Глава 2. Ядро – «мозговой» центр клетки

Глава 2. Ядро – «мозговой» центр клетки

Если саму клетку мы сравниваем со средневековым городом, а мембрану – с крепостной стеной, то роль замка в нем играет, безусловно, ядро.

Ядро – самая большая и самая заметная составная часть клетки. Первым ее рассмотрел шотландский ученый Роберт Браунс в 1831 году. Он заметил, что ядро отделяется от остальной клетки двойной крепостной стеной-мембраной, а от нее в разные стороны расходятся цепочки пузырьков-«чистильщиков» (эндоплазматическая сеть) и загадочный комплекс Гольджи… Но обо всем по порядку.

Современные ученые сравнивают ядро с кибернетической системой, в которой происходит хранение, обработка и передача колоссального объема энергии. По сути все, что «знает» наше тело, хранится в ядре клетки. Получается, что именно отсюда, из «замка», идет управление всеми процессами, происходящими в нашем «городке». Ядро – стратегический центр и штаб клетки. Без ядра клетка погибает.

Форма ядра чаще всего шарообразная или яйцевидная. Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок, заполняющий пространство между структурами («комнатами») ядра. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. Это самые крупные «залы». Главная задача ядрышек – это производство рибосом. Рибосомы – очередное чудо клетки. Представьте себе мини-заводик, который из подручных материалов собирает молекулы белка. А теперь представьте, что таких заводиков – тысячи! Задача ядрышек – выпустить рибосому в цитоплазму (то есть из замка – в городок). Там уже рибосомы собираются в целые промышленные конгломераты и начинают производить белки.

Надо сказать, что клетка клетке рознь. В каких-то выпуск белка поставлен на промышленную остову (это клетки мышечной ткани, например), а в каких-то (в клетках костных структур) его образуется совсем немного. Так вот, чем активнее клетка, тем крупнее ядрышки в ее ядре – ведь им приходится работать день и ночь, чтобы производство не останавливалось ни на секунду!

Звучит все просто, но на деле все гораздо сложней. Рибосомы оказываются не просто промышленными конвейерами. Если продолжить проводить аналогии со знакомым нам миром, рибосомы окажутся похожими на сверхсовременных роботов, которые собирают дорогие автомобили. У них есть собственные «мозги» – программное обеспечение, которое заставляет их с потрясающей точностью воспроизводить молекулы белка совершенно определенного вида – по заданной матрице, как это принято говорить в мире науки. Матрица создается на основе генетической информации, заложенной в молекулы РНК – рибонуклеиновой кислоты.

Теория происхождения жизни

Как у каждого уважающего себя замка, у нашего обязательно должно быть несколько старинных преданий и легенд. Эта – рассказывает о возникновении жизни на Земле. Ряд ученых (в частности, Карл Вёзе, Лесли Оргел и Уолтер Гильберт) полагают, что когда-то, когда живая клетка еще не существовала на планете Земля, ее роль выполняли свободные рибонуклеиновые кислоты, которые вольготно себя чувствовали в воде и, перемещаясь, образовывали ансамбли с себе подобными. Они также могли обмениваться информацией и выступать катализаторами в некоторых химических процессах, благодаря чему примитивные формы жизни становились все сложнее и сложнее, пока рибонуклеиновые кислоты не научились отгораживаться друг от друга мембранами. Тогда «свободной любви» этих молекул пришел конец, зато наступила эра упорядоченных отношений, появилась молекула ДНК и возникла клетка – мельчайшая ячейка общества. Точнее – организма. Что-то есть до боли знакомое в этой истории, вы не находите?

Частично эту теорию подтверждают современные исследования, которые показали, что рибонуклеиновые кислоты вполне могут формировать колонии на гелях и твердых субстратах (правда, при создании определенных условий для репликации – самовоспроизведения). При этом они охотно обмениваются молекулами, которые при столкновении обмениваются свободными участками (то есть «делятся информацией»). Вся совокупность колоний при этом быстро эволюционирует.

Логично предположить, что, научившись синтезировать белок, колонии, в которых при мутации образовались молекулы-ферменты (их отличительная особенность в том, что они ускоряют некоторые химические процессы), стали развиваться еще быстрее и успешнее. И наконец, лидерами в этой гонке стали колонии, сформировавшие более надежный механизм хранения информации в ДНК и в конце концов отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Легенда – легендой, но главное, что нам предстоит усвоить: молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) – это простейшие хранители генетической информации. Именно они «учат» рибосомы, как создавать молекулы белка строго определенного вида. Давайте посмотрим, как это происходит.

Сначала в ядре из молекулы РНК выделяется небольшой кусочек – матричная РНК. Она выходит за пределы «замка» и встречается там с готовой рибосомой. Рибосома «узнает» свою матрицу и отвечает ей выработкой определенного белка. Одновременно с этим в ядрышке идет синтез других составляющих будущей рибосомы. Выработанный за пределами ядра белок протискивается сквозь стенки «замка», находит свою комнату-ядрышко и встречается там с остальными компонентами будущей рибосомы. Процессом «сборки» руководит уже знакомая нам РНК – она контролирует размер каждой составляющей, порядок их пристыковки друг к другу и так далее.

Надо сказать, что «новорожденная» рибосома – довольно крупное образование. Если бы речь шла о женщине, с таким «ребеночком» ей посоветовали бы делать кесарево сечение… А как же поступает клетка? Здесь природа предусмотрела свой механизм. Дело в том, что рибосома – это своеобразный конструктор. Сначала его собирают, а затем вновь разбирают на составные части. Вот так, по частям, они и покидают сначала ядрышко, а затем ядро, чтобы вновь встретиться за пределами «замка» и включиться в общую работу. Но об этом – чуть позже.

Кроме «комнат» в «замке»-ядре есть и целая система коридоров. Хотя правильнее было бы назвать их линиями связи. Эти нитевидные образования – хромосомы. В ядре каждой клетки строго регламентированное количество хромосом – 46.

Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по две хромосомы каждого вида, пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек. Следует отметить, что во всех соматических клетках (все клетки организма, кроме половых) хромосомы в парах всегда одинаковые по величине, форме и расположению, в то время как половые хромосомы (23-я пара) у мужчин неодинаковые (XY), а у женщин одинаковые (XX).

Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины. В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см.

Хромосомы, как и полагается уважающим себя информационным системам (не зря мы их назвали линиями связи!), отвечают за все, происходящее в «городке»-клетке. Но для того, чтобы понять, каким образом они это делают, сделаем небольшое отступление в область органической химии.

Основной строительный материал клетки – белки разных видов. У каждого типа белка – своя функция: как мы уже видели, одни входят в состав клеточной оболочки (мембран), другие – создают защитный «чехол» для ДНК, третьи передают «инструкции» о том, как производить белки, четвертые регулируют работу клеток и органов и т. д. Каждая молекула белка представляет собой цепочку из многих десятков, даже сотен звеньев – аминокислот; такую цепь называют полипептидной. Сложные белки могут состоять из нескольких полипептидных цепей.

В процессе жизнедеятельности белки расходуются и потому регулярно воспроизводятся в клетке. Их полипептидные цепи строятся последовательно – звено за звеном, и как раз эта последовательность закодирована в ДНК. Таким образом, получается, что все строительные материалы клетки выпускаются в строгом соответствии с информацией, заложенной в хромосомах. Каждая клетка в теле человека содержит около 30 тысяч генов, и на основании каждого гена синтезируется свой белок, который имеет уникальную функцию. Но о генах, наследственности и других загадках природы мы поговорим в другом разделе, посвященном ДНК и РНК. А пока пора выбираться из стен «замка» и прогуляться по «городку».