Фрэнсис Крик, когда открыл структуру ДНК, тут же понял, как работает механизм генетической наследственности, и вечером объявил в пабе, что разгадал загадку жизни. ДНК — это матрица для сборки как самой себя, так и белков. Каждая из двух полинуклеотидных цепей двойной спирали служит матрицей для другой. Когда они расходятся, а это происходит во время деления клетки, каждая цепь предоставляет информацию, необходимую для сборки полной, двойной спирали. В результате получаются две идентичные копии. Информация, закодированная в ДНК, диктует «по буквам» молекулярную структуру белков. Это, говорил Крик, и есть «центральная догма» всей биологии — гены кодируют белки. Длинная телеграфная лента ДНК представляет собой последовательность всего лишь четырех молекулярных «букв» (нуклеотидов); так все наши слова и все наши книги состоят из сочетаний всего лишь 33 букв. Полная библиотека генов организма называется геномом, размер которого может достигать миллиарда «букв». Ген — по сути дела, код для «изготовления» одного белка — обычно состоит из тысяч нуклеотидов. Белок представляет собой цепочку субъединиц, которые называются аминокислотами. Порядок аминокислот определяет функциональные свойства белка, а последовательность букв в гене — последовательность аминокислот в белке. Мутация гена (изменение последовательности «букв») может привести к изменению структуры белка (а может и не привести, так как генетический код обладает некоторой степенью избыточности, или, выражаясь специальным языком, вырожденности, и одну и туже аминокислоту могут кодировать несколько разных комбинаций букв).
Белки — предмет особой гордости и славы жизни на Земле. Разнообразие их форм и функций практически бесконечно. И практически всё разнообразие жизни обязано своим существованием разнообразию белков. Благодаря белкам стали возможны все физические достижения жизни — от метаболизма до движения, от полета до зрения, от иммунитета до сигнальных систем. По своим функциям белки делятся на несколько больших групп. Одна из важнейших — ферменты. Они являются биологическими катализаторами и могут на несколько порядков повышать скорость протекания биохимических реакций при потрясающей специфичности к субстратам. Некоторые ферменты даже могут различать изотопы (разные формы одного и того же атома). Другие важные группы белков — это гормоны и их рецепторы, белки, отвечающие за иммунную систему, такие как антитела, белки, ДНК — связывающие белки, такие как гистоны, и структурные белки, образующие цитоскелет.
Генетический код инертен. Это огромное количество информации помещено в надежное хранилище — ядро, изолированное от протекающих в цитоплазме процессов; так, ценные энциклопедии хранят в библиотеках, а не штудируют бесконечно, скажем, на заводе. Для повседневной работы в клетке используются малоценные ксерокопии. Они сделаны из РНК. Структурные элементы этой макромолекулы похожи на структурные элементы ДНК, но она скручивается в виде одинарной, а не двойной цепи. Есть несколько типов РНК, и каждый выполняет свою функцию. Прежде всего, следует назвать информационную, или матричную РНК (иРНК, или мРНК), длина которой более или менее соответствует длине одного гена. Как и ДНК, иРНК состоит из последовательности нуклеотидов и представляет собой точную реплику генетической последовательности ДНК. Генетическая последовательность ДНК транскрибируется в несколько иную каллиграфию иРНК — шрифт меняется, но смысл предложения остается неизменным. Эта РНК — крылатый вестник. Она физически переходит из ядра в цитоплазму через поры в ядерной оболочке. Там она «швартуется» к какой-нибудь рибосоме — одной из многих тысяч фабрик сборки белков. По молекулярным меркам они огромны, по микроскопическим — крайне малы. Их можно еле-еле различить в электронный микроскоп на некоторых внутренних мембранах клетки, которым они придают шероховатый вид, а также в цитоплазме в виде мельчайших точек. Рибосомы состоят из смеси рибосомальных РНК и белков. Их функция — трансляция, перевод информации, которую принесла иРНК, на язык белков, то есть последовательность аминокислот. Транскрипция и трансляция контролируются и регулируются многочисленными специализированными белками, важнейшие из которых называются факторами транскрипции. Они регулируют экспрессию генов, то есть их конвертацию из пассивного кода в активный белок, у которого есть дела в клетке или за ее пределами.
Вооружившись этими базовыми познаниями в клеточной биологии, давайте вернемся к митохондриям. Эти клеточные органеллы («органы» клетки) специализируются на производстве энергии. Я уже упоминал, что митохондрии произошли от бактерий и до сих пор немного похожи на них (рис. 1).
Рис. 1. Схема строения митохондрии. Видны внутренняя и наружная мембрана; внутренняя мембрана складчатая, и эти многочисленные складки называются кристами. Именно в них протекает процесс клеточного дыхания
Обычно их изображают в форме колбасок или червяков, но они могут принимать и более причудливые формы, завиваясь чуть ли не в штопор. Обычно митохондрии размером с бактерии: длиной несколько тысячных долей миллиметра (1–4 микрометра) и диаметром около половины микрометра. Клетки нашего тела обычно содержат множество митохондрий, а точное число зависит от метаболических запросов конкретной клетки. Метаболически активные клетки (в печени, почках, мышцах и мозге) содержат сотни или даже тысячи митохондрий, занимающих до 40 % цитоплазмы. Пальма первенства принадлежит яйцеклетке (ооциту). Она содержит и передает следующему поколению около ста тысяч митохондрий, А вот сперматозоиды обычно содержат менее 100 митохондрий. Кровяные клетки и клетки кожи содержат мало митохондрий или вообще лишены их. По грубым подсчетам, взрослый человек содержит 1 миллион миллиардов митохондрий, которые вместе составляют около 10 % веса его тела.
Митохондрии отграничены от цитоплазмы двумя мембранами. Внешняя мембрана гладкая и непрерывная, а внутренняя образует причудливые складки или трубочки (кристы). Митохондрии не остаются на одном и том же месте. Они могут перемещаться в пределах клетки туда, куда им нужно, и иногда довольно активно. Как и бактерии, они делятся надвое, и происходит это, насколько можно судить, независимо от других митохондрий. А еще они могут сливаться друг с другом, образуя обширные сети.
Впервые митохондрии — структуры, похожие на гранулы, палочки или волокна, — заметили еще в световой микроскоп. Их происхождение тут же стало предметом споров. Одним из первых важность митохондрий осознал немецкий ученый Рихард Альтман. Он предположил, что эти мельчайшие гранулы являются основополагающими частицами жизни. В 1886 г. он назвал их биобластами. Ему представлялось, что биобласты — единственные живые компоненты клетки, а сама клетка — их укрепленное жилище, похожее на крепости людей железного века. Все остальное в клетке, в том числе плазматическую мембрану и ядро, биобласты построили для собственных нужд, а цитозоль (водянистая часть цитоплазмы) служит им резервуаром питательных веществ.
Идеи Альтмана не прижились, а его самого откровенно высмеивали. Нашлись и такие, кто утверждал, что биобласты всего-навсего плод его воображения, артефакты сложного процесса приготовления микроскопических препаратов. Дело осложнялось тем, что цитологи того времени были зачарованы величавым танцем хромосом во время деления клеток. Чтобы визуализировать этот танец, прозрачные компоненты клетки окрашивали специальными красителями. Хромосомы лучше всего окрашивались кислыми красителями, а они, к сожалению, обычно растворяли митохондрии. «Зацикленность» на ядре приводила к тому, что цитологи своими руками уничтожали все свидетельства существования митохондрий. Некоторые другие красители окрашивали митохондрии лишь на короткое время, а затем обесцвечивались. Такое поведение добавило скепсиса: что это за структуры, которые, на манер приведений, то появляются, то исчезают. Наконец, в 1897 г. Карл Бенда показал, что митохондрии — не иллюзия, а реальные клеточные структуры. Он определил их как «гранулы, палочки или филаменты в цитоплазме почти всех клеток <…> которые разрушаются под действием кислот или растворителей жира». Предложенный им термин «митохондрии» происходит от греческих слов mitos — нить и chondrion — зернышко. Это название выдержало испытание временем, но тогда было лишь одним из многих. В разные времена митохондрии величали более чем тридцатью восхитительно туманными прозваниями, такими как хондриосомы, хромидии, хондриоконты, эклектосомы, гистомеры, микросомы, пластосомы, полиоплазмы и вибриодены.
