не просто цепочка символов, неким абстрактным образом несущая информацию. Они обладают химической индивидуальностью, влияющей на их поведение. Конкретная последовательность нуклеотидов определяет свойства молекулы, особенно характер ее свертывания (кон-формацию) в растворе. Мономеры полинуклеотида могут не только спариваться со свободными комплементарными нуклеотидами среды с образованием нового полимера, но и образовывать пары с комплементарными нуклеотидными остатками того же самого полимера. Последовательность GGGG в одной части полинуклеотидной цепи может сравнительно прочно связаться с СССС из другого участка молекулы. Из-за подобных взаимодействий возникают различные трехмерные изгибы, и молекула в целом приобретает уникальную форму, полностью определяемую ее нуклеотидной последовательностью (рис. 1-6).

Трехмерная укладка полинуклеотида влияет на его стабильность и на способность реплицироваться, так что не все молекулы в репликативной смеси будут одинаково успешно размножаться. В лабораторных опытах было показано, что система реплицирующихся молекул РНК подвержена своего рода естественному отбору, при котором в зависимости от конкретных условий начнет преобладать та или иная последовательность.

Таким образом, молекула РНК обладает двумя важными свойствами: закодированная в ее нуклеотидной последовательности информация передается в процессе репликации, а уникальная пространственная структура определяет характер взаимодействия с другими молекулами и реакцию на внешние условия. Оба этих свойства – информационное Рис. 1-6. В результате спаривания нуклеотидов из разных участков одной и той же полинуклеотидной цепи (РНК) молекула принимает определенную форму.

и функциональное - являются необходимыми предпосылками эволюционного процесса. Нуклеотидная последовательность молекулы РНК аналогична наследственной информации, или генотипу организма. Пространственная укладка аналогична фенотипу - совокупности признаков организма, подверженных действию естественного отбора.

1.1.4. Специализированные молекулы РНК могут катализировать биохимические реакции Естественный отбор зависит от условий среды. Для реплицирующейся молекулы РНК критическим компонентом среды является набор других молекул РНК в растворе. Кроме того, что эти молекулы служат матрицами при собственной репликации, они могут катализировать разрушение и образование ковалентных связей, в том числе и связей между нуклеотидами. Некоторые специализированные молекулы РНК могут катализировать изменения в других молекулах РНК, разрезая нуклеотидную последовательность в определенной точке, другие типы молекул РНК способны вырезать часть своей собственной нуклеотидной последовательности и соединять отрезанные концы (процесс, называемый самосплайсингом). Каждая реакция, катализируемая РНК, зависит от специфического расположения атомов на поверхности каталитической молекулы РНК, которое приводит к тому, что один или несколько ее нуклеотидов становятся высокоактивными.

Можно предположить, что некоторые реакции имели кардинальное значение в первичном бульоне. Рассмотрим, в частности, полимериза- Рис. 1-7. Схема трех последовательных стадий эволюции самореплицирующейся системы молекул РНК, способных направлять синтез белков.

цию РНК, процесс, в котором в качестве матрицы используется данная молекула РНК и который катализируется ею. РНК, действуя на собственные копии, будет реплицироваться с высокой скоростью и эффективностью (рис. 1-7, А). Это может способствовать репликации других типов молекул РНК в прилежащих областях. Некоторые из них могут обладать каталитической активностью, которая помогает или препятствует сохранению или репликации РНК другими способами. Если благоприятные воздействия взаимосвязаны, то различные типы молекул РНК, специализированные для разных реакций, сформируют кооперативную систему, которая будет реплицироваться с необычно высокой эффективностью (рис. 1-7, Б).

1.1.5. Информация передается от полинуклеотидов к полипептидам Итак, мы предполагаем, что 3,5-4 млрд. лет назад где-то на Земле самореплицирующиеся системы молекул РНК положили начало эволюционному процессу. Системы с различными наборами последовательностей нуклеотидов конкурировали за запасы предшественников, необ- ходимых им для построения копий (аналогично тому, как сейчас конкурируют организмы за пищевые ресурсы). Успех зависел от точности и скорости копирования, а также от стабильности копий.

Хотя структура полинуклеотидов хорошо приспособлена для хранения и передачи (репликации) информации, каталитические возможности молекул РНК, по-видимому, слишком ограничены, чтобы обеспечить все функции современной клетки. Большая универсальность присуща полипептидам, они состоят из аминокислот с химически разнообразными боковыми цепочками и способны принимать разные пространственные формы, которые насыщены реакционноспособными участками. Свойства полипептидов делают их идеально подходящими для выполнения широкого круга структурных и функциональных задач. Даже полипептиды со случайной последовательностью, возникавшие под действием пребиотических синтетических механизмов, видимо, имели каталитические свойства и, в частности, могли облегчать репликацию молекул РНК. Полинуклеотиды, способствующие синтезу полезных полипептидов в своем окружении, должны были приобрести большое преимущество в эволюционной борьбе. Но каким образом полинуклеотиды могли бы осуществлять подобный контроль? Как информация, закодированная в их последовательности, может определять последовательность полимеров иного типа? Ясно, что полинуклеотиды должны действовать как катализаторы для сборки отобранных аминокислот. У современных организмов согласованная система молекул РНК направляет синтез полипептидов, т. е. синтез белка, однако этот процесс идет при участии других белков, синтезированных заранее. Биохимический аппарат, осуществляющий синтез белка, чрезвычайно сложен. Молекулы РНК одного типа содержат генетическую информацию о последовательности соответствующего полипептида. Роль других молекул РНК заключается в связывании определенной аминокислоты и переносе ее к месту сборки полипептидной цепи. Основой взаимодействия этих двух типов молекул РНК является комплементарность их оснований, что позволяет последовательности нуклеотидов информационной РНК направлять включение определенных аминокислот, доставляемых молекулами транспортной РНК, в растущую полипептидную цепь. Предшественники этих двух типов молекул РНК, по-видимому, направляли первый синтез белка без помощи белков (рис. 1-7, В).

Сегодня сборка новых белков в клетке происходит на поверхности рибосом - сложных частиц, состоящих из нескольких больших молекул РНК (но уже другого класса) и более чем из 50 различных типов белков. В гл. 5 мы покажем, что рибосомной РНК принадлежит роль главного катализатора в процессе синтеза белка, она составляет более 60% массы рибосомы. По крайней мере в эволюционном аспекте эта РНК представляет собой основной компонент рибосомы.

Итак, на сегодняшний день представляется весьма вероятным, что РНК примитивным образом направляла первичный синтез белков. Для более эффективного биосинтеза клетке необходимо было создать набор «инструментов» (в форме белков), часть которых могла быть использована при репликации РНК и в процессе синтеза этих белковых «инструментов».

Синтез специфических белков под управлением РНК потребовал «разработки» кода, с помощью которого полинуклеотидная последовательность определяет последовательность аминокислот в белке. Этот код - генетический код - записан в «словаре» трехбуквенных слов:

различные триплеты нуклеотидов кодируют специфические аминокислоты. Код, по-видимому, был «выбран» произвольно и до сих пор остается фактически одинаковым у всех живых организмов. Это наводит на мысль, что все современные клетки являются потомками одной прими- Рис. 1-8. Микрофотография бактериальной клетки (Escherichia coli) в нормальном здоровом состоянии (А) и через час после инфицирования бактериофагом Т4 (5). Частицы фага (некоторые из них видны прикрепленными к наружной оболочке клетки) впрыскивают свою ДНК в клетку, затем эта ДНК направляет синтез специфических фаговых белков, одни из которых разрушают ДНК бактерии-хозяина, а другие катализируют репликацию ДНК бактериофага. На представленной стадии вновь синтезированная фаговая ДНК, упакованная в белковые оболочки, видна в виде плотных частиц в цитоплазме. Клетка готова к лизису.

тивной линии клеток, сумевших «разработать» эффективный механизм синтеза белка.

Как только эволюция нуклеиновых кислот продвинулась до кодирования ферментов, обеспечивающих их собственное воспроизведение, распространение репликативной системы должно было резко ускориться. Взрывной характер такого автокаталитического процесса можно видеть на примере жизненного цикла некоторых современных вирусов бактерии: проникнув в бактерию, эти вирусы направляют синтез белков, избирательно катализирующих их собственную репликацию, и в короткое время оккупируют всю клетку (рис. 1-8).

1.1.6. Первая клетка окружает себя мембраной Одним из решающих событий, приведших к формированию первой клетки, очевидно было формирование внешней мембраны. В самом деле, белки, синтезируемые под контролем определенного типа РНК, не могли бы облегчить репродукцию именно этих молекул РНК, если бы не удерживались поблизости от них. Более того, до тех пор, пока белки свободно диффундировали в популяции реплицирующихся молекул РНК, они в равной степени способствовали размножению любого из конкурирующих видов РНК. Если возникала РНК, производящая улучшенный тип фермента, новый фермент не способен был избирательно обеспечить выживание именно этой измененной РНК. Отбор молекул РНК по качеству кодируемых ими белков не мог начаться раньше, чем появился некий замкнутый объем (компартмент), заключивший в себя белки, произведенные молекулой РНК. Таким образом, эти белки становятся доступными только для РНК, порождающей их (рис. 1-9).

Рис. 1-9. Схема, демонстрирующая эволюционное преимущество компартментации. В смешанной популяции самореплицирующихся молекул РНК, способных направлять синтез белка (как показано на рис. 1-7), любой улучшенный вид РНК, производящий более полезный белок, вынужден делиться плодами этого преимущества со всеми своими конкурентами. Но если РНК заключена в каком-либо компартменте (таком, например, как липидная мембрана), то любой производимый ею белок используется для ее собственных нужд. Таким образом, появляется возможность отбора РНК по качеству производимого ею белка.

Важнейшая роль в эволюции клеточных мембран, по-видимому, принадлежит классу амфипатических молекул, которые обладают простым физико-химическим свойством: одна их часть гидрофобна (нерастворима в воде), а другая - гидрофильна (растворима в воде). Когда такие молекулы попадают в воду, они располагаются так, что их гидрофобные части приходят в тесный контакт друг с другом, а гидрофильные части - в контакт с водой. Амфипатические молекулы способны спонтанно агрегировать, образуя двухслойные структуры в виде маленьких замкнутых пузырьков, изолирующих водное содержимое от внешней среды (рис. 1-10). Этот феномен может быть продемонстрирован в пробирке путем простого смешивания фосфолипидов и воды: при подходящих условиях действительно образуются маленькие пузырьки. Все ныне существующие клетки окружены плазматической мембраной, состоящей из амфипатических молекул, главным образом фосфолипидов, такой структуры;

в клеточных мембранах в состав липидного бислоя входят также амфипатические белки. В электронном микроскопе такие мембраны имеют вид листков толщиной около 5 нм с выраженной трехмерной структурой (следствие плотной укладки фосфолипидных молекул хвост к хвосту).

Не совсем ясно, в какой момент эволюции биологического катализа были сформированы первые клетки. Они могли появиться, когда молекулы фосфолипидов пребиотического бульона случайно собрались в мембранную структуру, заключившую в себя самореплицирующуюся смесь каталитических молекул РНК. Однако принято считать, что синтез белков осуществлялся до появления клеток. В любом случае, как только они оказались заключенными в замкнутую мембрану, молекулы РНК начали эволюционировать не только на основе их собственной структуры, но также в зависимости от их воздействия на другие молекулы в том же компартменте: нуклеотидные последовательности РНК могли теперь влиять на признаки целой клетки.

Рис. 1-10. Клеточные мембраны состоят из фосфолипидов. Поскольку эти молекулы имеют гидрофильные «головы» и липофильные (гидрофобные) «хвосты», на поверхности раздела воды и масла они самопроизвольно будут располагаться головными концами к воде, а хвостовыми к маслу. В воде эти молекулы ассоциируют с образованием замкнутых двухслойных пузырьков (везикул), в которых липофильные хвосты контактируют друг с другом, а гидрофильные контактируют с водой.

1.1.7. Все современные клетки используют ДНК в качестве наследственного материала Нарисованная нами выше картина, конечно, весьма умозрительна. Не существует ископаемых остатков, по которым можно было бы проследить зарождение первой клетки. Тем не менее анализ современных организмов и лабораторные опыты убедительно показывают, что в основных чертах наш эволюционный обзор справедлив. События, обусловившие образование первой клетки (пребиотический синтез малых молекул, саморепликация молекул РНК, трансляция последовательностей РНК в аминокислотные последовательности, возникновение окруженных мембранами компартментов в результате самосборки молекул липидов), очевидно, происходили 3,5-4 млрд. лет назад.

Полезно сравнить нашу гипотетическую первую клетку с простейшими современными клетками, микоплазмами. Микоплазмы это похожие на бактерий мелкие организмы, обычно ведущие паразитический образ жизни, тесно связанный с какими-либо клетками растений или животных (рис. 1-11). Они имеют в диаметре около 0,3 мкм и содержат нуклеиновую кислоту в количестве, достаточном для кодирования приблизительно 750 различных белков. Некоторые из этих белков являются ферментами, другие выполняют структурные функции, часть белков находится внутри клетки, но есть и встроенные в ее мембрану. Все вместе они синтезируют те из нужных клетке малых молекул, которых нет в окружающей среде, перераспределяют энергию, необходимую для протекания биосинтетических реакций, и поддерживают в клетке необходимые химические условия.

Первые клетки на Земле, по-видимому, содержали значительно меньше компонентов, чем микоплазмы, и делились значительно медленнее. Однако существует и более существенное различие между прими- Рис. 1-11. Spiroplasma citrii микоплазма, размножающаяся в растительных клетках.

тивными клетками и микоплазмами (и, разумеется, любыми другими современными клетками): генетическая информация в существующих ныне клетках хранится в ДНК, а не в РНК, что было присуще примитивным клеткам. В современных клетках есть оба типа полинуклеотидов, но в ходе эволюции они специализировались и работают сообща, выполняя каждый свою функцию. Небольшие химические различия между этими двумя типами молекул делают их приспособленными для решения разных задач. Например, ДНК используется в качестве хранилища генетической информации, поскольку ее молекула более стабильна, чем молекула РНК. Частично это обусловлено тем, что у ДНК отсутствует гидроксильная группа сахара, и поэтому РНК в большей степени подвержена гидролизу. Кроме того, ДНК в отличие от РНК существует преимущественно в виде двухцепочечных молекул, состоящих из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, Такая двухцепочечная структура позволяет ДНК относительно легко реплицироваться (что будет изложено в гл. 3) и репарировать повреждения: при этом неповрежденная цепь ДНК служит матрицей для восстановления комплементарной дефектной цепи. Используя все тот же принцип комплементарности, ДНК направляет синтез отдельных молекул РНК, однако в этом случае спаривание происходит между несколько различающимися типами нуклеотидов. Синтезированные таким образом одноцепочечные молекулы РНК выполняют две другие функции первобытных полинуклеотидов: они направляют синтез белков и как кодирующие молекулы (информационные РНК), и как каталитические молекулы (рибосомные и другие неинформационные РНК).

Существующие на сегодняшний день представления об эволюции первобытных молекул можно суммировать так. Генетические и каталитические свойства РНК позволяют предположить, что именно эти молекулы первыми включились в эволюцию. После возникновения эффективного синтеза белка ДНК приняла на себя генетическую функцию, белки стали основными катализаторами, а РНК сохранилась главным образом как промежуточное звено между ними (рис. 1-12). ДНК стала необходимой только тогда, когда клетки сильно усложнились и для них потребовалось значительно больше генетической информации, чем та, которую могли стабильно поддерживать молекулы РНК.

Рис. 1-12. Предполагаемые стадии эволюции от простых самореплицирующихся систем молекул РНК до современных клеток, у которых ДНК является хранилищем генетической информации, а РНК выполняет роль посредника в осуществлении белкового синтеза.

Заключение Живые клетки скорее всего появились на Земле приблизительно 3,5 млрд, лет назад в результате спонтанной агрегации молекул.

Изучение совре- менных организмов и содержащихся в них молекул позволяет предполагать, что развитие автокаталитических механизмов, присущих живым системам, началось с эволюции группы молекул РНК, которые могли катализировать собственную репликацию. Со временем одна из этих групп согласованно катализирующих РНК приобрела способность к прямому синтезу полипептидов. Первые клетки, по-видимому, широко использовали каталитические функции и РНК, и белков, а в качестве вещества наследственности содержали только РНК. После того как накопление дополнительных каталитических белков сделало возможным развитие более эффективных и сложных клеток, двухцепочечная ДНК заменила РНК в роли хранителя генетической информации.

1.2. От прокариот - к эукариотам [6] Существует предположение, что все ныне живущие организмы произошли из единственной, возникшей несколько миллиардов лет назад первобытной клетки. Пережив своих конкурентов, эта клетка положила начало процессу клеточного деления и эволюции, который в конце концов создал зеленый покров Земли, изменил состав ее атмосферы и сделал ее родиной разумной жизни. Видимо, только так можно объяснить «фамильное сходство» между всеми организмами. На эволюционном пути имеется важная веха. Приблизительно 1,5 млрд. лет назад произошел переход от маленьких клеток со сравнительно простой внутренней структурой (так называемых прокариот, к которым относятся различные бактерии) к большим по размеру и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам, подобным клеткам высших животных и растений.

1.2.1. Прокариотические клетки имеют простую структуру, но различаются по биохимическим свойствам [7] Бактерии - наиболее простые организмы, обнаруженные в большинстве природных сред обитания. Это - сферические или удлиненные клетки обычно размером в несколько микрометров (рис. 1-13). Как правило, у них имеется жесткая защитная оболочка, называемая клеточной стенкой, под которой находится плазматическая мембрана, ограничивающая единственный цитоплазматический компартмент, содержащий ДНК, РНК, белки и малые молекулы. В электронном микроскопе содержимое таких клеток имеет вид матрикса различной плотности без явно выраженных организованных внутренних структур (см. рис. 1-8, А).

Бактерии малы и способны быстро размножаться путем простого бинарного деления. При избытке питательных веществ «выживание наиболее приспособленных» обычно означает выживание тех, которые быстрее всех делятся. В оптимальных условиях прокариотическая клетка может делиться каждые 20 минут и, таким образом, образовать до 5 млрд. клеток (что приблизительно равно населению земного шара) менее, чем за 11 часов. Благодаря способности быстро делиться бактериальные популяции с легкостью адаптируются к изменениям окружающей среды.

Например, в лабораторных условиях популяция бактерий, поддерживаемая в большом сосуде, за несколько недель благодаря спонтанным мутациям и естественному отбору приобретает способность использовать в качестве источника углерода новые типы Сахаров.

В природе бактерии занимают невообразимое множество экологических ниш, и столь же многообразным оказывается их биохимическое строение. Различают две группы бактерий: эубактерии - часто встречающиеся формы, населяющие почву, воду и другие организмы, и архе- Рис. 1-13. Некоторые прокариотические клетки, изображенные в одинаковом масштабе.

Рис. 1-14. Родственные связи между современными бактериями (стрелками показаны вероятные пути эволюции). Происхождение эукариотических клеток обсуждается дальше в тексте.

бактерии, встречающиеся в таких неудобных средах обитания, как болота, океанские глубины, очень соленые воды и горячие кислые источники (рис. 1-14).

Существуют виды бактерий, способные питаться практически любыми органическими молекулами - сахарами, аминокислотами, жирами, углеводами, полипептидами и полисахаридами. Некоторые даже могут получать атомы углерода из СО2 и атомы азота из N2. Несмотря на относительно простое строение, бактерии живут на Земле дольше любых других организмов и превосходят по численности все другие типы клеток.

1.2.2. Развитие метаболических реакций Бактерии, которая растет в растворе солей, содержащем в качестве единственного источника углерода глюкозу, необходимо осуществлять множество химических реакций. Она должна не только извлечь из глюкозы химическую энергию, необходимую для многих жизненно важных процессов, но и использовать атомы углерода для синтеза всех необходимых клетке органических молекул. Эти реакции катализируются сотнями ферментов, последовательно работающих в «цепях» химических реакций, так что продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Такие цепи ферментативных реакций, называемые метаболическими путями, обсуждаются в следующей главе.

Вначале, когда жизнь на Земле только зародилась, в метаболических реакциях, видимо, не было необходимости: клетки могли жить и расти, питаясь окружающими их молекулами - наследием первобытного бульона. По мере истощения этих естественных ресурсов большое преимущество при отборе должны были получить организмы, вырабатывающие ферменты для образования органических молекул. Считается, что таким образом наличный комплект клеточных ферментов постепенно увеличивался, и в результате возникли метаболические пути современных организмов. Два возможных варианта эволюции метаболических путей проиллюстрированы на рис. 1-15.

Если эволюция метаболических путей шла путем последовательного добавления новых ферментативных реакций к существовавшим ранее, то, подобно самым старым годовым кольцам на срезе ствола, наиболее древние реакции должны находиться ближе всего к центру «метаболического древа» - там, где синтезируются наиболее существенные молекулярные «кирпичики». Такое центральное положение в метаболизме прочно занимают реакции с участием фосфатов Сахаров, в самом центре которых, видимо, находится последовательность реакций, называемая гликолизом и способная осуществлять расщепление глюкозы в отсутствие кислорода (т. е. анаэробно). Самые древние из метаболических путей Рис. 1-15. Схема, иллюстрирующая два возможных механизма возникновения метаболических путей. Клетка слева имеет в своем распоряжении запасы родственных соединений (А, Б, В, Г), возникшие благодаря пребиотическому синтезу. Одно из соединений (Г) метаболически полезно. По мере истощения запасов этого соединения преимущество при отборе получают те клетки, которые «учатся» синтезировать новый фермент, катализирующий образование Г из В. Последовательное повторение подобных этапов могло бы привести к развитию важных метаболических путей. В клетке, показанной справа, в изобилии имеется метаболически полезное соединение А. В процессе эволюции возникает фермент, который случайно оказывается способным превращать соединение А в соединение Б. Затем клетка претерпевает другие изменения, позволяющие ей использовать это новое вещество. Дальнейшее появление новых ферментов может в конце концов привести к возникновению длинной цепи реакций.

должны были быть анаэробными, поскольку в атмосфере первобытной Земли кислорода не было. Практически во всех живых клетках протекают реакции гликолиза, сопровождающиеся образованием аденозинтрифосфата, или АТР, - соединения, используемого всеми клетками в качестве источника легкодоступной химической энергии.

С находящимися в центре обмена веществ превращениями фосфатов Сахаров связаны сотни других химических реакций. Часть из них отвечает за синтез малых молекул, многие из которых в свою очередь используются в дальнейших реакциях синтеза больших, специфических для конкретного организма полимеров. Другие реакции участвуют в расщеплении сложных молекул пищи до более простых химических соединений.

Одна из наиболее поразительных особенностей всех этих Рис. 1-16. Эволюционное родство организмов по данным секвенирования (определения нуклеотидных последовательностей) генов рибосомной РНК малой субъединицы. Эти гены содержат высококонсервативные последовательности, меняющиеся столь медленно, что их можно использовать для «измерения» филогенетического родства между представителями всех групп живых организмов. Из этих данных следует, что в ходе эволюции эукариотических клеток линии растений, животных и грибов дивергировали от общего предка сравнительно поздно. (По М. L. Sogin, H.J.

Elwood, J. H. Gunderson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 1383-1387, 1986.) реакций - это то, что они протекают в любых типах организмов. Конечно, существуют и отличия: многие специфические продукты метаболизма присущи только некоторым родам или видам. Например, общая для всех аминокислота лизин синтезируется различными путями у бактерий, дрожжей и зеленых растений, и совсем не синтезируется у высших животных. Тем не менее в широком смысле подавляющее большинство реакций и катализирующих их ферментов характерно для всех живых существ - от бактерий до человека. Поэтому считается, что примитивные исходные клетки, породившие все живое, уже выполняли эти реакции. Ферменты, катализирующие основные метаболические реакции, по мере дивергенции организмов постепенно модифицировались, не изменяя при этом своей основной функции. Поэтому аминокислотные последовательности одного и того же типа фермента в различных современных организмах, содержат исключительно ценную информацию об эволюционном родстве этих видов.

Полученные таким путем данные хорошо согласуются с результатами других исследований, например с изучением ископаемых остатков. Еще более богатый источник информации заключен в нуклеотидных последовательностях ДНК современных клеток. Сравнение высококонсервативных последовательностей, которые детерминируют основные функции (и, следовательно, очень медленно меняются в ходе эволюции), позволяет судить о родстве давно дивергировавших организмов (рис. 1-16). Более быстро эволюционировавшие последовательности могут использоваться для оценки эволюционных процессов у родственных видов (рис. 1-17). Можно надеяться, что применение этих методов позволит с беспрецедентной точностью проследить ход эволюционного процесса.

Рис. 1-17. К кому ближе человек, к горилле или орангутану? Ответ на этот вопрос можно получить, проанализировав последовательности ДНК этих видов и построив родословную, представленную в верхней части рисунка. Для выяснения филогенетического родства между близкородственными организмами обычно используют митохондриальную ДНК, поскольку она эволюционирует примерно в 5-10 раз быстрее, чем ядерная ДНК. В нижней части рисунка приведена последовательность первых 75 нуклеотидов одного и того же гена (митохондриальный ген, кодирующий субъединицу NAD-дегидрогеназы) для каждого из видов. Цветными буквами отмечены участки, по которым горилла и орангутан отличаются от человека. Прямоугольники под нуклеотидными последовательностями обозначают аминокислоты в соответствующих белках. Названия аминокислот, если они отличаются от соответствующих аминокислот человека, также выделены цветом. Проведенный анализ показывает, что последовательность гориллы отличается от последовательности человека на 10%, а орангутана - на 17%. Предполагая, что эти различия обусловлены случайными мутациями, появляющимися с одинаковой частотой в линии каждого вида, можно вывести родословную, показанную на схеме А. (Данные из W. M. Brown, Е. М. Prager, A. Wang, А. С. Wilson, J. Mol. Biol., 18;

225-239, 1982.) 1.2.3 Цианобактерии способны фиксировать СО2 и N Самые ранние стадии метаболизма появились в ходе эволюции для того, чтобы восполнить недостачу органических молекул, образовавшихся еще в пребиотических условиях. Что же произошло, когда запас подобных соединений полностью истощился? В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные использовать атомы углерода и азота (в виде СО2 и N2) из атмосферы. Но углекислый газ и молекулярный азот хотя и имеются в изобилии, очень стабильны. Их превращение в доступную для усвоения форму (органических молекул, таких, как простые сахара) требует большого количества энергии и значительного числа сложных химических реакций.

Для использования СО2 в ходе эволюции возник механизм фотосинтеза, в процессе которого СО2 превращается в органическое соединение за счет энергии солнечного излучения. Взаимодействие солнечного света с пигментной молекулой - хлорофиллом - переводит электрон в более высокое энергетическое состояние. Энергия, высвобождаемая при обратном переходе электрона на более низкий энергетический уровень, направляется молекулами белка на проведение химических реакций.

По всей вероятности, одной из первых реакций с использованием солнечного света было фосфорилирование нуклеотидов с образованием АТР - богатого энергией соединения. Другой важный этап в ходе эволюции - создание «восстановительной силы» (восстановительных эквивалентов). Дело в том, что атомы азота и углерода в СО2 и N2 атмосферы находятся в инертном окисленном состоянии, и один из путей сделать их более реакционноспособными, с тем чтобы они могли участвовать в биосинтезе, - это восстановить их, т.е. передать им электроны.

Восстановление идет следующим образом. Хлорофилл, используя энергию солнечного света, отбирает электроны у слабых доноров электронов и переносит их на сильные доноры электронов, которые в свою очередь используются для восстановления СО2 и N2. Анализ механизмов фотосинтеза у современных бактерий позволяет сделать вывод о том, что одним из первых источников электронов был Н2S, конечным продуктом обмена (метаболическим отходом) которого должна была быть элементарная сера. Значительно позже развился куда более сложный, но, как оказалось, более полезный процесс «извлечения» электронов из Н2О. В результате в качестве отхода в земной атмосфере начал накапливаться кислород.

В современном мире основной путь, по которому углерод и азот включаются в органические молекулы и поступают в биосферу, реализуется в процессе жизнедеятельности цианобактерий (называемых также синезелеными водорослями). К этой группе относятся наиболее автономные из ныне живущих организмов. Они способны «фиксировать» СО2 и N2 и существовать только за счет воды, воздуха и солнечного света, причем механизмы, с помощью которых это достигается, в своих общих чертах, по-видимому, не изменились более чем за 1 млрд. лет. Вместе с другими бактериями, обладающими некоторыми из этих способностей, цианобактерий создали условия, в которых могли развиваться более сложные типы организмов: как только одна группа организмов преуспела в синтезе всего диапазона органических компонентов клетки из неорганических веществ, другие организмы получили возможность существовать, питаясь первичными продуцентами и продуктами их жизнедеятельности.

1.2.4. Бактерии могут осуществлять аэробное окисление молекул пищи Многие сегодня справедливо обеспокоены влиянием человеческой деятельности на окружающую среду. Однако в прошлом другие организмы, хотя и значительно медленнее, тоже вызывали радикальные изменения условий на Земле. Лучше всего это видно на примере состава земной атмосферы, которая с появлением фотосинтеза превратилась из практически лишенной молекулярного кислорода смеси газов в смесь, в которой содержание кислорода составляет 21%.

Учитывая высокую химическую активность кислорода и его способность реагировать с большинством компонентов цитоплазмы, можно сделать вывод, что для многих ранних организмов кислород, видимо, был токсичен (как и для многих современных анаэробных бактерий). Однако именно благодаря высокой реакционной способности кислород способен выступать в роли «поставщика» химической энергии, и не удивительно, что в ходе эволюции организмы использовали это свойство. С помощью кислорода живые существа способны более полно окислять молекулы пищи. Например, в отсутствие кислорода глюкоза может быть расщеплена только до молочной кислоты или этилового спирта, конечных продуктов анаэробного гликолиза. В присутствии же кислорода глюкоза полностью расщепляется до Н2О и СО2. Таким способом можно получить значительно больше энергии из каждого грамма глюкозы. Энергия, высвобождаемая при аэробном окислении молекул пищи, называемом обычно дыханием, используется для синтеза АТР, подобно тому как у фотосинтезирующих организмов АТР образуется за счет солнечной энергии. В обоих случаях происходит ряд последовательных реакций переноса электронов, которые создают разность концентраций ионов Н+ внутри и снаружи небольших ограниченных мембранами компартментов. Полученный таким образом градиент концентрации Н+ служит источником энергии для синтеза АТР. На сегодняшний день дыхание характерно для подавляющего большинства организмов, включая и большинство прокариот.

1.2.5. Клетки эукариот содержат несколько характерных органелл Как же повлияло накопление молекулярного кислорода в атмосфере на анаэробные организмы, положившие начало жизни на Земле? В мире, богатом кислородом, который не мог быть ими использован, такие организмы оказались в невыгодных условиях. Некоторые из них, без сомнения, вымерли. Другие либо развили способность к дыханию, либо нашли экологические ниши, практически лишенные кислорода, и продолжили в них анаэробное существование. По всей вероятности, существовал и третий класс организмов, который выбрал значительно более хитрую и неизмеримо более богатую отдаленными последствиями стратегию выживания. Считается, что организмы этого класса вступили в симбиоз с аэробными клетками, а затем образовали с ними прочную ассоциацию. Это - наиболее привлекательное объяснение возникновения современных клеток эукариотического типа (схема 1-1), о которых в основном и пойдет речь в книге.

Эукариотические клетки по определению и в отличие от прокариотических имеют ядро (по гречески «карион»). Ядро, в котором находится большая часть клеточной ДНК, ограничено двойной мембраной (рис. 1-18). Таким образом, компартмент, содержащий ДНК, отделен от остального содержимого клетки - цитоплазмы, где протекает большинство метаболических реакций. В самой цитоплазме различают множество характерных органелл. Среди них особенно выделяются два типа-ми- Схема 1-1. Основные органеллы эукариотических клеток.

Рис. 1-18. В ядре содержится большая часть ДНК эукариотической клетки. Ядро отчетливо видно на электронной микрофотографии тонкого среза клетки млекопитающего. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.) Рис. 1-19. Электронная микрофотография хлоропласта клетки мха. Видна разветвленная система внутренних мембран. Уплощенные мембранные мешочки, содержащие хлорофилл, организованы в стопки, или граны (Г). Этот хлоропласт содержит также большие скопления крахмала (К). (С любезного разрешения J. Burgess.) Рис. 1-20. Митохондрии осуществляют окислительное расщепление питательных веществ во всех эукариотических клетках. Как видно на этой электронной микрофотографии, их наружная мембрана гладкая, а внутренняя очень извилистая. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.) тохондрии и хлоропласты (рис. 1-19 и 1-20). Каждая из этих органелл окружена собственной двойной мембраной, отличающейся по химическим свойствам от мембраны, окружающей ядро. Митохондрии - почти универсальный компонент эукариотических клеток, тогда как хлоропласты встречаются лишь в тех эукариотических клетках, которые способны к фотосинтезу, т. е. в клетках растений, но не животных и грибов. Считается, что обе органеллы имеют симбиотическое происхождение.

1.2.6. Эукариотические клетки зависят от митохондрий, осуществляющих окислительный метаболизм Митохондрии во многом похожи на свободноживущие прокариотические организмы: например, они напоминают бактерий по форме и размеру, содержат ДНК, производят белок и размножаются делением. Разрушив эукариотические клетки и разделив их компоненты, можно показать, что митохондрии ответственны за дыхание и что ни в каких других частях клетки этот процесс не происходит. Без митохондрий клетки животных и грибов были бы анаэробами, зависимыми в своих энергетических потребностях от сравнительно малоэффективного и архаичного процесса гликолиза. Многие современные бактерии могут дышать, причем механизм этого дыхания имеет явное сходство с дыханием у митохондрий, и есть все основания думать, что эукариотические клетки являются потомками примитивных анаэробных организмов, которые выжили в богатом кислородом мире, поглотив аэробных бактерий. Они поддерживали их в состоянии симбиоза ради присущей им способности потреблять атмосферный кислород и производить энергию. Анализ некоторых современных организмов свидетельствует о возможности такого эволюционного события. Существует несколько сотен видов одноклеточных эукариот, которые напоминают гипотетический предковый эукариотический организм тем, что живут в условиях дефицита кислорода (например, в кишечнике животных) и совсем не имеют митохондрий. Сравнение нуклеотидных последовательностей, проведенное в последнее время, дает основание предполагать, что одна группа таких организмов, микроспоридии, очень рано в эволюции ответвилась от линии, ведущей к другим эукариотическим клеткам. Другой представитель эукариот, амеба Pelomyxa palustris, хотя и лишен митохондрий, все же осуществляет окислительный метаболизм, «приютив» в своей цитоплазме аэробных бактерий и установив с ними постоянные симбиотические отношения. Таким образом, существование микроспоридий и Pelomyxa свидетельствует о реальности двух этапов в эволюции эукариот, к которым относимся и мы сами.

Приобретение митохондрий должно было иметь много последствий. Например, у прокариотических клеток плазматическая мембрана тесно связана с образованием энергии, в то время как у эукариотических клеток эта важнейшая функция передана митохондриям. Кажется вполне вероятным, что освобождение плазматической мембраны эукариотической клетки от этой функции позволило ей приобрести новые свойства. В частности, поскольку эукариотическим клеткам не нужно поддерживать высокий градиент Н+ на своей мембране (что необходимо для производства АТР у прокариот), у них появляется возможность использовать контролируемые изменения в ионной проницаемости плазматической мембраны в целях клеточной сигнализации. Следовательно, одновременно с возникновением эукариот в плазматической мембране появляются ионные каналы.

В настоящее время у высших организмов эти каналы опосредуют сложные процессы передачи электрических сигналов (в частности, в нервной системе), а у одноклеточных свободноживущих эукариот, таких, как простейшие, они во многом определяют их поведение (см. ниже).

1.2.7. Хлоропласты представляют собой потомков «захваченных» прокариотических клеток Хлоропласты осуществляют фотосинтез в значительной степени так же, как прокариоты-цианобактерии, солнечный свет у них поглощается присоединенным к мембранам хлорофиллом. Некоторые Хлоропласты по строению во многом напоминают цианобактерии, например сходными могут быть их размеры и способ укладки в слои хлорофиллсодержащих мембран (рис. 1-20). Показано также, что хлоропласты размножаются делением, а нуклеотидная последовательность их ДНК почти полностью гомологична определенным участкам бактериальной хромосомы. Все это наводит на мысль, что хлоропласты и цианобактерии имеют общего предка и что хлоропласты произошли от прокариот, «захваченных» когда-то эукариотическими клетками. Прокариоты осуществляли фотосинтез для клеток-хозяев в обмен на предоставляемые Рис. 1-21. Организм, близкородственный современным цианобактериям, но являющийся облигатным симбионтом другой клетки (вместе эти два организма известны как Cyanophora paradoxa). Показан момент деления «цианобактерии». (С любезного разрешения Jeremy D. Pickett-Heaps.) Рис. 1-22. Гипотеза о происхождении эукариот путем симбиоза аэробных и анаэробных прокариот последними «приют» и питание. Симбиоз фотосинтезирующих клеток с другими типами клеток - явление достаточно частое, и ряд современных эукариотических клеток содержат в себе истинные цианобактерии (рис. 1-21).

Таблица 1-1. Сравнение прокариотических и эукариотических организмов Прокариоты Эукариоты Организмы Бактерии и цианобактерии Протисты, грибы, растения и животные Размер клеток Обычный линейный размер 1-10 мкм Обычный линейный размер 10 100 мкм Метаболизм Анаэробный или аэробный Аэробный Органеллы Немногочисленны или отсутствуют Ядро, митохондрии, хлоропласты, эндоплазматический ретикулум и др.

ДНК Кольцевая ДНК в цитоплазме Очень длинная ДНК с большим количеством некодирующих участков организована в хромосомы и окружена ядерной мембраной РНК и белки РНК и белки синтезируются в одном Синтез и процессинг РНК происходят в ядре, синтез белков компартменте в цитоплазме Цитоплазма Отсутствие цитоскелета, движения Имеются цитоскелет из белковых волокон, движение цитоплазмы, эндо- и экзоцитоза цитоплазмы, эндоцитоз и экзоцитоз Деление клеток Бинарное деление Митоз (или мейоз) Клеточная организация Преимущественно одноклеточные Преимущественно многоклеточные с клеточной дифференцировкой На рис. 1-22 показано эволюционное происхождение эукариот в соответствии с симбиотической теорией. Следует отметить, что митохондрии и хлоропласты, проявляя определенное сходство с современными аэробными бактериями и цианобактериями, в то же время во многих отношениях отличаются от них. Например, количество ДНК в этих органеллах очень мало, большинство составляющих их молекул синтезируется вне органелл и лишь затем в них транспортируется. Если считать, что митохондрии и хлоропласты действительно возникли из симбиотических бактерий, то следует признать, что они претерпели значительные эволюционные изменения и стали весьма зависимыми от своих хозяев.

Для современных эукариот характерно не только наличие митохондрий, им присущ целый ряд особенностей, отличающих их от прокариот (табл. 1-1). Вместе все эти особенности наделяют эукариотические клетки большим количеством различных потенциальных возможностей, и трудно сказать, какая из них возникла раньше других. Заметим, что важнейшим шагом на пути эволюции было появление митохондрий в анаэробных эукариотических клетках, поскольку вместе с ними клетки получали эффективный источник энергии и могли направить ее на усложнение своих функций.

1.2.8. Эукариотические клетки содержат множество различных внутренних мембран Объем эукариотических клеток, как правило, в 1000 и более раз превышает объем клеток прокариот. Соответственно больше в эукариотических клетках и разнообразного клеточного материала, например содержание ДНК в клетках человека в 1000 раз превышает ее количество в клетках бактерий. Известно, что именно на мембране протекает ряд важнейших реакций, связанных с поступлением в клетку сырья для метаболизма и выходом соответствующих продуктов во внеклеточное пространство. Вот почему большой объем эукариотических клеток требует значительного увеличения поверхности их мембраны по сравнению с клетками прокариот. Но согласно законам геометрии, при простом увеличении размеров какого-либо предмета его объем возрастает как куб линейного размера, а площадь поверхности - лишь как квадрат. Поэтому для сохранения необходимого соотношения площади поверхности и объема большие эукариотические клетки вынуждены увеличивать свою поверхность за счет изгибов, складок и других усложнений формы мембраны.

Сложность строения мембран - одна из основных особенностей всех эукариотических клеток. Мембраны окружают ядро, митохондрии и (у Рис. 1-23. Электронная микрофотография тонкого среза клетки млекопитающего, на которой виден гладкий и шероховатый эндоплазматический ретикулум (ЭР). Участки гладкого ЭР участвуют в липидном обмене, участки шероховатого, усыпанные рибосомами, являются местами синтеза белков. Синтезированные белки покидают цитозоль и входят в некоторые другие компартменты клетки. (С любезного разрешения George Palade.) Рис. 1-24. Электронная микрофотография среза клетки млекопитающего. Виден аппарат Гольджи. Эта структура состоит из нескольких слоев уплощенных мембранных пузырьков (см. также схему 1-1). Аппарат Гольджи участвует в синтезе и упаковке материала, предназначенного для секреции из клетки, а также в транспорте новосинтезированных белков в отведенный для них клеточный компартмент. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.) растений) хлоропласты. Они образуют лабиринт эндоплазматического ретикулума (рис. 1-23), где синтезируются липиды и мембранные белки, а также материал, предназначенный для экспорта из клетки. Мембраны формируют стопки уплощенных пузырьков, составляющих аппарат Гольджи (рис. 1-24), который тоже участвует в синтезе и транспорте различных органических молекул. Мембраны окружают лизосомы, содержащие запас ферментов, необходимых для внутриклеточного пищеварения, и таким образом защищают от действия этих ферментов белки и нуклеиновые кислоты самой клетки. Точно так же мембраны окружают пероксисомы, где в процессе окисления различных молекул образуются и разлагаются опасные высоко-реакционноспособные перекиси (пероксиды). Мембраны образуют также маленькие везикулы (пузырьки) и большие, заполненные жидкостью вакуоли (у растений). Все эти окруженные мембранами структуры соответствуют определенным компартментам цитоплазмы. В совокупности они занимают почти половину объема типичной живой клетки. Цитоплазматический компартмент, лишенный всех окруженных мембранами органелл, обычно называют цитозолем.

Все перечисленные нами мембранные структуры находятся внутри клетки. Как же в таком случае они могут влиять на площадь ее поверхности? Ответ заключается в том, что между внутриклеточными, окруженными мембранами структурами и внеклеточной средой происходит обмен. Он осуществляется с помощью двух уникальных для эукариотических клеток процессов: эндоцитоза и экзоцитоза. При эндоцитозе некоторые участки наружной поверхностной мембраны впячиваются и отрываются, образуя цитоплазматические мембранные пузырьки, содержащие вещества, которые находились во внешней среде или были адсорбированы на поверхности клетки. Таким способом в цитоплазму могут попасть весьма крупные частицы и даже целые клетки (фагоцитоз). Экзоцитоз - обратный процесс, при котором внутриклеточные мембранные пузырьки сливаются с плазматической мембраной, высвобождая тем самым свое содержимое во внешнюю среду. Благодаря описанному механизму, расположенные глубоко внутри клетки и окруженные мембранами компартменты увеличивают эффективную поверхность клетки, участвующую в обмене веществ с внешней средой.

Как мы увидим в дальнейших главах, различные мембраны и окруженные ими компартменты эукариотических клеток стали высокоспециализированными: одни предназначены для секреции, другие - для всасывания, третьи - для определенных биосинтетических процессов и т. д.

1.2.9. Эукариотические клетки имеют скелет Чем больше клетка, чем сложнее и специализированнее ее внутренние структуры, тем больше необходимость контролировать положение и перемещение этих структур. Все эукариотические клетки имеют внутренний скелет цитоскелет, определяющий форму клеток, их способность двигаться и перемещать органеллы из одной части клетки в другую. Цитоскелет образован сетью белковых волокон. Наиболее важные среди них - это актиновые нити и микротрубочки (рис. 1-25), которые, очевидно, возникли на очень ранних этапах эволюции, так как встречаются у всех эукариот практически в неизменном виде. И те, и другие участвуют в механизмах клеточных движений, например, актиновые нити (филаменты) обеспечивают мышечное сокращение, а микротрубочки являются основными структурными и силовыми элементами, обусловливающими движение ресничек и жгутиков - длинных выростов на поверхности некоторых клеток, биения которых напоминают удары бича.

Рис. 1-25. На этой микрофотографии, полученной с помощью техники глубокого травления, видна сеть актиновых филаментов, подстилающая плазматическую мембрану животной клетки. (С любезного разрешения John Heuser.) Актиновые нити и микротрубочки существенны также для внутренних перемещений, которые имеют место в цитоплазме эукариотических клеток. Так, микротрубочки в форме митотического веретена - важнейшая часть аппарата, обеспечивающего правильное распределение ДНК в процессе деления эукариотических клеток. Без микротрубочек эукариотические клетки просто не могли бы воспроизводиться, поскольку движение путем простой диффузии было бы либо слишком медленным, либо слишком неупорядоченным.

Существует предположение, что большинство органелл эукариотических клеток прямо или косвенно прикреплены к цитоскелету и могут перемещаться только вдоль его направляющих элементов.

1.2.10. К царству простейших относятся наиболее сложные из известных клеток Насколько сложно может быть устроена одиночная эукариотическая клетка, легче всего проиллюстрировать на примере протистов (рис.

1-26). Это свободноживущие одноклеточные эукариоты, возникшие разными эволюционными путями (см. рис. 1-16) и демонстрирующие чрезвычайное разнообразие форм и поведения: они могут быть фотосинтезирующими и хищными, подвижными и прикрепленными. Часто их характеризует сложное строение, например они могут включать чувствительные щетинки, фоторецепторы, жгутики, ногоподобные отростки, ротовой аппарат, жалящие иглы и мышечноподобные пучки сократительных волокон. Хотя все протисты являются одноклеточными, они могут быть организованы столь же сложно, как многие многоклеточные организмы. Все это особенно верно в отношении группы протистов, называемых простейшими, или «первыми животными».

Didinium - хищное простейшее. Оно имеет округлое тело диаметром около 150 мкм, окаймленное двумя рядами ресничек, передний край уплощен и имеет одиночный рылообразный выступ (рис. 1-27). Didinium быстро плавает в воде благодаря синхронным биениям своих ресничек.

Встретив подходящую жертву (обычно другое простейшее, Paramecium), хищник выпускает из своего рыльца множество маленьких парализующих жал. Затем Didinium прикрепляется к Paramecium и пожирает ее, выворачиваясь как полый шар, чтобы поглотить клетку почти такого же размера, как он сам. Большую часть этого сложного поведения плавание, парализацию и поглощение жертвы - обеспечивают цитоскелетные структуры, подстилающие цитоплазматическую мембрану. Этот кортикальный слой включает, например, параллельные пучки микротрубочек, образующие сердцевину каждой реснички и обусловливающие способность к биениям.

Рис. 1-26. Набор простейших, демонстрирующий огромное разнообразие этого класса одноклеточных организмов. Рисунки сделаны с разным увеличением, но для каждого организма приводится шкала в 10 мкм. Организмы А, Б, Д, Е и И принадлежат к реснитчатым, В - к эвгленовидным, Г - амебам, Ж - жгутиковым, З - солнечникам. (Из М. A. Sleigh, The Biology of Protozoa. London: Edward Arnold, 1973.) Хищное поведение Didinium, а также свойства, благодаря которым оно реализуется: крупный размер, способность к фагоцитозу и способность двигаться, преследуя добычу, присущи исключительно эукариотам. Весьма вероятно, что эти свойства возникли очень рано в эволюции эукариот и именно это сделало возможным захват ими бактерий для «одомашнивания» в качестве митохондрий и хлоропластов.

1.2.11. Гены можно включать и выключать Заметим, что простейшие при всей сложности их организации - это далеко не вершина эволюции эукариот. Более впечатляющие достижения на эволюционном пути были получены не путем концентрирования всяческих усложнений в одиночной клетке, а путем разделения обязан- Рис. 1-27. Приведенная электронная микрофотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа. Видно, как простейшее пожирается другим простейшим. Простейшие - это одноклеточные животные, которым присуще поразительное разнообразие форм и поведения. Ресничная инфузория Didinium (слева) имеет два периферических кольца подвижных ресничек и рылообразный выступ спереди, с помощью которого она захватывает добычу. Справа показано, как Didinium заглатывает другое простейшее, Paramecium. (С любезного разрешения D. Barlow.) ностей между различными типами клеток. Эволюция создала многоклеточные организмы, клетки которых, хотя и имеют одинаковое происхождение, претерпевают дифференцировку, в результате чего они становятся специализированными для выполнения определенных функций и образуют соответствующие органы.

Различные специализированные типы клеток одного и того же высшего растения или животного часто выглядят совершенно по-разному (схема 1-2). Это кажется парадоксальным, поскольку все клетки многоклеточного организма являются потомками одной и той же клетки предшественницы, а именно оплодотворенной яйцеклетки. Общее происхождение подразумевает наличие одинаковых или сходных генов. Как же возникают различия? В редких случаях клетки при специализации теряют часть генетического материала крайним примером могут служить эритроциты млекопитающих, у которых в ходе дифференцировки теряется ядро. Однако подавляющее большинство клеток почти всех видов растений и животных сохраняет всю генетическую информацию, содержащуюся в оплодотворенной яйцеклетке. В основе специализации лежат не потеря или приобретение генов, а изменение в их экспрессии.

Даже бактерии не синтезируют постоянно все возможные типы белков и способны регулировать уровень происходящих в них процессов в соответствии с условиями внешней среды. Например, белки, необходимые для усваивания (метаболизма) лактозы, производятся некоторыми бактериями только в том случае, если этот сахар имеется в среде в виде единственного углевода. Другие бактерии, попав в неблагоприятные условия, прекращают большинство нормальных метаболических процессов и образуют споры, имеющие плотную непроницаемую наружную стенку и цитоплазму измененного состава.

У эукариотических клеток развились куда более сложные механизмы контроля экспрессии генов, затрагивающие целые системы взаимодействующих генных продуктов. Как внешние, так и внутренние сигналы активируют или подавляют группы генов. При дифференцировке клеток должны координированно измениться и состав мембран, и цитоскелет, и секретируемые продукты, и даже метаболизм. Сравните, например, приспособленную к сокращению клетку скелетной мышцы и остеобласт - секретирующий твердый матрикс кости - у одного и того же животного (схема 1-2). Столь радикальные различия в типе клеток обусловлены стабильными изменениями в экспрессии генов. Механизмы, контролирующие такие изменения, развились у эукариот до беспрецедентной для прокариот степени.

1.2.12. Клетки эукариот содержат значительно больше ДНК, чем это необходимо для кодирования белков В эукариотических клетках очень много ДНК. Как мы уже говорили, в клетках человека ее почти в 1000 раз больше, чем в типичной бактериальной клетке, а в клетках некоторых амфибий в 10 раз больше, чем клетках человека (рис. 1-28). Однако, по-видимому, лишь малая часть этой ДНК (возможно, около 1 % в клетках человека) действительно кодирует белки. Зачем же нужны остальные 99% ДНК? Одна из гипотез состоит в том, что она просто увеличивает массу ядра. По другой гипотезе, эта ДНК - собрание бесполезных для клетки последовательностей, веками накапливавшихся в ней в результате использования клеточных механизмов синтеза для собственного размножения. Действительно, в ДНК многих видов обнаружены так называемые мобильные (подвижные) элементы - последовательности, способные внезапно «перепрыгивать» из одного участка ДНК в другой и даже Схема 1-2. Некоторые типы клеток позвоночных животных.

Рис. 1-28. Сравнение хромосом тритона, человека и плодовой мушки, представленных в одном масштабе. Если судить по общему размеру хромосом, на одну клетку у человека приходится больше ДНК, чем у плодовой мушки, но меньше, чем у тритона. Некоторые растения, такие, как лилия, имеют больше ДНК, чем некоторые животные. (По данным Н. С. Macgregor, Philos. Trans. R. Soc. Lond. (Biol.), 283, 309-318, 1978.) встраивать в новые места свои дополнительные копии. Мобильные элементы могут, таким образом, размножаться, подобно медленно развивающейся инфекции, составляя все более увеличивающуюся часть генетического материала.

Но эволюция использует все возможности. Вне зависимости от происхождения некодирующей ДНК сейчас она, наверняка, выполняет какую-то важную функцию. Например, часть этой ДНК играет структурную роль, позволяя генетическому материалу конденсироваться или «упаковываться» определенным образом. Другая часть «лишней» ДНК - регуляторная и участвует во включении и выключении генов, направляющих синтез белков, играя, таким образом, ключевую роль в сложных механизмах регуляции экспрессии генов эукариотической клетки.

1.2.13. Генетический материал эукариотических клеток упакован очень сложно ДНК эукариотических клеток имеет столь большую длину, что риск ее запутывания или разрыва очень велик. Вероятно, по этой причине в процессе эволюции возникли гистоны - характерные для эукариот белки, связывающиеся с ДНК и скручивающие ее в компактные и более удобные для ряда клеточных процессов хромосомы (рис. 1-29). Уплотнение хромосом является существенной частью подготовки эукариотических клеток к делению (рис. 1-30). ДНК всех эукариот (за одним небольшим исключением) связана с гистонами. Об исключительно важном значении этих белков свидетельствует тот факт, что они ведут себя крайне консервативно в процессе эволюции: некоторые из гистонов гороха идентичны (с точностью до аминокислоты) соответствующим гистонам коровы.

В эукариотических клетках с ДНК кроме гистонов связано множество других белков. Некоторые из них, влияя на способность ДНК взаимодействовать с разнообразными молекулами, изменяют набор экспрессирующихся генов, отличающий один тип специализированных клеток от другого.

Рис. 1-29. Схема, показывающая, как положительно заряженные белки, называемые пистонами, способствуют скручиванию ДНК в хромосомах.

Рис. 1-30. Схематическое изображение эукариотической клетки в митозе. Слева - животная клетка, справа - растительная. Ядерная оболочка разрушена, а реплицированная ДНК сконденсирована в два полных набора хромосом. Митотическое веретено, состоящее в основном из микротрубочек, распределяет по одному набору хромосом в каждую из новообразующихся клеток.

Мембраны, окружающие ядра эукариотических клеток, защищают связанный с ДНК тонкий механизм контроля от многих происходящих в цитоплазме химических изменений. Кроме того, они позволяют пространственно разобщить две ключевые стадии экспрессии генов: 1) синтез РНК по матрице ДНК (транскрипцию ДНК) и 2) использование этих последовательностей РНК для синтеза определенных белков (трансляцию РНК). В прокариотических клетках нет такой компартментации и трансляция РНК с образованием белка происходит по мере образования РНК при транскрипции, начинаясь раньше, чем завершился синтез РНК. У эукариот, напротив (за исключением митохондрий и хлоропластов, которые в этом отношении, как и в других, ближе к бактериям), указанные этапы пути от гена к белку строго разобщены: транскрипция происходит в ядре, трансляция - в цитоплазме. РНК, прежде чем включиться в процессы синтеза белка, должна покинуть ядро. Для этого, находясь в ядре, РНК претерпевает сложный процесс созревания (процессинг), в ходе которого одни части молекулы РНК удаляются, а другие модифицируются.

Сложность организации генома в клетках эукариот обусловливает присутствие в них более тонких и разнообразных механизмов регуляции нежели те, которые обнаруживаются в клетках бактерий.

Заключение Все существующие ныне клетки подразделяются на два типа: прокариотические (бактерии и их близкие родственники) и эукариотические. Считают, что первые близки в общих чертах с самыми ранними клетками-прародительницами. Несмотря на сравнительную простоту строения, клетки прокариот весьма разнообразны в биохимическом отношении, например, у бактерий можно обнаружить все основные метаболические пути, включая три главных процесса получения энергии - гликолиз, дыхание и фотосинтез. Эукариотические клетки больше по размеру и имеют более сложную организацию, чем клетки прокариот. Они содержат больше ДНК и различных компонентов, обеспечивающих ее сложные функции. ДНК эукариот заключена в окруженное мембраной ядро, а в цитоплазме находится много других окруженных мембранами органелл. К ним относятся митохондрии, осуществляющие окончательное окисление молекул пищи, а также (в растительных клетках) хлоропласты, в которых идет фотосинтез. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размеру анаэробной клетки. Другая отличительная особенность эукариотических клеток - это наличие цитоскелета из белковых волокон, организующего цитоплазму и обеспечивающего механизм движения.

1.3. От клеток - к многоклеточным организмам Одноклеточные организмы, вроде бактерий и простейших, столь успешно адаптировались к разнообразным условиям среды, что составляют более половины всей биомассы Земли. В отличие от высших животных многие из этих одноклеточных способны синтезировать все необходимые им вещества из нескольких простых соединений, причем некоторые из них делятся чаще, чем раз в час. Чем же тогда объяснить появление и распространение на Земле многоклеточных организмов? По-видимому, их преимущество состоит в том, что такие организмы могут использовать ресурсы, недоступные единичной клетке. Например, наличие множества клеток позволяет дереву достичь больших размеров, иметь корни в земле (где определенные клетки поглощают воду и пита- тельные вещества) и листья в воздухе (где другие клетки могут эффективно улавливать энергию солнечных лучей). Ствол дерева состоит из специализированных клеток, образующих каналы для транспорта воды и питательных веществ между листьями и корнями. Другая группа специализированных клеток образует слой коры, предотвращающий потерю воды и защищающий внутреннюю часть ствола. Дерево как целое не конкурирует с одноклеточными организмами за свою экологическую нишу, его способ выживания и размножения совершенно иной. По мере появления различных растений и животных изменялась и среда, в которой проходила эволюция, а это в свою очередь требовало новых способностей, ведь существование в джунглях, например, предполагает наличие у организмов совершенно иных свойств, чем жизнь в открытом море. Возникновение новых способов движения, сенсорного восприятия, коммуникаций, социальной организации - все это позволило эукариотическим организмам конкурировать, размножаться и заселять пространства Земли.

1.3.1. Одиночные клетки способны объединяться и образовывать колонии Вполне вероятно, что ранней стадией эволюции многоклеточных явилось объединение одноклеточных организмов в колонии.

Достигнуть этого проще всего, если дочерние клетки не расходятся после каждого клеточного деления. В примитивном виде такое общественное поведение встречается даже у прокариот. Например, миксобактерии, которые живут в почве и питаются нерастворимыми органическими молекулами, расщепляют их, секретируя специальные ферменты. Они образуют рыхлые колонии, в которых накапливаются ферменты от индивидуальных клеток и, таким образом, повышается эффективность питания (эффект «волчьей стаи»). Эти клетки представляют собой вершину структурной сложности, достигнутой эволюцией прокариот: когда истощаются запасы питательных веществ, они плотно агрегируют и образуют плодовое тело (рис. 1-31), в котором бактерии дифференцируются в споры, способные выжить даже в исключительно суровых условиях.

Рис. 1-31. Микрофотография (сканирующий электронный микроскоп) плодовых тел, образованных миксобактериями (Chondromyces crocatus).

Каждое плодовое тело, заполненное спорами, образовалось в результате агрегации и дифференцировки примерно миллиона миксобактерии. (Из P.

L. Grilione, J. Pangborn, J. Bacteriol., 124, 1558-1565, 1975.) Рис. 1-32. Четыре близких рода зеленых водорослей, иллюстрирующих развитие от одноклеточной к колониальной и далее к многоклеточной организации.

Когда условия становятся более благоприятными, споры плодового тела прорастают и образуют новое скопление бактерий.

Зеленые водоросли (не путать с прокариотическими синезелеными водорослями, или цианобактериями) - это эукариоты, существующие в виде одноклеточных организмов, колоний и многоклеточных форм. Различные виды зеленых водорослей можно расположить в порядке возрастания сложности, иллюстрирующем последовательность эволюции, которую, видимо, прошли высшие растения и животные. Одноклеточные зеленые водоросли, такие как Chlamydomonas, напоминают жгутиковых простейших, но в отличие от них имеют хлоропласты и способны к фотосинтезу. У близких родов группы жгутиковых клеток образуют колонии, удерживаемые вместе матриксом из секретируемых самими же клетками молекул. Наиболее просто организованные виды (принадлежащие к роду Gonium) имеют форму вогнутого диска, состоящего из 4, 8, или 32 клеток. Биения их жгутиков независимы друг от друга, но ориентированы в одном направлении, поэтому они способны приводить колонию в движение. Каждая клетка такой колонии равноценна любой другой, и деление каждой клетки может дать начало новой колонии. В других родах можно обнаружить большие по размерам колонии. Наиболее примечательный пример - род Volvox;

некоторые его виды содержат до 50 000 и более клеток, образующих полый шарик. У представителей рода Volvox индивидуальные клетки колонии соединены тонкими цитоплазматическими мостиками, так что биение жгутиков координированы и вся колония движется подобно катящемуся шарику (рис. 1-32). В колонии Volvox наблюдается некоторое разделение функций - за воспроизведение отвечает небольшое количество клеток, служащих предшественниками новых колоний. Остальные клетки столь зависимы друг от друга, что неспособны к самостоятельному существованию, и разрушенная колония погибает.

1.3.2. Клетки высших организмов становятся специализированными и взаимозависимыми В определенном смысле Volvox больше напоминает многоклеточный организм, чем просто колонию. При движении в воде биения жгутиков синхронизированы, колония структурно и функционально асимметрична. Она способна двигаться по направлению к отдаленному источнику света. Репродуктивные клетки обычно локализуются с одного края колонии, там они делятся и образуют новые миниатюрные колонии, укрытые вначале внутри родительского шарика. Таким образом, у Volvox в примитивной форме проявляются две существенные черты всех многоклеточных организмов: клетки специализируются и кооперируются. С помощью специализации и кооперации клетки образуют единый координированный организм, обладающий более широкими возможностями, чем любая из составляющих его частей.

Организованные формы дифференцировки клеток встречаются даже у некоторых прокариот, например, многие цианобактерии не расходятся после деления, образуя нитевидные цепочки до метра длиной. Через регулярные интервалы в такой цепочке встречаются изменившиеся клетки, способные включать атмосферный азот в органические молекулы. Эти немногие специализированные клетки осуществляют фиксацию азота не только для себя, но и для соседних клеток, с которыми они обмениваются продуктами метаболизма. Однако эукариотические клетки добились значительно больших успехов в таком «разделении труда». И именно они, а не прокариоты являются теми живыми единицами, из которых построены все наиболее сложные многоклеточные организмы.

1.3.3. В основе многоклеточной организации лежит взаимодействие клеток Чтобы образовать многоклеточный организм, клетки должны быть как-то связаны друг с другом. Эукариоты развили целый ряд приспособлений для осуществления этой функции. У Volvox, как уже отмечалось, клетки не полностью расходятся при делении, а остаются соединенными цитоплазматическими мостиками. У высших растений клетки не только связаны цитоплазматическими мостиками - плазмодесмами, но и заключены в жесткие «соты» со стенками из целлюлозы (клеточные стенки), которую сами клетки и секретируют.

Клетки большинства животных не имеют жестких стенок, а цитоплазматические мостики у них редки. Вместо этого клетки объединены сравнительно рыхлой сетью больших внеклеточных органических молекул (называемых внеклеточным матриксом), а также за счет слипания (адгезии) их плазматических мембран. Например, организм губок (их обычно считают наиболее примитивными из современных животных), как правило, состоит из пяти типов специализированных клеток, образующих оболочку тела с системой пор и каналов для прокачивания воды, из которой клетки отфильтровывают и поглощают частички пищи. Благодаря делению клеток, губки неограниченно растут: их размер и структура точно не предопределены. Они лишены нервной системы, которая могла бы координировать активность различных частей организма. Их можно описать как «свободную республику клеток» в отличие от более строго организованных клеточных сообществ, характерных для высших животных.

Если продавить губку через тонкое сито, чтобы механически разделить отдельные клетки, эти клетки могут иногда самопроизвольно собраться в целую губку: сначала клетки агрегируют в большую неупорядоченную массу, а затем перегруппировываются в организованный многоклеточный слой. Такие слои клеток называют эпителием.

1.3.4. Эпителиальные слои клеток окружают защищенную от внешних воздействий внутреннюю среду организма Из всех способов взаимосвязи клеток в тканях многоклеточных животных наиболее фундаментальное значение, видимо, имеет эпителиальная организация. В эволюции сложных многоклеточных организмов эпителиальный слой сыграл столь же большую роль, как и клеточная мембрана в эволюции сложных одиночных клеток.

Значение эпителиальных слоев легко проиллюстрировать на примере другой группы низших организмов - кишечнополостных, которые на эволюционной лестнице стоят на ступеньку выше губок, так как имеют что-то вроде нервной системы. Эта группа животных включает в себя медуз, актиний, коралловые полипы, а также гидру, маленький пресноводный организм. Тело кишечнополостных состоит из двух слоев эпителия:

наружного - эктодермы и внутреннего - энтодермы. Энтодермальный слой окружает гастроваскулярную полость, в которой происходит переваривание пищи (рис. 1-33). Некоторые энтодермальные клетки секретируют пищеварительные ферменты в гастроваскулярную полость, другие осуществляют всасывание и дальнейшее переваривание пищевых молекул, образовавшихся под действием этих ферментов. Образуя плотный эпителиальный слой, клетки энтодермы препятствуют выходу всех этих молекул в окружающую среду. В результате в гастроваскулярной полости создаются условия, необходимые для нормального пищеварения. В то же время обращенные наружу клетки эктодермы сохранили специализацию, полезную при взаимоотношениях с внешним миром.

Рис. 1-33. Строение тела гидры. Наружный слой клеток (эктодерма) выполняет защитные, чувствительные функции и функции захвата добычи, а внутренний слой (энтодерма) в основном участвует в пищеварении. Оба клеточных пласта способны к сокращению (т. е. выступают в роли мышц), что дает возможность животному двигаться. Между этими слоями расположена сеть взаимосвязанных нервных клеток, которые координируют движение.

В эктодерме, например, есть специальные клетки (стрекательные клетки), содержащие капсулу, заполненную ядовитой жидкостью.

Плотная стенка этой капсулы в дистальной части образует спирально закрученную стрекательную нить, способную выбрасываться и парализовать тех мелких животных, которыми гидра питается. Большинство других экто- и энтодермальных клеток обладают мышечноподобными свойствами, что дает возможность гидре двигаться, как и положено хищнику.

Между эктодермой и энтодермой находится еще один компартмент, отделенный как от гастроваскулярной полости, так и от внешней среды. Здесь в узком замкнутом пространстве между эпителиальными клетками расположены нервные клетки. Под внешней поверхностью формируются специализированные клеточные контакты, образующие непроницаемый барьер. Сокращая мышечноподобные клетки эктодермы и энтодермы, животное способно изменять форму и двигаться. Контроль и координацию этих сокращений осуществляют нервные клетки, которые способны проводить электрические сигналы (рис. 1-33, 1-34 и 1-35). Как мы увидим в дальнейшем, для нормального функционирования нервных клеток критическое значение имеет концентрация простых неорганических ионов в окружающей среде. Большинство нервных клеток, в том числе и наши собственные, приспособлены для работы в растворе, ионный Рис. 1-34. Гидра может проявлять достаточно сложную активность. На фотографии видно, как она захватывает своими щупальцами дафнию и засовывает свою добычу в гастроваскулярную полость для переваривания. (С любезного разрешения Amata Horubruch.) Рис. 1-35. Гидра может плавать, скользить на своей подошве или, как показано здесь, перемещаться кувыркаясь.

состав которого аналогичен составу морской воды, что, видимо, отражает условия возникновения первой нервной клетки. Большинство кишечнополостных по-прежнему обитает в море, но не все. В частности, гидра живет в пресной воде. Очевидно, что заселение этой новой среды обитания оказалось возможным лишь в силу того, что нервные клетки гидры находятся в замкнутом и изолированном от внешней среды пространстве, образованном слоями эпителиальных клеток, которые поддерживают внутреннюю среду, необходимую для функционирования нервных клеток.

1.3.5. Межклеточные коммуникации определяют пространственное строение многоклеточных организмов Клетки гидры связаны между собой не только механически, но и с помощью специальных контактов, изолирующих внутреннюю часть организма от внешней среды. Известно, что клетки этого организма способны передавать сигналы по всей длине тела. Если отрезать один конец гидры, оставшиеся клетки среагируют на отсутствие ампутированной части изменением своих свойств и перестроятся так, чтобы регенерировать целое животное. Очевидно, что от одной части организма к другой передаются сигналы, управляющие развитием формы тела, со щупальцами и ртом на одном конце и стебельком на другом. Более того, эти сигналы независимы от нервной системы. Если развивающуюся гидру обработать ядом, препятствующим образованию нервных клеток, то животное потеряет способность двигаться, ловить добычу и питаться. Однако его пищеварительные системы будут по-прежнему работать нормально, так что любой человек, достаточно терпеливый, чтобы вкладывать обычную добычу гидры ей в рот, сможет поддерживать ее существование. Форма тела у таких принудительно питаемых животных нормальная, и утерянные части регенерируют точно так же, как у животных с интактной нервной системой.

В ходе эволюции из просто устроенных организмов, похожих на кишечнополостных, развились высшие животные. Сложная организация последних обусловлена более изощренным использованием тех же принципов кооперирования клеток, которые лежат в основе строения гидры.

Слои эпителиальных клеток выстилают все внутренние и наружные поверхности тела, создавая защищенные от внешних условий компартменты и контролируемую внутреннюю среду, в которой дифференцированные клетки выполняют специализированные функции. Специализированные клетки взаимодействуют и сообщаются друг с другом с помощью сигналов, управляющих свойствами каждой клетки в зависимости от ее места в общей структуре. Однако, чтобы понять, как устроен такой большой многоклеточный организм со сложной и точной организацией, каким является человек, необходимо более подробно рассмотреть последовательность событий при его развитии.

1.3.6. Клеточная память позволяет развиваться сложным формам Клетки почти всех многоклеточных организмов возникают в результате последовательных делений одной-единственной клетки предшественника, следовательно, они представляют собой клон. По мере деления и роста клеток происходит их дифференцировка, т.е. они начинают отличаться от других по своей структуре, метаболизму и функциям. Изменения эти происходят в ответ на сигналы, поступающие от соседних клеток. Примечательно, что эукариотические клетки и их потомство обычно сохраняют свое специализированное состояние даже после того, как влияние, вызвавшее дифференцировку, исчезает, другими словами, у этих клеток есть память. А это значит, что их конечные свойства определяются не только тем окружением, в котором они в конце концов оказались, а всей совокупностью влияний, которым они подвергались в ходе развития организма. Таким образом, по мере роста и развития постепенно проявляются все более и более тонкие детали плана строения взрослого организма. Так создается организм постепенно увеличивающейся сложности, окончательная форма которого является выражением длительной истории индивидуального развития.

1.3.7. Основные программы развития имеют тенденцию сохраняться в процессе эволюции Строение животного является результатом его эволюционной истории, которая, как и история индивидуального развития, представляет собой летопись продвижения от простого к сложному. Каково же взаимоотношение этих двух аспектов развития - эволюционного и индивидуального? В процессе эволюции многие приспособления, использовавшиеся при индивидуальном развитии простейших многоклеточных организмов, сохранились в качестве основных принципов строения их более сложных потомков. Мы уже упоминали об эпителиальной организации клеток. Заслуживает внимания и тот факт, что некоторые специализированные типы клеток, например нервные клетки, можно найти практически у любого животного - от гидры до человека. Более того, ранние стадии Рис. 1-36. Сравнение эмбрионального развития рыбы, амфибии, птицы и млекопитающего. Ранние стадии (вверху) очень похожи, более поздние стадии (внизу) различаются сильнее. (Из Е. Haeckel, Anthropogeniе, oder Entwickelungsgeschichte des Menschen. Leipzig, Engelmann, 1874.) индивидуального развития животных, взрослые формы которых совершенно различны, часто бывают удивительно похожи. Так, например, лишь специалист способен отличить куриный эмбрион от эмбриона человека на ранней стадии развития (рис. 1-36).

Подобные наблюдения нетрудно объяснить. Рассмотрим процесс возникновения в ходе эволюции новой анатомической особенности, скажем удлиненного клюва. Случайная мутация изменяет аминокислотную последовательность белка и, следовательно, его биологическую активность. Измененный белок может повлиять на клетки, ответственные за образование клюва таким образом, что в результате получится более длинный клюв. Но мутация должна быть совместима с развитием остальных частей организма - лишь в этом случае она будет подхвачена естественным отбором. Удлинение клюва вряд ли окажется выгодным, если оно сочетается с утерей языка или отсутствием ушей. Такие катастрофические последствия более вероятны в случае мутаций, затрагивающих ранние стадии индивидуального развития, чем в случае мутаций, влияющих на его поздние этапы. Ранние эмбриональные клетки подобны картам в основании карточного домика - от них зависит слишком многое, и даже незначительное изменение их свойств скорее всего приведет к печальным последствиям. Ранние стадии индивидуального развития оказались «замороженными» - так же точно, как в биохимической организации клеток «заморожены» генетический код и механизмы биосинтеза белка. В отличие от этого клетки, образующиеся на последних стадиях развития, имеют больше возможностей для изменений. Вероятно, именно по этой причине на ранних стадиях развития эмбрионы разных видов столь часто бывают похожи друг на друга и в процессе индивидуального развития, видимо, нередко повторяют пройденные ими этапы эволюции.

1.3.8. Эукариотические организмы имеют сложный аппарат воспроизведения У многоклеточных организмов должны быть клетки, служащие предшественниками новых поколений. У высших растений и животных эти клетки весьма специализированы и называются первичными половыми или зародышевыми клетками. От них зависит размножение вида, и мощное давление отбора приводит структуру организма в целом в соответствие с требованием максимальной вероятности выживания зародышевых клеток. Прочие клетки могут погибнуть, но до тех пор, пока живы зародышевые клетки, будут появляться новые организмы, аналогичные родительскому. В этом смысле наиболее фундаментальное различие в многоклеточном организме существует между зародышевыми клетками и всеми остальными, т. е. между зародышевыми и соматическими клетками.

Не все многоклеточные организмы воспроизводятся с помощью специальных дифференцированных клеток. Многие простые животные (среди них губки и кишечнополостные) способны размножаться почкованием. Аналогичный способ используется многими растениями. Для 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- 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.

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 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.) 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 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 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- 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 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 появление эпителия, в котором клетки соединены в слои, отделяющие внутреннюю среду организма от внешнего окружения. Первыми примитивными типами дифференцированных клеток должны были быть наряду с эпителиальными клетками нервные клетки, мышечные клетки и клетки соединительной ткани. Все эти типы клеток можно найти даже у очень примитивных современных животных.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.