Клетка представляет собой водную среду в пластичной оболочке, в которой находится множество органических молекул. Все молекулы в клетке постоянно движутся с большой скоростью, но на очень маленькие расстояния, сталкиваясь в основном с молекулами окружающей их воды. Это хаотическое тепловое, или броуновское движение (припоминаете?). Каждая молекула, находящаяся в клеточном «коктейле», пребывает в хаотическом подрагивании или трепетании. Если бы диполи воды не отталкивали бы молекулы и не препятствовали их соединению, органические молекулы слились бы между собой, и жизнь, представляющая собой постоянно идущие химические реакции, прекратилась, так и не начавшись.
Диполи воды как бы изолируют белковые и другие органические молекулы и препятствуют спонтанным, то есть не санкционированным организмом внутриклеточным реакциям. Для того чтобы химическая реакция началась и успешно прошла, нужно каким-то образом преодолеть силу отталкивания диполей воды и создаваемый ими барьер.
Работу фермента легче всего представить себе следующим образом. Фермент представляет собой довольно большую белковую молекулу. Одна его часть временно скрепляется с первой органической молекулой (субстрат), которая должна вступить в реакцию, а другая часть – со второй молекулой. Фермент расчищает пространство между реагирующими молекулами от диполей воды, что позволяет им соприкоснуться и соединиться друг с другом в новое устойчивое соединение – продукт реакции. После этого фермент отпускает новое соединение (продукт) в свободное плавание по клетке. Он вновь готов к работе.
Другие ферменты расщепляют субстрат на отдельные продукты, как показано на рис. 1.2.7. В этом случае фермент создает между частями субстрата щель, в которую проникают надежно разъединяющие продукты молекулы воды.
Рис. 1.2.7. Как работает фермент
В клетке одновременно проходят тысячи химических реакций, и каждую из них обслуживает отдельный фермент, не похожий на другие. Без фермента невозможна биохимическая реакция. Каждая реакция может одновременно проходить в разных частях клетки. Поэтому чем больше ферментов, специфических для этой реакции, тем интенсивнее она будет проходить. Следовательно, влияя на количество ферментов, можно регулировать интенсивность реакции. Каждый белок и, значит, каждый фермент вырабатываются определенным геном. Интенсивность выработки белка, как вы уже, надеюсь, помните, соответствует экспрессии гена, которая регулируется эпигенетическими факторами. Отсюда следует, что мозг, подавая команды через специальные сигнальные молекулы-гормоны или через нервную систему, может эпигенетическими факторами воздействовать на экспрессию генов и, таким образом, регулировать интенсивности всех реакций в клетке.
Это главный механизм, регулирующий все химические реакции в клетке.
1.2.2. Как устроена клетка
В конце предыдущей главы мы описали, как живет клетка в клеточном сообществе, которым, по существу, является тело человека. Она получает от других клеток всё необходимое для жизнедеятельности и сама выполняет свойственные ей в этом сообществе функции. Строение каждой клетки должно обеспечивать:
• выполнение определенных для этого типа клетки функций в организме человека, например производство гормонов для клеток эндокринной железы или желудочного сока для клеток желудка;
• индивидуальность этой конкретной клетки путем построения надежной границы между тем, что находится внутри и снаружи клетки (это свойство любого живого организма; в частности роль границы тела человека играют кожа и внутренние поверхности пищеварительных и дыхательных органов, соприкасающиеся с внешней средой);
• размножение клетки путем деления, то есть создание своей копии (при этом, в отличие от человека, клетка создает свою полноразмерную копию, поэтому перед делением ей нужно накопить в себе все необходимые белки, жиры, углеводы и нуклеотиды в двойном размере).
Для выполнения этих основных задач клетка должна содержать:
• оболочку, надежно отделяющую ее содержимое от внешней среды, но позволяющую полезным веществам и управляющим молекулам проникать в клетку и из клетки в межклеточную жидкость;
• хорошо охраняемое хранилище, содержащее информацию о структуре клетки, ее функциях, структуре белков и т. д., и центр управления производством всех необходимых клетке веществ (белков, жиров, нуклеотидов и т. д.);
• изолированные части клетки (цеха) для производства и сборки необходимых клетке белков, жиров, нуклеотидов и т. д.;
• систему энергообеспечения клетки, поставляющую энергию для всех потребляющих её производственных процессов;
• инфраструктуру, поддерживающую форму клетки и транспортирующую по клетке вещества;
• систему ремонта частей клетки и вывоза разнообразного мусора.
Как мы видим, перечень необходимых частей клетки примерно совпадает с органами и системами человека или частями крупного города, что вполне закономерно, поскольку сложные системы и организмы устроены похожим образом.
Строение клетки вполне соответствует поставленным задачам. Да иначе и быть не могло. Основные части, их расположение и взаимодействия, в принципе, известны давно. Впервые, в 1665 году, клетку увидел в микроскопе английский естествоиспытатель Р. Гук, который, кстати, открыл известный закон Гука и не без оснований претендовал на пальму первенства в открытии закона всемирного тяготения Ньютона. Однако хорошо известно только строение мертвой клетки в неподвижном статическом положении. А вот изменения структуры, динамика клетки изучены пока очень слабо. Поэтому в этом разделе мы сначала рассмотрим структуру мертвой клетки в статике, а потом обсудим, что происходит в живой клетке.
Как мы уже говорили, клетки имеют очень разные формы и размеры. Каждый из нас не раз держал клетку в руках, очищая и съедая куриное яйцо. Клетки человека, конечно, намного меньше. Их примерный средний размер – 20 тысяч нанометров[34]. Мы все размеры будем измерять в нанометрах (нм) для удобства сравнения. Например, толщина человеческого волоса – 80 тысяч нанометров. Клетки бактерий примерно в 10 раз меньше человеческих, вирусы – где-то 100 нм (это размер вируса гриппа), белки – около 2–5 нм, а нуклеотиды и сахара – 0,5–1 нм. Так что по объему молекула белка меньше клетки в 60 миллиардов раз, и для белков и, тем более, для других более мелких молекул клетка – огромный город. (Человек ростом около 1,7 м примерно во столько же раз меньше крупного города радиусом 17 км, во сколько средний белок меньше клетки).
Рис. 1.2.8. Структура клетки
Наша цель – понять, как устроена клетка и как она функционирует, для того чтобы выделить в этих процессах наиболее вероятные факторы старения нашего организма.
Для наглядности приведем одно из известных схематических изображений структуры клетки (рис. 1.2.8).
Клетка отделена от других клеток и межклеточной жидкости оболочкой-мембраной, которая состоит из двух слоев водоотталкивающих липидов (жиров). Она способна пропускать только определённые вещества и только в определенном направлении. Через неё внутрь клетки может медленно просачиваться глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы. Причём скорость просачивания может регулироваться.
Внешняя липидная оболочка клеток покрыта полисахаридами и белками, которые присоединены к липидам. Белки покрывают поверхность мембранной оболочки наподобие мозаики. К ним так же часто прикреплены полисахариды. Часть белков образуют в мембране ходы, через которые могут проникать внутрь клетки или выводиться вовне строго определенные молекулы. Другие белки служат органами осязания клетки – рецепторами. Они могут распознавать подходящие к клетке чужеродные молекулы.