Читать книгу - "Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи"

Более медленное и полное сжигание сахаров для производства энергии происходит в митохондриях (бактериальные клетки, у которых нет митохондрий, могут использовать только быструю последовательность реакций). В этих органеллах конечные продукты быстрого пути, который называется гликолизом (что означает “расщепление сахаров”), поступают в цикл реакций, заканчивающихся образованием воды и углекислого газа. Этот цикл реакций происходит с участием кислорода (и поэтому называется аэробным) и представляет собой маленькое энергетическое чудо: в нем образуется намного больше энергии опять-таки в форме АТФ.

Теоретически быстрый и медленный путь сжигания сахаров в сумме приводят к образованию тридцати двух молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы (реальное число несколько ниже, поскольку не все реакции происходят с идеальной эффективностью). За день мы вырабатываем миллиарды маленьких “канистр” такого топлива, чтобы питать миллиард маленьких “двигателей” в миллиардах клеток нашего тела. “Если бы все миллиарды этих маленьких костров погасли, – писал физико-химик Евгений Рабинович, – не смогло бы биться ни одно сердце, ни одно растение не смогло бы расти ввысь, преодолевая силу гравитации, ни одна амеба не смогла бы плыть, по нервам не передавалось бы ни одно ощущение и ни одна мысль не озарила бы человеческий разум”12.

Дальше мы сможем увидеть лабиринт спутанных извилистых путей, пересекающих тело клетки и тоже связанных с мембранами. Эта органелла называется эндоплазматическим ретикулумом, хотя большинство биохимиков называют ее сокращенно просто ЭПР.

Данную структуру в конце 1940-х годов впервые описали клеточные биологи Кейт Портер и Альбер Клод[40] из Института Рокфеллера в Нью-Йорке, работавшие в тесном сотрудничестве с Джорджем Паладе. Экспериментальное изучение этих клеточных путей и их центральной роли в биологии клетки представляет собой одно из самых знаковых путешествий в науке.

Джордж Паладе пришел в клеточную биологию непрямым путем. Он родился в 1912 году в городе Яссы в Румынии. Его отец был профессором философии и хотел, чтобы сын тоже стал философом, но Джорджа привлекали более “материальные и конкретные” дисциплины. Он изучал медицину и начал работать врачом в Бухаресте. Однако вскоре его увлекла клеточная биология. Подобно Рудольфу Вирхову, Паладе хотел объединить клеточную биологию, клеточную патологию и медицину. “Клеточная биология наконец помогла реализовать столетнюю мечту: анализ болезней на клеточном уровне, первый шаг к окончательному контролю над ними”, – писал он позднее13.

В 1940-е годы Паладе предложили исследовательскую позицию в Нью-Йорке. Его путешествие в США через раздираемую войной Европу стало тяжелым испытанием. Он проехал через несчастную угнетенную Польшу, где вынужден был задержаться в ожидании иммиграционных документов. “Он ощущал себя ученым в роли Кристиана из «Путешествия пилигрима»[41], – рассказывал мне коллега Паладе14, – каким-то образом избежавшим всех препятствий и ловушек, которые могли прервать его путешествие в Нью-Йорк или, собственно, к центру клетки”.

В 1946 году в возрасте тридцати четырех лет Паладе наконец прибыл в Нью-Йорк. Он начал научную карьеру в Нью-Йоркском университете, а затем продолжил ее в лаборатории Института Рокфеллера. В 1948 году он получил должность доцента и лабораторию в “невзрачном подземелье” в трехэтажном подвале одного из старейших зданий института.

Это подземелье, пусть даже невзрачное, стало раем для клеточных биологов15. “Эта новая область фактически не имела традиций; все, кто в ней работал, приходили из других областей естественных наук”, – писал Паладе16. И он выбирал, заимствовал и воровал элементы из всех других направлений и областей науки, создавая, по сути, собственную дисциплину – современную клеточную биологию. Паладе начал сотрудничать с Портером и Клодом[42]. И вскоре его лаборатория стала интеллектуальным фундаментом научного направления, занимавшегося изучением анатомии и функции субклеточных структур, на котором строилась новая дисциплина.

Роберт Гук и Антони ван Левенгук произвели революцию в клеточной биологии в XVII веке при помощи микроскопов, а Паладе, Портер и Клод нашли более абстрактный способ “разглядывать” внутреннее содержимое клетки. Сначала они разрушали клеточную оболочку и подвергали содержимое клетки высокоскоростному центрифугированию в градиенте плотности. Центрифуга вращается с головокружительной скоростью, при этом более тяжелые элементы клетки осаждаются ближе ко дну пробирки, а более легкие остаются в верхних слоях, так что разные компоненты клетки оказываются в соответствующих участках градиента плотности по высоте пробирки.

Далее можно выделить каждый компонент из соответствующей части пробирки и изучить отдельно, анализируя его структурную анатомию и протекающие в нем биохимические реакции, такие как окисление, синтез, удаление токсичных веществ или выведение отходов жизнедеятельности. А потом, разрезав клетку на тончайшие срезы и наведя на них электронный микроскоп, можно понять, где эти компоненты и соответствующие реакции локализуются в животной клетке.

Это тоже “наблюдение”, но только с линзами двух сортов. С одной стороны, это абстрактные линзы биохимии: сначала нужно разделить субклеточные компоненты с помощью центрифугирования, а потом установить, какие химические процессы в них происходят. С другой стороны, это реальные линзы для электронной микроскопии. В результате стало возможным связывать химические процессы с анатомическими структурами клетки и их расположением. Паладе сравнил сочетание этих двух способов наблюдения с маятником, который раскачивается от микроскопической анатомии к функциональной анатомии и обратно:

“Структура – в традиционном видении микроскописта – сливалась с биохимией, а биохимия… субклеточных компонентов, как выяснилось, обеспечивает лучший путь к пониманию функции некоторых только что открытых структур”17.

Это была некая игра в пинг-понг, в которой выигрывали обе стороны. Микроскописты могли увидеть внутриклеточные структуры, после чего биохимики связывали их с конкретными функциями. А биохимики могли идентифицировать ту или иную функцию и попросить микроскопистов найти структуры, которые за нее отвечают. С помощью этого метода Паладе, Портер и Клод внедрились в светящееся сердце клетки.

Давайте вернемся в запутанный лабиринт эндоплазматического ретикулума, существующий почти во всех клетках. Это массивная структура: избыточная, обширная, как будто плиссированная. При изучении клеток поджелудочной железы собаки с помощью чрезвычайно мощного микроскопа выяснилось, что внешние контуры мембраны ЭПР украшены крохотными плотными частицами.

Таких структур было найдено очень много, но что все они делают? Паладе задумался. Из работ своих предшественников он знал, что ЭПР связан с синтезом и экспортом белков, которые выполняют в клетке фактически все виды работ. Некоторые белки, например ферменты, отвечающие за метаболизм глюкозы, синтезируются в клетке и остаются в ней для реализации своей функции. Но другие белки, скажем инсулин или пищеварительные ферменты, секретируются клеткой в кровоток или в кишечник. Ну а третьи, такие как рецепторы и поры, встраиваются в клеточную мембрану. Как белки достигают пункта назначения?

В 1960 году Паладе и его коллеги, в частности Филип Сикевиц, начали