Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции

Актиновые и миозиновые нити можно извлечь из мышечных волокон и разделить на составляющие. Например, головки миозина можно отделить от их длинных хвостов и соединить в пробирке с актином. Актин может сам быстро собираться в длинные нити. Способность к полимеризации при соответствующих условиях — одно из его неотъемлемых качеств. К таким нитям миозиновые головки тоже прикрепляются сами, как и в работающих мышцах, выстраиваясь вдоль актиновых нитей как стрелки, которые рисуют на схемах. Все эти стрелки указывают одно направление, отражающее полярность актиновых нитей, всегда собирающихся в одной и той же конфигурации. Миозин тоже всегда связывается с ними в одном и том же направлении, что позволяет создавать мышечную силу. (В саркомерах актиновые волокна, расходящиеся в стороны от середины, имеют противоположную полярность, так что при сокращении оба края саркомера приближаются к середине и весь саркомер сжимается. Такое сокращение множества расположенных в ряд саркомеров приводит к укорачиванию всей мышцы.)

Миозиновые головки связываются только с актином и ни с чем иным, поэтому, добавляя их к содержимому любых клеток, можно проверять, есть ли в них актиновые нити. До 60-х годов считалось, что актин — это специализированный мышечный белок, неизменно присутствующий в мышцах разных видов животных, но отсутствующий в их клетках других типов. Эти общепринятые представления лишь недавно были поставлены под сомнение биохимическими данными, указывавшими на то, что у одного из многих организмов, не имеющих мышц, — у пивных дрожжей, — актин, возможно, все-таки есть, но когда стало известно, что актин можно украшать миозиновыми головками, открылся настоящий ящик Пандоры. Первым его открыл Хаксли. Он добавил кроличий миозин к актиновым нитям, выделенным из слизевика — представителя очень примитивной группы организмов, — и обнаружил, что эти белки прекрасно подходят друг к другу.

Актин есть везде. У всех сложных клеток имеется внутренний скелет (цитоскелет) из актиновых (и других) нитей. Во всех клетках нашего организма, как и во всех клетках любых других животных, а также любых растений, грибов, водорослей и простейших, есть актиновый цитоскелет. И то, что кроличий миозин связывается с актином слизевика, заставляет предположить, что актиновые нити из принципиально разных типов клеток очень похожи по своей тонкой структуре. Это предположение, как ни удивительно, совершенно справедливо: например, теперь нам известно, что генетические последовательности, кодирующие актин у человека и у дрожжей, совпадают на 95 % [48] . В свете этого эволюция мышц выглядит совсем по-другому. Те же самые нити, которые работают в наших мышцах, работают и во всех сложных клетках. Они по-настоящему отличаются только тем, что по-разному организованы.

48

На самом деле ситуация несколько сложнее: сами генетические последовательности совпадают на 80 %, а на 95 % совпадают последовательности аминокислот в кодируемых ими белках. Это возможно потому, что многие аминокислоты могут быть закодированы по-разному (см. главу 2). Разница между приведенными выше показателями сходства — результат обычных мутаций в последовательности ДНК-букв в сочетании с сильным отбором на сохранение исходной последовательности аминокислот. Отбор почти всегда допускает лишь те изменения генетической последовательности, которые не приводят к изменению последовательности аминокислот в белке. Это еще один небольшой, но наглядный пример действия отбора.

Среди всех музыкальных форм мне почему-то особенно дороги вариации. Утверждают, что когда Бетховен в юности демонстрировал свою игру Моцарту, она не произвела на Моцарта особого впечатления, если не считать мастерства импровизации — умения извлекать бесконечные ритмические и мелодические вариации из одной простой темы. В зрелые годы это мастерство достигло у Бетховена апогея в его великих Вариациях на тему Диабелли. Как и предшествовавшие им замечательные баховские Вариации Гольдберга, бетховенские вариации отличаются строгостью формы. Положенная в их основу гармоническая схема сохраняется на протяжении всего произведения, сообщая ему безошибочно ощущаемое единство. В последующие времена композиторы часто отказывались от подобной строгости, что позволяло им задерживаться на различных настроениях и впечатлениях, но лишало их произведения ореола математического совершенства. Такие вариации не создают ощущения, что все скрытые нюансы мелодии в них извлечены на свет, все тайные измерения обрели реальность, все возможности были использованы.

Рис. 6.3. Актиновые нити, добытые из слизевика Physarum polycephalym, украшенные актиновыми «стрелками» из мышц кролика.

Рис. 6.4. Актиновый цитоскелет в клетке хрящевой ткани коровы, помеченный флуоресцентным красителем фаллоидином-ФИТЦ.

Эта способность взять определенную тему и проиграть ее во всевозможных вариациях, неизменно сохраняя верность основным элементам ее структуры, характерна и для живой природы. Например, на такую заданную тему, как двигательные взаимодействия миозина и актина, естественный отбор с бесконечной изобретательностью писал вариации, породив захватывающий дух набор форм и функций. Внутренний мир любой сложной клетки наглядно подтверждает, с какой удивительной легкостью естественному отбору даются строгие вариации.

Взаимодействие двигательных белков с нитями цитоскелета порождает целый мир движений сложных клеток, как внутренних, так и внешних. Многие клетки способны без видимых усилий скользить по твердым поверхностям, не прибегая ни к помощи конечностей, ни к изменениям формы тела. Другие образуют выросты (так называемые ложноножки), которые вытягиваются и подтягивают за собой клетку или помогают ей заглатывать жертв, обволакивая их протоплазмой. У третьих есть реснички или жгутики, которые, ритмично извиваясь, помогают клетке двигаться. Внутри клеток бурлит цитоплазма, поддерживая непрерывную циркуляцию их содержимого. В этом микромире беспрестанно суетятся крупные тельца, такие как митохондрии, и танцуют, прежде чем разойтись к разным полюсам, свой изысканный гавот хромосомы. А вскоре после этого клетка делится надвое, перешнуровываясь посередине, как будто безжалостно перетягивая свою талию. Все эти движения обеспечиваются молекулярным инструментарием, характерные элементы которого составляют актин и миозин. И все эти процессы представляют собой строгие вариации на одну и ту же тему.

Представьте, что вы уменьшились до размеров, скажем, молекулы АТФ и что клетка стала для вас огромным футуристическим городом. Куда ни кинешь взор, везде протянуты замысловатые системы проводов, поддерживаемых другими проводами. Одни кажутся слабыми и тонкими, другие отличаются немалым диаметром. Земное тяготение не играет в этом городе будущего никакой роли: повсюду вязкая среда и беспорядочно трясущиеся атомы. Попытайтесь сдвинуться с места, и вы почувствуете, что застряли, как муха в варенье, в то время как со всех сторон на вас сыплются удары и толчки. Вы вдруг замечаете, как через этот головокружительный город с поразительной скоростью движется необычайная машина, перебирающая механическими руками, которыми она держится за один из множества натянутых проводов. К этой машине с помощью громоздкого соединительного блока прикреплен поистине огромный предмет, который она быстро тянет за собой. Если вы окажетесь у него на пути, вы почувствуете такой удар, будто с вами столкнулась летающая электростанция. На самом деле это и есть электростанция — то есть митохондрия, транспортируемая в другой конец клеточного города, чтобы обеспечить энергией затеваемую там стройку. Теперь вы замечаете, что и другие разнообразные объекты движутся в том же направлении: одни быстрее, другие медленнее, но все их тянут, держась за натянутые в небе провода, похожие машины. Когда митохондрия со свистом проносится мимо, вас подхватывает создаваемый ею вихрь, и вы тоже начинаете кружиться вместе со всеми. Вы сами становитесь частью перемешивающего содержимое любой сложной клетки непрерывного круговорота — цитоплазматического потока.

Все это обеспечивается нанотехнологиями столь сложными, что мы еще только начали в них разбираться, и все же, несмотря на всю странность этого города будущего, его инфраструктура на удивление похожа на инфраструктуру бесчисленного множества других подобных городов. Клетка, внутренности которой я описал, могла оказаться одной из клеток вашего собственного организма, но с тем же успехом могла быть и клеткой растения, или гриба, или одноклеточного простейшего, плавающего в пруду возле дома. Миру клеток свойственно изумительное единообразие, создающее глубокое ощущение взаимосвязанности и братства живой природы. С точки зрения клетки вы представляете собой лишь очередную вариацию на тему плана строения, еще один способ построить нечто замечательное из похожих кирпичиков. Но каких кирпичиков! У всех эукариот (организмов, состоящих из сложных клеток, наделенных ядром; см. главу 4) каждый из таких кирпичиков выглядит как процветающий мегаполис, в отличие от гораздо проще устроенных клеток бактерий. И в немалой степени эта разница определяется богатствами цитоскелета и постоянно осуществляемой им транспортировки, благодаря которой содержимое клетки непрерывно развозится по ее внутренностям. Без этого неиссякаемого транспортного потока клеточный город не смог бы существовать, как не смогли бы существовать и наши прекрасные города без их оживленных магистралей.

Весь внутриклеточный транспорт осуществляется с помощью белковых моторов. Первый из них — миозин, скользящий вдоль актиновых нитей точно так же, как он делает это в мышцах. А дальше начинаются вариации. В мышцах миозиновые головки почти постоянно отделены от актиновых нитей. Если бы они не были отделены, а оставались связанными, это физически мешало бы другим головкам совершать взмахи. Такая система была бы похожа на лодку, гребцы которой отказываются поднимать весла из воды. В мышцах механизм с отделенными большую часть времени миозиновыми головками прекрасно работает, потому что сплетенные друг с другом длинные хвосты, на которых закреплены эти головки, удерживают их рядом с актиновыми нитями. Но с актиновыми проводами, пересекающими клетку вдоль и поперек, осуществлять работу подобного механизма было бы гораздо сложнее. Как только двигательные головки отделялись бы от актиновой нити, их начинало бы дергать из стороны в сторону, и им трудно было бы вновь ухватиться за провод (хотя в ряде случаев миозиновые головки все же удерживаются возле актиновых проводов за счет электрических взаимодействий).

Лучшим решением этой проблемы будет «процессивный» двигатель, остающийся прикрепленным к актину и в то же время каким-то образом марширующий вдоль актиновой нити, как уличная процессия. Именно это мы и наблюдаем. Несколько небольших изменений в структуре миозина делают из него как раз такой процессивный двигатель, способный перемещаться вдоль актиновой нити, все время за нее держась. Какие это изменения? Одно из них — удлинение шейки. Вспомните, что в мышцах две миозиновые головки торчат рядом, прочно соединенные друг с другом хвостами и шейками, но в остальном, судя по всему, не особенно координируют свою работу. Стоит немного удлинить шейки, и взаимозависимость головок еще ослабнет. Это позволит одной головке оставаться прикрепленной, пока вторая совершает взмах, в результате чего миозиновый двигатель сможет перемещаться вдоль провода, перебирая «руками» [49] . Другие варианты предполагают соединение трех или даже четырех головок. Также, разумеется, нужно избавиться от хвостов, чтобы миозиновые головки не торчали из толстой нити, а могли свободно «расхаживать» по клетке. И, наконец, к двигательным головкам нужно прикреплять другие предметы. Это происходит за счет «соединительных» белков, каждый из которых соответствует какой-то одной разновидности груза. В итоге мы получаем целое племя процессивных двигателей, способных по актиновым путям развозить грузы в клетке во всех направлениях.

49

На самом деле эти изменения, разумеется, происходили в обратную сторону: из процессивных двигателей в ходе эволюции развились миозиновые нити мышц, а не наоборот. Возможно, именно поэтому каждая молекула миозина в мышцах по-прежнему имеет две головки, хотя между их работой и не наблюдается полезной координации.

Как возник этот великий парад двигательных белков? В мире бактерий и близко нет ничего подобного. При этом актин и миозин — не единственный двигательный «дуэт» в эукариотических клетках. У двигательных белков другого семейства, так называемых кинезинов, принцип работы примерно такой же, как у миозинов: они тоже перемещаются по проводам цитоскелета, перебирая «руками». Но кинезины пользуются при этом не актиновыми нитями, а проводами большего калибра — так называемыми микротрубочками, собираемыми из субъединиц еще одного белка — тубулина. Одна из многих функций кинезинов состоит в том, что во время деления клеток они обеспечивают расхождение хромосом к полюсам по веретену из микротрубочек. Существуют и другие разновидности двигательных белков, но мы не будем их разбирать, чтобы не завязнуть в избыточных подробностях.