ЧЯД. Глава 3. 3

                ЦИЛИУМ*

Некоторые клетки плавают с помощью ресничек. Ресничка – это структура, которая, грубо говоря, выглядит как волос и бьется, как кнут. Если клетка с ресничкой может свободно перемещаться в жидкости, то ресничка перемещает клетку так же, как весло двигает лодку. Если клетка встроена в ряд с другими клетками, колеблющаяся ресничка перемещает жидкость по поверхности неподвижной клетки. В живой природе используются оба варианта. Например, сперматозоиду ресничка служит для плавания. А стационарные клетки, выстилающие дыхательные пути, имеют несколько сотен ресничек. Большое количество ресничек колеблется синхронно, подобно веслам, которыми управляли рабы на римской галере, чтобы подтолкнуть слизь к горлу для изгнания. Таким действием из дыхательных путей удаляются мелкие инородные частицы, как, например, сажа, случайно попавшие туда и застрявшие в слизи.

Световые микроскопы показали тонкие волоски на некоторых клетках, но открытие лилипутских деталей ресничек пришлось ждать до изобретения электронного микроскопа, доказавшего, что реснички являются довольно сложной структурой. Я буду обсуждать структуру ресничек на следующих нескольких страницах. Большинству читателей, вероятно, будет легче следить за обсуждением, рассматривая приведенный рисунок.

W Ресничка состоит из пучка волокон, покрытого мембраной. Цилиарная мембрана (выглядит как своеобразная пластиковая оболочка) является выростом клеточной мембраны, поэтому внутренняя часть реснички соединена с внутренней частью клетки.  Если ресничку разрезать поперек, и срезанный конец рассматривать с помощью электронного микроскопа, можно увидеть девять палочковидных структур по периферии. Эти палочки называются микротрубочками. При тщательном изучении высококачественных фотографий видно, что каждая из девяти микротрубочек на самом деле состоит из двух сросшихся колец. Дальнейшее исследование показывает, что одно из колец состоит из тринадцати отдельных нитей. Другое кольцо, соединенное с первым, состоит из десяти нитей. Резюмируя кратко, можно сказать, что каждая из девяти внешних микротрубочек реснички состоит из кольца из десяти нитей, сросшихся с кольцом из тринадцати нитей.

Биохимический анализ показал, что микротрубочки состоят из белка под названием тубулин. В клетке молекулы тубулина собираются вместе, как кирпичи, которые образуют цилиндрическую дымовую трубу.  Периферические стержни-микротрубочки напоминают сплавленную двойную дымовую трубу, сложенную из тубулиновых кирпичей. На фотографии, полученной с помощью электронной микроскопии, можно видеть еще два стержня в центре реснички. Они тоже являются микротрубочками. Однако в отличие от периферических двойных  дымовых труб, они представляют собой отдельные дымовые трубы, каждая из которых состоит из тринадцати нитей тубулина.

Если условия внутри клетки подходящие (например, когда температура находится в определенных пределах и когда концентрация кальция в самый раз), тубулин – «кирпичик», из которого состоят дымовые трубы, – автоматически объединяется, образуя микротрубочки. Силы, которые объединяют тубулин, очень похожи на те, которые сворачивают отдельный белок в компактную форму: положительные заряды притягивают отрицательные заряды, масляные аминокислоты сжимаются вместе, чтобы убрать воду, и так далее. Один конец молекулы тубулина имеет поверхность, которая комплементарна противоположному концу второй молекулы тубулина, поэтому они слипаются вместе. Третий тубулин может затем прилипнуть к концу второй молекулы, четвертый – к концу третьей и так далее. В качестве аналогии рассмотрим укладку консервных банок с тунцом. В продуктовом магазине, где моя семья покупает такие банки, они уложены в устойчивые стопки, потому что дно банки скошено, а верх с прямыми краями. Если стопку мягко толкнуть, банки остаются на месте.

Однако, если две банки с тунцом сложены неправильно – низ к низу или верх к верху – это не будет надежной конструкцией, и они могут быть сдвинуты случайным толчком. Связь молекул тубулина гораздо более специфична, чем штабелирование банок с тунцом. В  клетке  тысячи различных белков, и тубулин обязательно должен связываться только с другими тубулинами, а не с любым белком, который встречается. Тубулин – это как банка с тунцом с десятью короткими игольчатыми выступами на верхней поверхности, и десятью углублениями на дне, которые точно соответствуют положениям выступов сверху. Теперь ни одна банка с тунцом случайно не соединится с любой другой банкой.

Продолжая нашу аналогию с тунцом, предположим, что у нас также есть несколько выступов, торчащих из бока банки, и углубления расположенные почти, но не совсем, на противоположной стороне. Тогда мы могли бы соединять банки, стоящие рядом, но поскольку отверстия расположены не совсем напротив выступов, соединенные вместе банки в конечном итоге создадут окружность или замкнутую петлю. Накладывая петли на петли, мы в конечном итоге из наших банок с тунцом (после тщательного смешивания наших метафор) создадим структуру, подобную дымовой трубе.

Хотя тубулин обладает способностью самоорганизовываться в микротрубочки, микротрубочки не объединяются друг с другом без помощи других белков. Для этого есть веская причина: микротрубочки выполняют ряд задач в клетке. Для большинства работ необходимы одиночные, не связанные между собой микротрубочки. Однако для других работ (включая движение ресничек) необходимы пучки микротрубочек. Таким образом, микротрубочки лежат по отдельности, как палочки из игры в «бирюльки» (pick-up sticks), если только они специально не объединены вместе для конкретной работы.

На фотографиях ресничек, сделанных электронным микроскопом, можно увидеть несколько различных типов разъемов, связывающих вместе отдельные микротрубочки (см. рис.). Существует белок, который соединяет две центральные одиночные микротрубочки в середине реснички. Кроме того, из каждой двойной микротрубочки радиальная спица выступает к центру реснички. Структура заканчивается узловатой массой, называемой головкой спицы. Наконец, белок, называемый нексином, соединяет двойные микротрубочки между собой.

Еще два выступа украшают каждую периферическую микротрубочку. Они называются наружным рукавом и внутренним плечом. Биохимический анализ показал, что они образованы белком под названием динеин. Динеин принадлежит к классу белков, называемых моторными белками. Они функционируют как крошечные моторы в клетке, создавая механическое движение. W

               КАК РАБОТАЕТ РЕСНИЧКА

Знание структуры сложной машины и знание того, как она работает, – это разные вещи. Можно открыть капот автомобиля и сфотографировать двигатель, но снимки сами по себе не дадут четкого представления о том, как различные части двигателя выполняют свою функцию. В конечном счете, чтобы выяснить, как работает вещь, вы должны разобрать ее и собрать заново, останавливаясь во многих точках, чтобы увидеть, была ли функция восстановлена. Даже это может не дать четкого представления о том, как работает машина, но даст практические знания о том, какие компоненты являются критическими. Основная стратегия биохимии в этом столетии состояла в том, чтобы разбирать молекулярные системы и пытаться соединить их снова. Такая стратегия дала огромное понимание как работает клетка.

W Эксперименты такого рода дали биохимикам ключи к пониманию того, как функционирует ресничка. Первый ключ получили от изолированных ресничек. Природа любезно устроила так, что реснички можно отделить от клеток энергичным встряхиванием. Встряхивание аккуратно разбивает выступающие части, и, вращая раствор на высокой скорости (из-за чего крупные тяжелые частицы оседают быстрее, чем мелкие, легкие), можно получить раствор чистых ресничек в пробирке. Если реснички лишить мембраны, а затем снабдить химической формой энергии, называемой АТФ, они будут биться в характерной хлыстоподобной манере. Этот результат показывает, что двигатель, обеспечивающий движение ресничек, находится в самой ресничке, а не внутри теперь отсутствующей клетки. Следующий ключ заключается в том, что если (с помощью биохимических трюков) руки динеина удаляются, но остальная часть реснички остается нетронутой, то ресничка парализована, как будто в трупном окоченении. Добавление свежего динеина к затвердевшим ресничкам позволяет возобновить движение. Таким образом, похоже, что мотор реснички содержится в плечах динеина.

Дальнейшие эксперименты дали еще больше ключей-подсказок. Существуют ферменты (называемые протеазами), которые обладают способностью пережевывать другие белки, разлагая их на аминокислоты. Когда небольшое количество протеазы добавляется на короткое время в раствор, содержащий реснички, протеаза быстро разрезает нексиновые линкеры по краю структуры. Остальная часть реснички остается неповрежденной. Причина, по которой протеаза быстро атакует линкеры, заключается в том, что, в отличие от других белков реснички, нексиновые линкеры не свернуты плотно; они представляют собой свободные, гибкие цепи. Поскольку они свободны, протеаза может разрезать их так же быстро, как ножницы могут разрезать бумажную ленту.

Протеазы позволили биохимикам увидеть, как реснички будут работать без нексиновых линкеров. Что даст удаление линкеров? Возможно, реснички прекрасно будут работать и без них, или, возможно, они застынут в трупном окоченении, как это происходило, когда были удалены динеиновые рукава.

На самом деле, ни одна из этих возможностей не осуществилась. Вместо этого реснички без линкера сделали что-то совершенно неожиданное. Когда биохимическая энергия подавалась в ресничку, вместо того, чтобы изгибаться, она быстро распадалась. Отдельные микротрубочки начинают скользить мимо друг друга, как сегменты радиоантенны скользят мимо друг друга, когда она открыта.  Они продолжали скользить, пока длина ресничек не увеличилась почти в десять раз. Из этого результата биохимики пришли к выводу, что мотор работает вследствие того, что что-то перемещает отдельные микротрубочки. Они также пришли к выводу, что линкер-нексины необходимы для сохранения структуры реснички, когда она пытается согнуться.

Открытие этих ключей помогли построить модель работы реснички. Представьте себе несколько дымовых труб, сделанных из банок из-под тунца, которые плотно скреплены вместе. Дымовые трубы банок с тунцом соединены слабыми проводами. К одной дымовой трубе прикреплен маленький моторчик с рукой, которая тянется и держится за банку с тунцом в соседней дымовой трубе. Рычаг двигателя толкает вторую дымовую трубу вниз, скользя мимо первой. Когда дымовые трубы скользят друг мимо друга, слабые провода начинают растягиваться и натягиваться. По мере того, как рычаг двигателя толкает всё больше, напряжение от провода заставляет дымовые трубы изгибаться. Таким образом, скользящее движение было преобразовано в изгибающее движение. Теперь давайте переведем аналогию в биохимические термины. Плечи динеина на одной микротрубочке прикрепляются ко второй, соседней микротрубочке, и динеин использует биологическую энергию АТФ, чтобы «пройтись» по соседу. Когда это происходит, две микротрубочки начинают скользить друг мимо друга. В отсутствие нексина они продолжали скользить, пока не разделились; однако белковые поперечные связи предотвращают скольжение соседних микротрубочек более чем на короткое расстояние. Когда гибкие нексиновые линкеры удлиняются до предела, дальнейшее хождение по динеину заставляет нексиновые линкеры тянуть микротрубочки. По мере того, как динеин продолжает свой путь, напряжение увеличивается. К счастью, микротрубочки довольно гибкие, поэтому скользящее движение, вызванное динеином, преобразуется в изгибающее движение. W

Теперь давайте сядем поудобнее, рассмотрим работу ресничек и подумаем, что она подразумевает.  Какие компоненты необходимы для работы реснички? Движение ресничек, безусловно, требует микротрубочек; в противном случае не было бы ничего, что могло бы скользить. Кроме того, для этого требуется двигатель, иначе микротрубочки реснички будут неподвижно лежать. Кроме того, для этого требуется, чтобы линкеры тянули за соседние нити, преобразуя скользящее движение в изгибающее, предотвращая разрушение конструкции. Все эти части необходимы для выполнения одной функции: движения ресничек. Точно так же, как мышеловка не работает, если нет всех ее составных частей, движение реснички просто не существует при отсутствии микротрубочек, двигателей и передатчиков движений. Поэтому мы можем сделать вывод, что ресничка неупрощаемо сложна. А это огромный «гаечный ключ», брошенный в идею её постепенной, дарвиновской эволюции.

Тот факт, что реснички нередуцируемо сложны, не должен никого удивлять. Ранее в этой главе мы видели, что для плавательной системы требуется весло для контакта с водой, двигатель или источник энергии, а также соединитель для связи между ними. Все системы, которые передвигаются с помощью гребли – от игрушечной рыбки моей дочери до гребного винта корабля – выходят из строя, если какой-либо из компонентов отсутствует. Ресничка является членом этого класса плавательных систем. Микротрубочки – это лопасти, поверхность которых соприкасается с водой и прижимается к ней. Динеиновые рычаги – это двигатели, обеспечивающие силу для движения системы. Нексиновые плечи – это конекторы, передающие силу двигателя от одной микротрубочки к другой.

Сложность ресничек и других плавательных систем заложена в самой выполняемой задаче. Не зависит от того, насколько велика или мала система, придется ли ей перемещать ячейку или перемещать корабль: для того, чтобы грести, требуется несколько компонентов. Вопрос в том, как возникла ресничка?

               КОСВЕННЫЙ МАРШРУТ

Некоторые биологи-эволюционисты, такие как Ричард Докинз, обладают богатым воображением. Получив отправную точку, они почти всегда могут раскрутить историю, чтобы добраться до любой биологической структуры, которую вы пожелаете. Такой талант может быть ценным, но это обоюдоострый меч. Хотя они могут думать о возможных путях эволюции, которые другие люди упускают из виду, они также склонны игнорировать детали и препятствия, которые могут привести к путанице в их сценариях. Наука, однако, не может в конечном итоге игнорировать соответствующие детали, и на молекулярном уровне все «детали» становятся критическими. Если молекулярная гайка или болт отсутствуют, то может произойти сбой всей системы. Поскольку ресничка неразрешима сложна, ни один прямой, постепенный путь не ведет к ее производству. Таким образом, эволюционная история для ресничек должна предусматривать обходной маршрут, возможно, с адаптацией частей, которые первоначально использовались для других целей. Итак, давайте попробуем представить себе вероятный косвенный путь к ресничке, используя уже существующие части клетки.
 
Начнем с того, что микротрубочки встречаются во многих клетках и обычно используются в качестве простых структурных опор, таких как балки, для поддержки формы клетки. Кроме того, моторные белки также участвуют в других клеточных функциях, таких как транспортировка груза с одного конца клетки в другой. Известно, что моторные белки путешествуют по микротрубочкам, используя их как маленькие шоссе, чтобы добраться из одной точки в другую. Косвенный эволюционный аргумент может предполагать, что в какой-то момент несколько микротрубочек слиплись вместе, возможно, чтобы усилить какую-то определенную форму клетки. После этого моторный белок, который обычно перемещался по микротрубочкам, мог случайно приобрести способность толкать две соседние микротрубочки, вызывая небольшое изгибающее движение, которое каким-то образом помогло организму выжить. Дальнейшие небольшие усовершенствования постепенно привели к образованию ресничек, которые мы находим в современных клетках.

Однако, как бы интригующе ни звучал этот сценарий, важные детали упускаются из виду. Вопрос, который мы должны задать в связи с этим косвенным сценарием, является одним из тех, отвечать на которые у многих биологов-эволюционистов не хватает терпения: но как именно?

Например, предположим, что вы хотите сделать мышеловку. В вашем гараже может быть кусок дерева в виде старой палочки от эскимо (для платформы), пружина от старых заводных часов, кусок металла (для молотка) в виде лома, швейная игла для стойки и крышка от бутылки, которую вы хотите использовать в качестве защелки. Но эти части не могут сформировать функционирующую мышеловку без обширной модификации, и пока модификация бы продолжалась, они не могли работать в качестве мышеловки. Их прежние функции делают их плохо подходящими практически для любой новой роли в составе сложной системы.

В случае с ресничками возникают аналогичные проблемы. Мутировавший белок, случайно прилипший к микротрубочкам, блокировал бы их функцию «магистралей» для транспорта. Белок, который без разбора связывает микротрубочки вместе, нарушит форму клетки – точно так же, как форма здания будет нарушена ошибочно размещенным кабелем, который случайно стянул балки, поддерживающие здание. Линкер, который усиливал связки микротрубочек для структурных опор, как правило, делает их негибкими, в отличие от гибкого нексина. Нерегулируемый моторный белок, только что связавшийся с микротрубочками, может раздвинуть микротрубочки, которые должны быть близко друг к другу. Начальная ресничка не будет на поверхности клетки. Если бы это не было на поверхности клетки, то внутреннее сгибание могло бы разрушить клетку. Но даже если бы это было на поверхности клетки, количество моторных белков, вероятно, было бы недостаточно для перемещения реснички. И даже если ресничка переместится, неловкое движение не обязательно переместит клетку. И если бы клетка двигалась, это было бы нерегулируемое движение с использованием энергии и не соответствующее какой-либо потребности клетки. Сотню других трудностей придется преодолеть, прежде чем зарождающаяся ресничка станет улучшением для клетки.

*Цилиум – ресничка. Располагаются на поверхности клеток. Делятся на подвижные и неподвижные. М.б. всего одна или несколько. ЯЗ.

Продолжение http://proza.ru/2024/07/21/1117