Ключевую роль в определении местоположения отдельных белков играют клеточные оболочки, поскольку белки не могут проникать сквозь эти оболочки, не обладая специальными средствами транспортировки. Основной же структурой клетки, помогающей белкам оказаться в нужном месте внутри клетки, является эндоплазматический ретикулум. Именно туда устремляются сначала все белки, и именно оттуда они перенаправляются в нужные места. Это происходит за счет видоизменения структур белков, например за счет добавления их к молекулам сахаров, благодаря чему меняется характер их дальнейшего присоединения к другим белкам.
К числу наиболее поразительных по своим функциям белков относятся энзимы. Они могут преобразовывать молекулы одного типа в молекулы другого типа, могут расщеплять молекулы на исходные компоненты, могут соединять воедино две разные молекулы, и таким образом благодаря им становится возможным синтез множества молекул. Энзимы являются катализаторами, способными в миллион раз ускорить химическую реакцию, причем в процессе этого сами они остаются неизменными. Они действуют поразительно быстро, успевая воздействовать на тысячи молекул в течение одной секунды. Поэтому скорость протекания химических реакций внутри клетки исключительно высока.
Все основные химические процессы, которые протекают внутри клетки, происходят с участием энзимов. Они расщепляют молекулы сахаров, которые обеспечивают нас энергией в форме АТФ. Образно энзим можно представить в виде замка, к которому должен подойти определенный ключ — та молекула, которую этот энзим должен изменить. Когда «замок»-энзим встречается с «ключом»-молекулой, он подгоняет этот ключ под себя — меняет его форму, либо отнимая у него некоторые молекулярные компоненты, либо, наоборот, добавляя их. Энзимы часто действуют по командному принципу: молекулы, обработанные одними энзимами, становятся объектами воздействия следующих групп энзимов. Это приводит к образованию сложных внутриклеточных механизмов производства энергии или синтеза новых молекул.
Энзимы, находящиеся в нашем кишечнике, играют ведущую роль в переваривании пищи, которую мы потребляем, — иными словами, в расщеплении ее на мелкие компоненты, которые проникают в систему кровообращения и разносятся кровью по организму, предоставляя питание содержащимся в нем клеткам. Другим ярким примером того, как действуют энзимы, является функционирование содержащегося в нашей слюне и слезах лизоцима, который предотвращает распространение в организме бактериальной инфекции. Этот энзим способен разрывать молекулярные цепочки сахаров, находящиеся во внешней оболочке бактериальных клеток, что ведет к ее разрушению и гибели бактерий.
Действие лизоцима основано на том, что он добавляет к белковой цепи микроба молекулу воды, вставляя ее между двух групп молекул сахаров и заставляя тем самым белковую цепь рваться. Молекулы воды бомбардируют цепочки сахаров все время, однако существующий энергетический барьер не позволяет им разорвать цепь. Энзим же видоизменяет цепочку сахаров так, что устойчивость ее понижается и молекула воды проникает в нее.
При этом энзимы не действуют автономно, сами по себе — их деятельность контролируется другими молекулами клетки и в случае необходимости регулируется. Подавление их активности осуществляется по методу обратной связи. Так, если энзим вырабатывает некое вещество «X», то оно, в свою очередь, вырабатывает некое вещество «Y», которое вступает во взаимодействие с энзимом для того, чтобы приглушить его активность.
Форма клетки и ее передвижения определяются внутренним каркасом, состоящим из белковых нитей и трубочек, которые, вместе с различными клеточными оболочками, являются своего рода костями и мускулами клетки. Находящиеся в сложном и непрерывном взаимодействии друг с другом белковые нити и трубочки поддерживают форму клетки, заставляют эту форму видоизменяться, а также обеспечивают передвижения клетки. Нити играют роль скреп, которые оберегают клетку от воздействия сил, стремящихся деформировать ее. Из них образуются подобия белковых веревок, благодаря которым форма остается неизменной. В некоторых клеточных тканях, таких, как, например, кожа, белковые нити скрепляют клетки в местах их соединений, чтобы придать тем самым ткани дополнительную прочность. Это пример весьма умной инженерии. Нити также помогают удерживать оболочку ядра, которое формируется из небольших белковых образований, и создают своего рода дорожки, по которым внутри клетки двигаются различные мелкие частицы.
Микротрубочки представляют собой достаточно прочные полые трубки, обладающие способностью быстро возникать и затем исчезать в различных частях клетки в зависимости от посылаемых оттуда сигналов. Их относительная нестабильность наделяет их способностью быстро перестраиваться и перегруппировываться. Мы уже наблюдали это, когда рассматривали процесс деления клеток, во время которого микротрубочки участвуют в процессе разделения хромосом.
Подобно нам самим, клетки обладают развитым внутренним скелетом и высокой мобильностью. Внутренний скелет клетки строится из белков. Они же определяют движение клетки. Примером этого являются мускульные сокращения — фундаментальное свойство наших клеток. Когда наши мускулы сокращаются, они становятся короче. Можно было бы подумать, что сокращаются мускулы благодаря укорачиванию некоторых молекул, однако это не так. Клетки применяют для этого более хитроумный способ.
Особенно ясно это видно на примере скелетных мускулов — мышц, которые прикрепляются к костям скелета и состоят из выстроившихся в цепочку небольших мускульных образований, способных к сокращению. Каждое длинное волокно скелетных мышц представляет собой одну огромную клетку, которая в процессе эволюции сформировалась из нескольких малых клеток. Мышечное волокно содержит в себе специфические элементы, связанные с механизмом сокращения, — миофибриллы. Каждая миофибрилла состоит из саркомеров, следующих друг за другом. Саркомер — это функциональная единица мышцы, именно сокращение саркомеров и вызывает сокращение всей мышечной группы. В состав саркомера входят сократительные белки — актин и миозин.
Миозиновые и актиновые нити собраны в мышечные пучки, устроенные таким образом, что актиновые нити находятся между миозиновых. Сокращение мышцы происходит в результате скольжения миозиновых и актиновых нитей относительно друг друга, в результате чего вся миофибрилла становится короче. Это похоже на то, как если бы пальцы одной руки скользили между пальцами другой. Особые области миозиновых нитей воздействуют на актиновые нити, заставляя их двигаться относительно себя, и для этого требуется АТФ. Из-за этой способности к совершению мускульных движений миозин называют белком — мотором мышц.
Актин — это многоликий белок, способный легко вытягиваться в нити и затем распадаться опять на элементарные составляющие. Он может образовывать и жесткие ткани, и — вместе с миозином — сократительные волокна, которые во время деления клетки создают сократительное кольцо, приводящее к образованию двух клеток из одной делящейся. Актин обеспечивает способность клетки к движению. Особенно наглядно это проявляется при движении белых кровяных телец через ткани, когда они внедряются туда для уничтожения вторгнувшихся в организм вредоносных бактерий.
В передней части двигающейся клетки имеется густой пучок актиновых нитей. Разрастаясь, они начинают давить на клеточную оболочку, заставляя ее выпячиваться вперед. Затем эти актиновые нити сокращаются, за счет чего вся клетка подтягивается вперед. Этот процесс повторяется вновь и вновь. Все это похоже на то, как если бы кто-то карабкался вверх по лестнице, помогая себе лишь одной рукой. Однако и в задней части двигающейся клетки также происходят сокращения, которые вызываются уже миозиновыми нитями.
Непрерывное движение внутри клетки в основном вызвано движением митохондрий и небольших пузырьков, окруженных оболочкой, которые перемещаются скачкообразными движениями. В основе этих движений лежит тот же принцип, что и в основе мускульных сокращений. Находящиеся в клетке белковые нити и микротрубочки являются теми «рельсами», вдоль которых совершаются все эти движения. Осуществляется же движение благодаря двигательным белкам, которые связываются одним концом с оболочкой пузырька или митохондрии и затем путешествуют вместе с ними вдоль белковой нити или микротрубочки. Продвижение пузырька или митохондрии происходит за счет того, что с ними поочередно связываются последовательно расположенные двигательные белки, «вытягивающие» их таким образом вперед. Все это напоминает то, как тянутся относительно друг друга во время мускульных сокращений актиновые и миозиновые нити.
