Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Ферменты также могут действовать совместно, осуществляя еще более сложные синтетические процессы типа копирования ДНК с исключительной точностью. Удобнее представить себе такие ферменты в виде невероятно мелких молекулярных машин, отличающихся высокой аккуратностью работы и надежностью. Некоторые из этих машин используют химическую энергию для выполнения физического действия в клетке. Они запускают работу белков, своего рода молекулярных «моторов», ответственных за большинство движений самой клетки, а также разные грузы и структуры внутри клетки. Некоторые действуют как экспедиторы, доставляя клеточные компоненты и химические вещества в ту часть клетки, где они требуются, по сложным путям, также состоящим из белков, перекрещивающимся внутри клетки наподобие обширной, разветвленной железнодорожной сети. Исследователи проводили съемку этих крохотных молекулярных «моторов» и наблюдали, как те «ходят» по клетке, словно миниатюрные роботы. Эти «моторы» обладают храповыми механизмами, которые заставляют их двигаться вперед и помогают избегать схождения с пути из-за случайных столкновений с другими молекулами.

Разновидности этих молекулярных «моторов» также ответственны за силу, необходимую для отделения хромосом и расщепления делящихся клеток пополам. И хотя каждый из них бесконечно мал, совместные усилия миллиардов таких «моторов» во многих миллионах мышечных клеток и приводит в действие крылья желтых бабочек, порхающих у нас в садах, позволяет глазам следить за словами на этой странице, а гепардам – развивать сумасшедшую скорость. Сочетание почти неуловимых действий отдельных белков во множестве клеток имеет те следствия в реальном мире, которые мы видим вокруг себя.

Уровнем выше, чем отдельные ферменты и молекулярные машины, стоят группы белков, которые могут физически стыковаться друг с другом, образуя ряд клеточных устройств, ответственных за более сложные химические процессы. Важная роль среди них принадлежит рибосомам, в которых синтезируются белки. Каждая рибосома состоит из нескольких десятков белков наряду с несколькими большими молекулами РНК, близкого по химическому составу родственника ДНК. Рибосомы больше обычного фермента. Вдоль диаметра человеческого волоса поместилось бы несколько сотен, а не тысяч рибосом, но все же они слишком малы, чтобы увидеть их без помощи электронного микроскопа. Растущие и воспроизводящиеся клетки очень нуждаются в новых белках, поэтому каждая из них может содержать несколько миллионов рибосом.

Чтобы создать новую белковую молекулу, рибосома должна прочесть генетический код определенного гена и перевести его в 20-буквенный аминокислотный «алфавит» белков. Для этой цели клетке сначала нужно сделать копию этого гена. Копия делается из РНК. Она действует как мессенджер и называется информационной, или матричной, РНК (мРНК), поскольку буквально переносится от генов в ядре к рибосоме, неся с собой копию информации о гене. Рибосома использует мРНК как шаблон для построения белка, соединяя аминокислоты в порядке, указанном в последовательности гена. Создавая отдельную и высокоструктурированную микросреду, рибосомы обеспечивают аккуратное и быстрое осуществление этого многоэтапного и многоферментного процесса: на то, чтобы каждая рибосома создала белок, насчитывающий в среднем 300 аминокислот, уходит всего около минуты.

Органеллы клетки гораздо крупнее рибосом, хотя в обычном человеческом масштабе они все еще крошечные. Каждая органелла заключена в собственную липидную мембранную оболочку. Это следующий важный уровень деления эукариотической клетки на участки. В центре каждой из этих клеток находится органелла, которую мы знаем как ядро. Под микроскопом ядро обычно различимо лучше, чем прочие органеллы. Но если большинство клеток малы – 2–3 лейкоцита вашего тела по ширине не больше упомянутых выше тонких волосков на ваших руках, – то ядра еще меньше. Каждое занимает лишь примерно 10 % объема лейкоцита. Но не забудем, что в это невероятно крохотное пространство упакована полная копия всей вашей ДНК, включающей 22 000 генов, – если растянуть ее в длину, то она займет 2 метра.

Вся эта разнообразная химическая деятельность, поддерживающая жизнь клеток, требует энергии – и немало. Сегодня подавляющее большинство жизненных форм вокруг нас в основном получают свою энергию от солнца. Это осуществляется благодаря хлоропласту – еще одной критически важной для жизни органеллы. В отличие от ядра хлоропласты не встречаются в клетках животных; они встречаются только у растений и водорослей. В хлоропластах как раз и происходит фотосинтез: ряд химических реакций, при которых энергия солнечного света используется для преобразования воды и углекислого газа в сахара и кислород.