Страница 67 из 92
Клеточная машина
К 50-м годам было установлено, что живая клетка представляет собой совершенную «машину» с исключительно сложной структурой, в которой одновременно происходят тысячи реакций разложения и синтеза, разрушения и созидания, благодаря чему поддерживается структура живой материи. Особый вклад в изучение клетки внесли Джордж Эмиль Паладе из Рокфеллеровского института медицинских исследований в Нью-Йорке, Кристиан Рене Де Дюв из того же института и Альбер Клод из Брюссельского университета. Общим в их работе является то, что все они отдавали предпочтение методу дифференциального центрифугирования.
Ультрацентрифугу изобрел Теодор Сведберг для проведения исследований в коллоидной химии. Клеточные гомогенаты, с которыми работают биохимики, также относятся к коллоидным растворам, и многие биологи сразу же стали использовать метод центрифугирования. Однако длительное время не удавалось получить удовлетворительных результатов. Метод дифференциального центрифугирования был создай трудом большого числа ученых, среди которых ведущую роль играл Альбер Клод.
Суть метода проста. Клеточный гомогенат, представляющий собой смесь различных компонентов клетки, подвергается последовательному центрифугированию с увеличением числа оборотов. Таким образом создается искусственная гравитация, под действием которой из коллоидного раствора последовательно осаждаются все более легкие частицы. Ускорение, характеризующее вес частицы, измеряется в единицах «сведберг» и обозначается буквой S. Вначале осаждаются неразрушенные клетки. Жидкость переливается в другой сосуд, и центрифугирование продолжается таким же методом. Далее происходит последовательное выпадение в осадок крупных клеточных фрагментов, ядер, митохондрий, лизосом и рибосом. На каждом этапе А. Клод идентифицировал осаждаемые объекты, наблюдая их под микроскопом. Его исследования подтвердили, что с митохондриями связаны процессы окисления. Проведя биохимические эксперименты, он открыл в составе митохондрий некоторые из дыхательных ферментов.
Дальнейшее развитие метода дифференциального центрифугирования связано с именем Кристиана Де Дюва. Кульминацией его работы явилось открытие в 1963 г. лизосом. Это открытие в известной мере произошло случайно. Де Дюв и его сотрудники исследовали субклеточные фракции клеток печени крысы. Неожиданно в гомогенате было обнаружено резкое усиление ферментативной активности. Исследование этого феномена показало, что клетки имеют особые частицы, в которых содержатся ферменты, способные разлагать различные вещества. Разрыв лизосомы на части приводит к лизису (разрушению клеточных структур или самой клетки) — так в живых системах разрушается старое, чтобы дать место новому. Оказалось, что лизосомы есть практически во всех клетках и что они принимают самое деятельное участие в физиологических и патологических, процессах, происходящих в клетке. Возник самостоятельный раздел клеточной патологии, который занимается изучением дефектов в структуре и функции лизосом.
Выделение фракций, состоящих из все более мелких частиц, потребовало использования электронного микроскопа. С помощью этого прибора больших успехов добился Джордж Паладе. Он подробно изучил митохондрии и рибосомы, описал ультраструктуру митохондрий, в частности гребешки на внутренней мембране, названные его именем. Многие годы рибосомы, подробно исследованные им, назывались также «гранулами Паладе». Используя ультрацентрифугу, он выделял субклеточные частицы, после чего искал их в структуре самой клетки, чтобы увидеть эти частицы в первоначальном виде и установить их взаимодействие с другими клеточными органеллами,
Альбер Клод сделал свои крупные открытия еще в 40-е годы. Наиболее активный период в деятельности Паладе и Де Дюва приходится на 50-е. годы. В 1974 г. — с заметным опозданием — трое названные ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Такая высокая оценка их труда Нобелевским комитетом при Каролинском институте была продиктована большой важностью исследований клетки, заменивших ныне классический биохимический эксперимент с гомогенными растворами. Эти исследования — свидетельство постепенного объединения биохимии с цитологией на уровне молекулярной биологии, когда химический состав и биологическая структура изучаются в комплексе. Именно в таком направлении видится, будущее развитие науки о жизни.
В истории физиологии отчетливо прослеживается постепенный переход от исследований животных как целого к исследованиям тканей и экстрактов из них. С одной стороны, это позволило детально изучить процессы обмена веществ, а с другой — привело к потере связи между структурой и функцией. Лишь в 50—60-е годы, с развитием современных методов исследования, физиологию клетки начали связывать с функциями субклеточных структур. Особенно большие успехи были достигнуты в изучении синтеза белковых веществ, осуществляемого в рибосомах по команде ДНК с помощью различных видов РНК. Теперь предстоит установить, где именно в клетке возникают и другие химические вещества. В настоящее время более значительных успехов удалось добиться в изучении их синтеза.
В то время как процесс разложения углеводов исследован сравнительно давно, их синтез долгое время оставался неразгаданным. Многие видные ученые допускали, что указанные реакции обратимы и сахара создаются так же, как и разлагаются. Лишь в 1949 г. аргентинский ученый Луис Федерико Лелуар, ученик Бернардо Усая, сделал открытие, которое в корне изменило направление мыслей биохимиков. Он установил, что превращение моносахаридов из одного вида в другой происходит в присутствии какого-то неизвестного вещества. Выделив это вещество, Лелуар определил его химическую структуру. Оно представляло собой фрагмент углевода, связанный с нуклеотидом. Исследования аргентинского ученого показали, что трансформация моносахаридов происходит после их соединения с подобным нуклеотидом. Это делает их активными и реакцию возможной. Далее выяснилось, что с помощью нуклеотидов осуществляется биосинтез таких полисахаридов, как гликоген, крахмал, целлюлоза и т. д.
Эта идея имела большое значение для биохимии. Ученые отказались от представлений об обратимом характере этих реакций. Выяснилось, что разложение и синтез идут разными путями. Впоследствии было установлено, что это относится и к другим группам соединений, в частности к белкам и нуклеиновым кислотам.
Л. Лелуар специализировался в 1936 г. по биохимии у Ф.Г. Хопкинса в Кембридже, в 1944 г. был ассистентом Карла Кори, а затем Бернардо Усая в Буэнос-Айресе. Восприняв опыт этих крупных ученых, он сумел внести свой собственный большой вклад в биохимию, что и принесло ему в 1970 г. Нобелевскую премию по химии.
Важное место в учении о метаболизме занимает исследование жирных кислот и других соединений, образующих большую группу липидов. Особый интерес представляют стерины, к которым относятся многие физиологически активные соединения. Химическая структура этих соединений начала выясняться в начале XX в.; в 1928 г. Генрих Виланд и Адольф Виндаус (Виланду премия была присуждена за 1927 г.) получили Нобелевскую премию по химии за исследования структуры соответственно желчных кислот и холестерина. Было установлено, что у животных и растений имеется большое число стеринов, например витамин D, половые гормоны, гормоны надпочечников и т. д. Некоторые из них были известны довольно давно. Холестерин был открыт еще 200 лет назад в желчных камнях. Однако детали механизма синтеза стеринов начали выясняться лишь после того, как Конрад Эмиль Блох и Феодор Линен применили для изучения цепи биохимических реакций- метод меченых атомов.
Исследования этих ученых заложили основы современных представлений о динамике процессов в живых клетках. Фундаментальным открытием — оно было сделано в лаборатории Рудольфа Шёнхеймера в Колумбийском университете — явилось выяснение роли уксусной кислоты как структурного элемента при синтезе холестерина и жирных кислот. Эти исследования в основном выполнены Блохом. В то же самое время Линен в Мюнхенской лаборатории Генриха Виланда (его тестя) также изучал метаболизм уксусной кислоты и открыл ее активированное состояние, которое оказалось предшественником всех липидов человеческого организма. Этот активированный ацетат образуется в ряде процессов обмена веществ.