Клетка представляет собой элементарную живую систему, которая способна существовать отдельно, независимо от других клеток. Наиболее ярко это свойство проявляется у одноклеточных организмов. Любая другая более мелкая биологическая система, любой набор молекул существовать самостоятельно не может. Поэтому клетка — важнейшая биологическая система. Именно клетки создают жизнь на нашей планете.

1

Понять, как устроена клетка — это значит, фактически, понять, что такое жизнь, как она устроена, как она работает. А поскольку мы, люди, тоже образованы клетками, то это значит понять, что такое человек на биологическом уровне.

Клеточная биология — старая наука. Она появилась сразу после изобретения микроскопов более трех веков назад, когда еще не было ни генетики, ни биохимии, да и химии, в общем-то, еще не было. И все эти три века клетки преимущественно изучали мертвыми. Чтобы посмотреть на клетку, ее надо было сначала зафиксировать, т. е. останавливают все внутриклеточные процессы. И вот такую мертвую клетку, в которой все остановлено, но все компоненты находится на своих местах, и изучали. И по такой мертвой клетке было составлено представление, как она устроена. Безусловно, клетку старались сохранить в состоянии, максимально приближенной к живому… но, все-таки, это была мертвая клетка. На основании таких наблюдений была составлена картина, которая, в общем, является правильной, но статичной. Именно такое представление о клетке и вошло в школьные учебники и в университетские курсы.

Рекомендуем по этой теме:
93887
Биология клетки

Кацнельсон 3С Клеточная теория в ее историческом развитии. — Л., 1963

2

По статичной картине мы можем сказать, как устроен дом, но как в нем живут люди уже сказать нельзя, потому что люди приезжают, уезжают, занимаются своими делами и т. д. То же самое и с клеткой. Она на самом деле живая, и изучить, понять, как клетка устроена, как она функционирует, а самое главное — как она формируется, на основе таких данных о статичной мертвой клетки оказалось невозможно.

А как изучать живую клетку? Посмотреть на нее в микроскоп? В таком случае мы увидим клетку, которая делится, и в которой движутся какие-то органеллы. А хочется понять устройство клетки на молекулярном уровне. Не просто некую морфологическую картинку, хочется понять как она устроена молекулярно, как она молекулярно функционирует, и только такое представление уже полностью опишет нам, как устроена клетка.

3

Чтобы узнать из чего состоит клетка, нужен был методологический прорыв. Нужно было научиться видеть молекулы внутри живой клетки. Такой предпосылкой стало открытие так называемых флуоресцентных белков. Это такие маленькие белки, которые были впервые выделены из одно, не имеющей никакой «хозяйственной ценности» медузы с красивым названием Aequorea victoria. У этих белков есть одна особенность: если на него посветить светом определенной длины волны, он начинает светиться, флуоресцировать. А значит, мы можем увидеть, где находится этот белок, эта молекула. Дальше мы берем ген интересующего нас белка, присоединяем к нему ген флуоресцентного белка и вводим в клетку. В клетке начинает продуцироваться белок, который состоит из двух частей: часть, которая соответствует исследуемому белку, и вот эта маленькая флуоресцентная часть, которая покажет нам, где находится белок. В результате, мы можем увидеть этот белок, поскольку он светится сам. Мы можем увидеть его в живой клетке! Но дальше возникает желание узнать не только где он находится, но и как эти молекулы себя ведут внутри живой клетки.

Chudakov DM, Matz MV, Lukyanov S, Lukyanov KA. Fluorescent proteins and their applications in imaging living cells and tissues. Physiol Rev. 2010 90(3): 1103-63.

4

В настоящее время существует несколько методов, которые позволяют оценить подвижность белков внутри живой клетки, внутри ее субструктур. Например, внутри клеточного ядра. Впервые такая работа была сделана в 2000-м году в лаборатории Тома Мистели из Национального института здоровья в США. Это одна из сильнейших лабораторий в области клеточной молекулярной биологии. Кончено, в 2000-м году эта лаборатория еще не была столь известна. И в этой лаборатории поставили следующий эксперимент. Представим, что есть клетка, в которой находится какой-то белок. Поскольку белок распределен по всей клетке, то мы будем видеть, что вся клетка светится… но мы не поймем, движется этот белок или нет. Однако у любых флуоресцирующих молекул есть замечательное свойство: если на них посветить очень-очень сильно, они перестают светиться, выгорают. Так выцветают любые краски. И в лаборатории Тома Мистели была сделана очень простая вещь: в клетке выбирают небольшую локальную зону и светят на нее сильно-сильно. В этой области флуоресцентный белок выцветает. Соотетственно — в клетке белок либо движется, либо нет. Надо этот принципиальный вопрос прояснить. Если он не движется, то выцветший белок из этой зоны не будет уходить, а флуоресцирующий белок из остальной части клетки приходить в эту зону не будет. И мы будем видеть с течением времени выцветшую зону постоянно. Если белок движется, то выцветший белок уйдет, флуоресцирующий белок в эту зону придет — и эта зона опять начнет флуоресцировать.

Рекомендуем по этой теме:
6924
Живая клетка

Phair RD, Misteli T. High mobility of proteins in the mammalian cell nucleus. Nature. 2000 404(6778): 604-9.

5

И какое же было удивление, когда оказалось, что белок в эту зону, где он выцвел, туда приходит и оттуда уходит, то есть движется, причем движется с сумасшедшей скоростью. Белки в клетке не находятся на своем месте постоянно, они постоянно перемещаются. Как водится, поначалу никто особо и не обратил внимание на результаты этого эксперимента, потом никто не поверил им, затем заинтересовались и сказали: «Наверное, что-то в этом есть», а потом: «Гениально».

Ченцов ЮС Введение в клеточную биологию. 4-е изд., перераб. и доп.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 495 с.

6

Это открытие действительно заставляет пересмотреть все, что мы думаем и как мы думаем об устройстве клетки. Это уже не стабильная клетка, устроенная, как машина, в ней все на своем месте, все работает, выполняет свои функции, все логично и правильно. А здесь получается какой-то странный хаос. Молекулы постоянно перемещаются. Они не находятся там, где им, казалось бы следует находиться, где им полагается работать. Они работают и уходят из этого места, где им полагалось бы находиться… и начинают двигаться по всей клетке. И движение это вполне случайное.

В настоящий момент ищут, но пока никто не нашел каких-то способов направленной доставки молекул в какую-то конкретную точку ядра. Белки бегают, и из этого молекулярного хаоса, тем не менее, возникает чрезвычайно сложно структурированная и эффективно работающая клетка.

Phair RD, Scaffidi P, Elbi C, Vecerová J, Dey A, Ozato K, Brown DT, Hager G, Bustin M, Misteli T. Global nature of dynamic protein-chromatin interactions in vivo: three-dimensional genome scanning and dynamic interaction networks of chromatin proteins. Mol Cell Biol. 2004 24(14): 6393-402.

7

Наверное, самый интересный момент, который возник из этих новых фактов, который не понятен — это каким образом из этого хаоса движущихся молекул может сформироваться упорядоченное образование. Сама клетка устроена очень сложно, это мы знаем. И вот эта сложность устроена из движущихся с безумными скоростями молекул. Как из хаоса молекул возникает порядок более высокого уровня — это, наверное, главный вопрос, и главный вызов для тех, кто занимается структурой клетки.