Самосборка клеток, органов и организмов

Реферат

Самосборка клеток, органов и организмов

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЕДУЩИЕ К ОБРАЗОВАНИЮ ПРОТОКЛЕТКИ. АВТОСИНТЕЗ ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ И УПОРЯДОЧЕННЫЕ РЕАКЦИИ

Гипотеза Эйгена о том, что возникновение клетки было статистическим процессом и что «эволюция должна начинаться со случайных событий», отражает неодарвинистский подход к вопросу о происхождении жизни. Миллер и Орджел также считали, что на ранних стадиях эволюции молекул в ней участвовали только статистические полимеры и что упорядоченный генетический код возник из этого первозданного хаоса. Как мы уже указывали, очевидно, что порядок не может спонтанно возникнуть из хаоса. Он может порождаться только предшествующими формами упорядоченности, какими бы примитивными те ни были.

Рассуждениям Эйгена и Миллера противоречат данные недавних опытов Фокса. Они показывают, что уже при образовании протоклетки преобладала упорядоченность. Оказалось, что аминокислоты способны самопроизвольно соединяться в полипептидные цепи с определенной последовательностью - открытие, имеющее решающее значение для понимания механизма возникновения упорядоченных реакций; оно показывает, что эволюции свойственно самоограничение. Согласно Фоксу, для функционирующей протеиноидной протоклетки не требуется ни нуклеиновых кислот, ни фосфолипидов. Протеиноиды, богатые основными аминокислотами, способны в отсутствие ферментов катализировать синтез пептидов, используя энергию АТР и пирофосфата; они катализируют также синтез полинуклеотидов. Полипептиды с мол. массой 10000 и выше можно получить при помощи термической полимеризации аминокислот. Другая неодарвинистская точка зрения заключается в том, что возникновение клетки было редким событием, и этот процесс протекал с большим трудом. Такая сложная структура, как клетка, могла будто бы появиться только после длительной многоступенчатой эволюции. Этому опять же противоречат опыты Фокса. Протеиноидные микросферы образуются в астрономических количествах с удивительной легкостью и сразу обнаруживают многие неожиданные свойства. Упорядоченные реакции были продемонстрированы и в опытах с тирозинсодержащими трипептидами.

Данные этих работ указывают, что пути возникновения клеток полностью отличались от предлагаемых неодарвинистами: 1) самопроизвольное образование полипептидных последовательностей может происходить без участия нуклеиновых кислот; 2) процесс этот упорядочен; 3) образование протеиноид-ных микросфер идет легко и с большим выходом.

Генетический код возникает не из хаоса.

Фокс и др. обнаружили, что богатые лизином протеиноиды катализируют оба основных типа биосинтетических реакций: синтез пептидов и синтез полинуклеоти-дов. По мнению авторов, эти опыты показывают, на какой основе мог возникнуть генетический код. Протоклетки, состоящие из основных и кислых протенноидов, обладают каталитической активностью; термические пептиды, богатые основными аминокислотами, катализируют некоторые реакции синтеза.

В самосборке многоклеточных образований участвуют межклеточные носители информации. Клетки также способны к спонтанной сборке, т. е. имеют структурные и молекулярные приспособления, позволяющие им узнавать друг друга и ассоциироваться специфичным образом. Процесс самосборки клеток, как и молекул, в принципе исключает хаотичность при соответствующих взаимодействиях. В результате возникают отнюдь не хаотичные, а строго упорядоченные и отлаженные механизмы формирования органов у растений и животных. Межклеточная самосборка включает следующие процессы: 1) межклеточную коммуникацию; 2) взаимное узнавание клеток; 3) клеточную адгезию.

Таблица 2 - Тирозиисодержащие трипептиды, которые должны были бы образоваться исходя из гипотезы о неупорядоченной полимеризации, а также трипептиды, полученные экспериментально

МЕЖКЛЕТОЧНАЯ КОММУНИКАЦИЯ

У некоторых видов амеб существуют две фазы: 1) фаза отдельных самостоятельных клеток; 2) фаза, в которой они агрегируют, образуя слизистую массу наподобие многоклеточного организма. Эта вторая фаза связана с недостатком пищи -- бактерий, которыми они питаются. В этих условиях амебы секретируют некое вещество, называемое акразином, рецепторы которого имеются на поверхности амеб.

Выяснилось, что акразин у Dictyosfelium -- это циклический AMP, а у Polysphondylium -- дипептид глутаминовой кислоты и орнитина. Диффундируя от одной клетки или от группы клеток, эти простые соединения информируют другие клетки и ориентируют их по диффузионному градиенту концентрации. Этот сигнал заставляет амеб передвигаться и агрегировать. Установлена химическая структура соединения, индуцирующего появление начальных форм ножки и спороносного тела у Dictyostelium. Это -- сложный гексанон, новый класс химических посредников, функционирующий в сопряжении с cAMP.

Рис. 1 - Эволюция от протоклеток к современным клеткам, которую можно проследить по имеющимся данным. На стадии 1 синтезировались термические пептиды. Некоторые их смеси содержали достаточно много основных аминокислот, чтобы могли протекать стадии 2, 3 и ранние этапы стадии 4, на которой происходило деление микросфер. На стадии 5 из части АТР и других нуклеозидтрифосфатов образовывались полинуклеотиды и далее формировались клетки.

Это последнее соединение участвует во многих реакциях передачи сигналов -- гормональных и нервных -- ив организме человека; функции медиаторов в нервной системе выполняют небольшие пептиды. Таким образом, для межклеточной коммуникации и у простейших, и у человека используются идентичные либо сходные молекулы, что указывает на универсальность процесса первоначальной межклеточной самосборки.

МЕЖКЛЕТОЧНОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ

Взаимное узнавание эмбриональных нервных клеток изучали на саранче. Мозг человека состоит из нескольких миллиардов нервных клеток. Клеточное распознавание является необходимым механизмом, позволяющим отдельным эмбриональным нейронам находить и узнавать друг друга, с тем чтобы, соединяясь, образовать специфичную структуру нервной сети. Эмбриональные нервные волокна имеют конус роста, от которого отходят филоподии; филоподии могут вытягиваться, втягиваться и вступать в контакты с соседними нейронами.

Рис. 2 - Жизненный цикл Dlctyostelium discoideum: растущие и размножающиеся амебы образуют путем самосборки плодовое тело.

С помощью красителей и молекулярных меток установлено, что нитевидные филоподии, выходящие из кончика конуса роста, вступают в контакт только с нейронами определенного типа, избегая других. При этом филоподии могут обследовать поверхности примерно ста нервных клеток разных типов, но соединяются лишь с одним из них. Избирательность процесса узнавания? видна и на примере амеб: если смешать особей, относящихся? к двум разным родам, то агрегировать они будут не беспорядочно, а только с амебами своего рода, не реагируя на других.

КЛЕТОЧНАЯ АДГЕЗИЯ

Форма эмбрионов и образование органов определяются в значительной степени клеточной адгезией. Это происходит благодаря перемещению клеток, регулируемому в свою очередь белковыми молекулами. Из ткани куриных эмбрионов выделен ряд таких молекул, участвующих в адгезии; выяснилось, что лишь немногие из них активны на ранних эмбриональных стадиях. В ходе развития они образуются в» неравных количествах в различные периоды; существует определенная динамика их синтеза.

Формообразование у животных -- это важнейшее морфоге-нетическое явление -- в значительной мере зависит от межклеточной самосборки, в которой участвуют как весьма простыс-молекулы, так и макромалеку-лы. В любом случае процесс объединения клеток контролируется молекулярными посредниками и реализуется! при участии межмолекулярных взаимодействий.

Межклеточная самосборка, в результате которой образуются ткани, походит на осаждение кристаллов из раствора. Лишь в последние десятилетия удалось диссоциировать ткани на отдельные клетки путем дезинтеграции вязкого цементирующего «основного» вещества, связывающего животные клетки. Этот межклеточный «клей» растворяется под действием трипсина в присутствии кальцийсвязывающего реагента. В результате были предприняты попытки реконструировать ткани из отдельных клеток. В большинстве своем изолированные эмбриональные клетки не способны нормально развиваться. Они могут продолжать делиться, но утрачивают свои типичные функции. Эмбриональная ткань почки курицы состоит из; клеток различных типов, собранных в трубочки. После диссоциации этой ткани ее отдельные клетки не могут проявить, своих характерных свойств вне многоклеточного образования.

Рис. 3 - Схема некоторых миграций клеток при образовании тканей и органов в процессе эмбриогенеза у млекопитающих. Пути, по которым мигрируют клетки, связывают места возникновения клеток и места, где они должны находиться у взрослого организма. Предшественники эритроидных клеток возникают в энтодерме желточного мешка и мигрируют в костный мозг и печень. Предшественники лимфоидных клеток мигрируют в костный мозг, селезенку и другие органы. Первичные половые клетки активно мигрируют от желточного мешка к возникающим гоиадам. Сходным образом развиваются нервы. Сердце также формируется в результате самосборки клеток, происходящих из других областей.

В условиях, благоприятных для восстановления ткани из; клеток, этот процесс проходит через следующие этапы:

1) клетки начинают активно двигаться;

2) образуется пленка из внеклеточного склеивающего материала;

3) клетки постепенно собираются в группы;

4) они образуют соединительные мостики;

5) с помощью последних формируются более крупные агрегаты со специфичной структурой ткани;

6) организуются почечные канальцы с секреторной активностью.

Таким образом, индивидуальные клетки способны к самосборке и, не получая никакой информации извне, реконструируют ткань с исходной ее организацией и функцией.

Как указывает Москона, клетки агрегируют в сгустки ткани «подобно кристаллам, выпадающим в осадок из раствора». Точно-так же и клетки печени собираются в структуры, идентичные долькам нормальной печени, которые способны аккумулировать гликоген. Агрегируют и клетки сердечной мышцы, образуя ритмично сокращающуюся ткань.

Рис. 4 - Три основных процесса, обусловливающие перераспределение клеток зародыша -- миграция, распознавание, фиксация, -- которые происходят при миграциях клеток, указанных на предыдущем рисунке.

Клетки из разных органов и организмов, находясь в смеси, способны распознавать друг друга и организовываться в раздельные органы. В смеси клеток хряща мыши и почек курицы клетки группируются так, что из клеток мыши восстанавливается хрящ, а из клеток курицы -- почечные канальцы. Клетки в смеси, как и атомы, не дезориентированы. Благодаря своей молекулярной специфичности они воссоздают только исходную структуру.

МЕЖКЛЕТОЧНАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Албертс и др. подчеркивают: «Эволюция многоклеточных организмов определялась способностью клеток к взаимному общению. Межклеточная коммуникация необходима для того, чтобы регулировать развитие клеток, их организацию в ткани, их рост и деление, чтобы координировать различные типы активности». Химическая сигнализация является основным процессом в эволюции, потому что без нее невозможно существование многоклеточных организмов. Это означает, что в значительной мере направляли эволюционный процесс именно те химические агенты, которые выполняют роль сигналов. Следует ожидать, что превращения, имевшие место в ходе эволюции, отчасти явились следствием изменений самих сигнальных веществ: их конформации, их клеток-мишеней, способности их взаимодействия с внутриклеточными механизмами.

Существуют разные химические сигналы, но большей частью сигнальные молекулы не являются крупными белками. Некоторые из них -- небольшие белки или малые пептиды; другие являются небольшими стероидами.

ПЕРВЫЕ ПОСРЕДНИКИ. МЕЖКЛЕТОЧНАЯ КОММУНИКАЦИЯ

Химические агенты, обеспечивающие межклеточное общение, называются первыми посредниками. Они принадлежат к одной 'из трех групп: 1) локальные химические медиаторы, которые действуют на клетки, непосредственно окружающие источник сигналов; 2) гормоны, секретируемые специализированными эндокринными клетками и распространяющиеся по кровеносным сосудам; они взаимодействуют с клетками-мишенями, распределенными по всему телу; 3) нейротрансмит-теры, секретируемые нервными клетками; они являются близкодействующими химическими медиаторами, адресованными только соседней клетке-мишени. У растений нет нервных клеток, но в изобилии содержатся вещества, которые служат нейротрансмиттерами у животных. В апельсинах найден норадреналин, а в бананах -- серотонин. Клетки организма реагируют на экстраклеточные сигналы при помощи особых белков -- рецепторов, связывающих сигнальные молекулы.

Стероидные гормоны проходят через плазматическую мембрану и активируют белки цитоплазмы. Другие первые посредники-- нейротрансмиттеры и некоторые гормоны -- не проникают в клетку. Однако существует процесс эндоцитоза, при котором некоторые крупные молекулы могут проходить в клетку при помощи рецепторов. Эти последние в большинстве случаев возвращаются в плазматическую мембрану и снова функционируют.

ВТОРЫЕ ПОСРЕДНИКИ. ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ КОММУНИКАЦИЯ

Факторы роста, гормоны, нейротрансмиттеры связываются на поверхности клеток-мишеней со специализированными ре-цепторными белками, которые при этом изменяют свою кон-формацию. В результате этого изменения генерируется внутриклеточный молекулярный так называемый второй посредник -- новая или освобождающаяся молекула. Основными вторыми посредниками являются сАМР и ион кальция.

Внутриклеточным рецептором ионов кальция является белок кальмодулин, широко распространенный среди животных и растений, низших и высших. Анализ его аминокислотной последовательности свидетельствует о его филогенетической консервативности. Согласно многочисленным данным, ион кальция по всем показателям соответствует функции универсального второго посредника как у животных, так и у растений и играет даже более важную роль, чем cAMP.

Рис. 5 - Межклеточная коммуникация, осуществляемая при помощи экстраклеточных сигнальных молекул трех разных типов: локальных химических медиаторов, гормонов и нейромедиаторов.

САМОСБОРКА ОРГАНОВ И ОРГАНИЗМОВ

С точки зрения неодарвинистов орган создается и модифицируется в результате действия некоего абстрактного отбора. Поэтому считается, что причины формирования и эволюции органа не зависят от внутренне присущих ему физико-химических ограничений. О несостоятельности такого воззрения говорят современные данные о самосборке органов и организмов.

Они показывают, что такая самосборка протекает по строго определенным каналам, задаваемым реакциями межмолекулярного распознавания. Из-за неблагоприятного влияния идей неодарвинизма опыты по реконструированию целых организмов из изолированных клеток до сих пор не рассматривались в указанном аспекте.

Рис. 6 - Внутриклеточная коммуникация осуществляется при помощи вторых посредников двух основных типов: сАМР и Са²+. При активации встроенных в мембрану молекул аденилатциклазы внутриклеточная концентрация сАМР повышается. Связывание сигнальной молекулы с рецептором на клеточной поверхности приводит к открыванию мембранных кальциевых каналов, и ионы Са²⁺ входят в клетку.

Эти эксперименты проводились уже в начале века, но их все еще описывают как процесс агглютинации, никак не увязывая с вопросами эволюции. Только теперь восстановление организма гидры, губки или венозных сосудов человека из составляющих их клеток можно рассматривать как следующую ступень процесса самосборки, основанного на атомном и молекулярном узнавании. Приведем некоторые примеры самосборки органов и организмов.

Морская губка содержит информацию о построении своего организма из клеток, разделенных в результате продавливания организма через сито из тонкой ткани. Клетки осаждаются на дно сосуда и начинают агрегировать, совершая амебоидные движения. Через четыре дня появляется целая губка с каналами и жгутиковыми камерами. Выделено ответственное за самосборку вещество с мол. массой 23 ООО; оно видоспецифич-но, так же как и у амеб. Изучены губки Geodia, Ircinia и Cla-thrina.

Рис. 7 - Внутреннее строение гидры:ПП -- пищеварительная полость; Нем -- нематоциты; Экт -- эктодерма; Энт -- энтодерма; Гс -- гипостом; Я -- яйцеклетка; Щуп -- щупальце; Сем -- мужская гонада.

Гидра также способна к самосборке из разрозненных клеток. Этих животных можно дезагрегировать, многократно перенося их в концентрированный солевой раствор, а затем пропуская через фильтры, пока не получатся отдельные клетки.

В соответствующей среде начинается самосборка и на вторые сутки формируются гидры со щупальцами. Каждое животное состоит примерно из 100 000 клеток, причем некоторые из них выеокодифференци'раванны. Жалящие клетки считаются одними из наиболее сложных из всех известных биологам. Следовательно, животное с его нервной системой и сложнейшими органеллами может быть полностью восстановлено из разрозненных клеток путем самосборки.

Рис. 8 - Разрез через стенку тела гидры в гастральной области

Самосборка наблюдается и на органах млекопитающих. Из гонад новорожденных крыс получали с помощью дезагрегации взвесь отдельных клеток, и в соответствующих условиях клетки семенника и яичника вновь организовывались в соответствующие структуры. Клетки из перевиваемых культур эндотелия капилляров человека также способны in vitro собираться в сеть трубчатых структур, почти идентичных сосудистому руслу капилляров in vivo. Недавно путем самосборки изолированных клеток была получена ткань кожи человека.

Информация, требующаяся для формирования или изменения органа и организма, в основном содержится в молекулярной структуре отдельно взятых клеток. Процесс организации идет под действием выделяемых самими клетками специфичных химических веществ и при помощи молекул, обеспечивающих спонтанную строго специфичную адгезию.