Staphylococcus pyrogenes, инфекционный агент, вызывающий скарлатину, также выделяет токсин, который разрывает красные кровяные тельца и приводит к появлению характерной мелкой красной сыпи на всем теле и окрашиванию языка в ярко-малиновый цвет. Эта болезнь может быть смертельной – от нее умерла мать американской писательницы XIX в. Луизы Мэй Олкотт, которая написала об этом печальном событии в своем романе «Маленькие женщины». Другие ионные каналы, например те, что выпускают простейшие, вызывающие амебную дизентерию, разрушают наш кишечник.
Борьба с насекомыми
Люди поставили такие каналообразующие бактериальные токсины себе на службу. Одни, которые атакуют клетки бактерий, но не действуют на клетки млекопитающих, используются как антибиотики. Другие применяются как инсектициды. Самым известным токсином является тот, который выделяют бактерии Bacillus thuringiensis. Он встраивается в клетки, выстилающие пищеварительный канал насекомых, лизирует их, и насекомые в конечном итоге погибают от обезвоживания. Токсин выпускается как неактивное вещество-предшественник, которое должно активироваться в пищеварительном канале насекомых, а поэтому он безвреден для людей.
Bacillus thuringiensis широко используются в качестве биологического агента для ограничения численности гусениц в промышленных тепличных хозяйствах, для уничтожения личинок комаров и мошкары, переносящей «речную слепоту» (онхоцеркоз). В последнее время гены токсина бактерий стали встраивать прямо в растения, которые приобретают способность самостоятельно вырабатывать токсин. Вырабатывающие пестициды виды кукурузы, картофеля и хлопка широко выращиваются в США и позволяют кардинально сократить использование синтетических инсектицидов. Вместе с тем практика выращивания таких растений вызывает неоднозначную реакцию отчасти в результате обеспокоенности по поводу генетически модифицированных продуктов. Другая причина связана с опасением, что постоянное воздействие пестицидов на насекомых приведет к появлению видов, устойчивых токсину. Любая мутация рецептора, предотвращающая присоединение токсина, дает несомненное репродуктивное преимущество, и уже появились сообщения об устойчивых к пестициду насекомых. Как и в случае с антибиотиками, преодоление сопротивления – это непрерывная борьба.
Самоубийство клеток
На определенном этапе развития у эмбриона человека руки и ноги перепончатые, как у утки. По мере того как эмбрион растет в материнской утробе, клетки, образующие перепонки между пальцами отмирают в процессе так называемой запрограммированной гибели (или апоптоза), так что к моменту рождения наши пальцы на руках и ногах разделяются. Если процесс формирования тела нарушается, а такое иногда случается, то ребенок рождается с перепонками между пальцев.
Каждый, кто когда-нибудь держал головастиков, наблюдал, как такое самоубийство, т. е. апоптоз с рассасыванием отмирающих клеток, приводит к исчезновению хвоста при превращении головастика в лягушонка. Точно так же апоптоз наблюдает любая женщина каждый месяц, поскольку отторжение слизистой оболочки матки, происходящее в начале цикла, также является результатом запрограммированной гибели клеток. Но главное, пожалуй, то, что самоубийство клеток играет ключевую роль в развитии нервной системы и формировании связей в головном мозге. В начальный период родившиеся нервные клетки выбрасывают свои аксоны в направлении цели случайным образом. Если аксоны достигают правильной цели, то устанавливается предварительная связь, импульсы активно идут по линиям, происходит обмен химическими приветствиями, и связь закрепляется. Нервные клетки, чьи аксоны не отыскали правильную цель, генерируют значительно более слабые импульсы и просто увядают из-за того, что не используются. Многие клетки умирают в процессе развития мозга, и без их самоубийства мозг не смог бы функционировать должным образом. Апоптоз также позволяет избавиться от клеток, которые могут угрожать жизни организма. Иммунная система человека способна убивать клетки, зараженные вирусами, и клетки с поврежденной ДНК, которые приводят к образованию раковой опухоли.
На клеточном уровне, таким образом, смерть вовсе не отрицательное явление. Это неотъемлемая часть жизни каждого многоклеточного организма, и каждый день несколько миллиардов клеток в нашем организме умирают в результате апоптоза. Без этого процесса многоклеточная жизнь невозможна. Если это не приближает нас к пониманию смысла жизни, по крайней мере на клеточном уровне, то смысл смерти определенно становится ясным.
Время жить, время умирать
Когда клетка совершает самоубийство, она сжимается, ее мембрана отходит от цитоплазмы, образуя уродливые вздутия. ДНК разрушается, уже не могут синтезироваться белки, а митохондрии, клеточные энергоустановки, отключаются. На поверхности клеточной мембраны появляются специфические липиды, которые являются сигналом для макрофагов, которые поглощают продукты распада умирающей клетки для утилизации.
Существует несколько путей самоуничтожения клетки, однако, как вы, наверное, уже догадались, один из них предполагает участие ионных каналов. В нем задействованы также митохондрии, крошечные органоиды размером с бактерию, которые имеются почти во всех клетках нашего организма. Прародители митохондрий были когда-то самостоятельными организмами, чем-то вроде сине-зеленых водорослей (цианобактерий), которые образуют знакомую всем зеленую пену на поверхности озер в жаркое лето, однако примерно два миллиарда лет назад эти предшественники митохондрий отказались от самостоятельности и стали частью древних клеток. Таким образом, подобно триллам из киноэпопеи «Звездный путь», мы живем в симбиозе с другим организмом, однако никакой фантастики здесь нет, и наши симбионты микроскопические. Практически все клетки растений и животных содержат митохондрии, которые принципиально важны для жизни – без них многоклеточные организмы не могли бы функционировать. Митохондрии действуют как молекулярные топки, в которых такое топливо, как сахар и жиры, окисляется кислородом и дает химическую энергию. Клетки, которым требуется много энергии, например мышечные клетки, содержат большое количество митохондрий.
У митохондрий есть одна особенность. Они окружены двумя мембранами, целостность которых важна для того, чтобы митохондрия могла вырабатывать энергию. Когда клетка решает пойти на самоубийство, в наружной митохондриальной мембране образуется крупная пора, известная как митохондриальный апоптоз-индуцирующий канал. Это отверстие настолько велико, что из митохондрии в цитоплазму могут вытекать относительно крупные химические частицы, создающие хаос и инициирующие каскад событий, которые неотвратимо ведут к гибели клетки. Важно, однако, заметить, что решение о самоубийстве принимает не митохондрия. Этот процесс инициируется и жестко контролируется клеткой, которая просто использует митохондриальный механизм в своих целях.
Погубленный урожай
Именно на митохондрии действовал токсин глазковой пятнистости листьев кукурузы, который так пагубен для ЦМС-разновидностей кукурузы. Стерильность ЦМС-растений обусловлена наличием уникального ионного канала во внутренней митохондриальной мембране. Как бомба замедленного действия, этот канал нормально закрыт и не влияет на функционирование органоида. Однако присоединение токсина глазковой пятнистости листьев кукурузы активирует бомбу, открывая канал и лишая митохондрию способности вырабатывать энергию. Клетка, лишенная энергии, погибает. По мере распространения грибка токсин убивает растение, клетку за клеткой. К заболеванию восприимчивы только те растения, у которых есть соответствующий ген ионного канала, т. е. ЦМС-разновидности. Взаимосвязь восприимчивости к токсину и мужской стерильности неразрывна, поскольку и то и другое является результатом одного и того же процесса. Даже в отсутствие токсина ионный канал активируется в митохондриях клеток, которые снабжают развивающиеся пыльцевые зерна питательными веществами, и, когда эти клетки чахнут и погибают, вместе с ними погибает и пыльца.
