Как работают клетки

[Carder]

Человеческое тело состоит примерно из 10 триллионов клеток. Все, от размножения до инфекций и восстановления сломанной кости, происходит на клеточном уровне. Узнайте все о клетках.
На микроскопическом уровне все мы состоим из клеток. Посмотрите на себя в зеркало - вы увидите около 10 триллионов клеток, разделенных примерно на 200 различных типов. Наши мышцы состоят из мышечных клеток, наша печень - из клеток печени, и есть даже очень специализированные типы клеток, которые создают эмаль для наших зубов или прозрачные линзы в наших глазах!

Если вы хотите понять, как работает ваше тело, вам нужно понять клетки. Все, от размножения до инфекций и восстановления сломанной кости, происходит на клеточном уровне. Если вы хотите понять новые рубежи, такие как биотехнология и генная инженерия, вам также необходимо понять клетки.

Любой, кто читает газету или любой из научных журналов (Scientific American, Discover, Popular Science), знает, что в наши дни гены - это БОЛЬШАЯ новость. Вот некоторые из часто встречающихся терминов:

• Биотехнологии
• Сплайсинг генов
• Человеческий геном
• Генная инженерия
• Рекомбинантная ДНК
• Генетические заболевания
• Генная терапия
• Мутации ДНК
• Снятие отпечатков пальцев ДНК или профилирование ДНК

Генная наука и генетика стремительно меняют облик медицины, сельского хозяйства и даже правовой системы!

В этой статье мы углубимся до молекулярного уровня, чтобы полностью понять, как работают клетки. Мы рассмотрим простейшие возможные клетки: клетки бактерий . Понимая, как работают бактерии, вы можете понять основные механизмы всех клеток вашего тела. Это увлекательная тема как из-за ее очень личного характера, так и из-за того, что она делает эти новости намного яснее и легче для понимания. Кроме того, как только вы поймете, как работают клетки, вы сможете ответить на другие связанные вопросы, например:

• Что такое вирус и как он работает на молекулярном уровне?
• Что такое антибиотик и как действуют антибиотики? Почему антибиотики не убивают нормальные клетки?
• Что такое витамин и почему его нужно принимать каждый день?
• Как действуют яды?
• Что значит быть живым, по крайней мере, на клеточном уровне?

На все эти вопросы есть очевидные ответы, если вы поймете, как работают клетки - так что приступим!

Части клетки​

Ваше тело состоит примерно из 10 триллионов клеток. Самые большие человеческие клетки имеют диаметр примерно с человеческий волос, но большинство человеческих клеток меньше - возможно, одна десятая диаметра человеческого волоса.

Теперь проведите пальцами по волосам и посмотрите на одну прядь. Он не очень толстый - может быть, 100 микрон в диаметре (микрон - это миллионная часть метра, поэтому 100 микрон - это десятая часть миллиметра). Типичная человеческая клетка может составлять одну десятую диаметра вашего волоса (10 микрон). Посмотрите на свой мизинец - он может составлять 2 или 3 миллиарда клеток или около того, в зависимости от вашего размера. Представьте себе целый дом, наполненный детским горошком. Если домик - это ваш мизинец, горошек - это клетки. Это много клеток!

Бактерии - это самые простые клетки, существующие сегодня. Бактерия - это отдельная самодостаточная живая клетка. Кишечной палочки бактерии (или E.coli, бактерии) характерно - это около одной сотой размера клетки человека (может быть микрона в длину и одну десятую микрона широкий), так что он является невидимым без микроскопа. Когда вы заражаетесь, бактерии плавают вокруг ваших больших клеток, как маленькие лодки рядом с большим кораблем.

Бактерии намного проще человеческих клеток. Бактерия состоит из внешней оболочки, называемой клеточной мембраной, а внутри мембраны находится водянистая жидкость, называемая цитоплазмой. Цитоплазма может состоять на 70 процентов из воды. Остальные 30 процентов заполнены белками, называемыми ферментами, которые производит клетка, а также более мелкими молекулами, такими как аминокислоты, молекулы глюкозы и АТФ. В центре клетки находится клубок ДНК (похожий на клубок из веревки). Если бы вы растянули эту ДНК в одну длинную цепь, она была бы невероятно длинной по сравнению с бактериями - примерно в 1000 раз длиннее!

Бактерия E. coli имеет характерную форму капсулы. Внешняя часть клетки - это клеточная мембрана, показанная здесь оранжевым цветом. У E. coli на самом деле есть две близкорасположенные мембраны, защищающие клетку. Внутри мембраны находится цитоплазма, состоящая из миллионов ферментов, сахаров, АТФ и других молекул, свободно плавающих в воде. В центре клетки находится ее ДНК. ДНК похожа на клубок из веревки. У бактерии нет защиты ДНК - скомканный клубок плавает в цитоплазме примерно в центре клетки. Снаружи клетки прикреплены длинные нити, называемые жгутиками, которые продвигают клетку. Не у всех бактерий есть жгутики, и кроме сперматозоидов их нет ни в одной клетке человека.

Человеческие клетки намного сложнее бактерий. Они содержат специальную ядерную мембрану для защиты ДНК, дополнительные мембраны и структуры, такие как митохондрии и тельца Гольджи, а также множество других дополнительных функций. Однако фундаментальные процессы у бактерий и клеток человека одинаковы, поэтому мы начнем с бактерий.

Ферменты​

Химическая структура глюкозы.

В любой момент вся работа, выполняемая внутри любой клетки, выполняется ферментами. Если вы разбираетесь в ферментах, вы понимаете клетки. Бактерия, подобная E. coli, имеет около 1000 различных типов ферментов, плавающих в цитоплазме в любой момент времени.

Ферменты обладают чрезвычайно интересными свойствами, которые делают их небольшими механизмами химических реакций. Назначение фермента в клетке - позволить клетке очень быстро проводить химические реакции. Эти реакции позволяют клетке строить или разбирать вещи по мере необходимости. Так клетка растет и размножается. На самом базовом уровне клетка - это действительно маленький мешочек, полный химических реакций, которые становятся возможными благодаря ферментам!

Ферменты состоят из аминокислот, и они являются белками. Когда образуется фермент, он образуется путем соединения от 100 до 1000 аминокислот в очень специфическом и уникальном порядке. Затем цепочка аминокислот складывается в уникальную форму. Эта форма позволяет ферменту проводить определенные химические реакции - фермент действует как очень эффективный катализатор определенной химической реакции. Фермент значительно ускоряет эту реакцию.

Например, сахарная мальтоза состоит из двух молекул глюкозы, связанных вместе. Фермент мальтаза имеет такую форму, что может разорвать связь и освободить две части глюкозы. Единственное, что может мальтаза, - это разрушать молекулы мальтозы, но она может делать это очень быстро и эффективно. Другие типы ферментов могут соединять атомы и молекулы. Разрушение молекул и объединение молекул - это то, что делают ферменты, и для каждой химической реакции, необходимой для правильной работы клетки, существует определенный фермент.

Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы, связанных вместе (1). Фермент мальтаза - это белок, имеющий идеальную форму для приема молекулы мальтозы и разрыва связи (2). Высвобождаются две молекулы глюкозы (3). Один фермент мальтаза может разорвать более 1000 мальтозных связей в секунду и будет принимать только молекулы мальтозы.

Вы можете увидеть на диаграмме выше основное действие фермента. Молекула мальтозы плавает рядом и захватывается определенным участком фермента мальтазы. Активный сайт на фермент разрывает связь, а затем две молекулы глюкозы уплыть.

Возможно, вы слышали о людях с непереносимостью лактозы или сами страдали от этой проблемы. Проблема возникает из-за того, что сахар в молоке - лактоза - не расщепляется на компоненты глюкозы. Следовательно, он не переваривается. Клетки кишечника людей с непереносимостью лактозы не производят лактазу - фермент, необходимый для расщепления лактозы. Эта проблема показывает, как недостаток всего одного фермента в организме человека может привести к проблемам. Человек с непереносимостью лактозы может проглотить каплю лактазы перед тем, как пить молоко, и проблема будет решена. Многие дефициты ферментов не так просто исправить.

Внутри бактерии около 1000 типов ферментов (в том числе лактаза). Все ферменты свободно плавают в цитоплазме, ожидая, пока химическое вещество, которое они узнают, проплывет мимо. Существуют сотни или миллионы копий каждого типа фермента, в зависимости от того, насколько важна реакция для клетки и как часто требуется реакция. Эти ферменты делают все: от расщепления глюкозы для получения энергии до построения клеточных стенок, создания новых ферментов и обеспечения возможности клетки воспроизводиться. Ферменты делают всю работу внутри клеток.

Белки​

Белок - это любая цепочка аминокислот. Аминокислота - это небольшая молекула, которая действует как строительный блок любого белка. Если игнорировать жир, ваше тело на 20 процентов состоит из белка по весу. Это примерно 60 процентов воды. Большая часть остальной части вашего тела состоит из минералов (например, кальция в костях).
Аминокислоты называются «аминокислотами», потому что они содержат аминогруппу (NH 2 ) и карбоксильную группу (COOH), которая является кислой. На рисунке выше вы можете увидеть химическую структуру двух аминокислот. Вы можете видеть, что верхняя часть каждого из них одинакова. Это верно для всех аминокислот - маленькая цепочка внизу (H или CH 3 в этих двух аминокислотах) - единственное, что меняется от одной аминокислоты к другой. В некоторых аминокислотах вариабельная часть может быть довольно большой. Человеческое тело состоит из 20 различных аминокислот (в природе доступно около 100 различных аминокислот).

Что касается вашего тела, существует два разных типа аминокислот: незаменимые и несущественные. Незаменимые аминокислоты - это аминокислоты, которые ваше тело может создавать из других химических веществ, содержащихся в вашем теле. Незаменимые аминокислоты не могут быть созданы, поэтому единственный способ получить их - через пищу. Вот разные аминокислоты:

Несущественные:

• Аланин (синтезируется из пировиноградной кислоты)
• Аргинин (синтезируется из глутаминовой кислоты)
• Аспарагин (синтезируется из аспарагиновой кислоты)
• Аспарагиновая кислота (синтезируется из щавелевоуксусной кислоты)
• Цистеин (синтезируется из гомоцистеина, который происходит из метионина)
• Глутаминовая кислота (синтезируется из оксоглутаровой кислоты)
• Глютамин (синтезируется из глутаминовой кислоты)
• Глицин (синтезируется из серина и треонина)
• Пролин (синтезируется из глутаминовой кислоты)
• Серин (синтезируется из глюкозы)
• Триозин (синтезируется из фенилаланина)

Существенный:

• Гистидин
• Изолейцин
• Лейцин
• Лизин
• Метионин
• Фенилаланин
• Треонин
• Триптофан
• Валин

Белок в нашем рационе поступает как из животных, так и из растительных источников. Большинство животных источников (мясо, молоко, яйца) содержат так называемый «полноценный белок», что означает, что они содержат все незаменимые аминокислоты. Растительные источники обычно содержат мало или отсутствуют определенные незаменимые аминокислоты. Например, в рисе мало изолейцина и лизина. Однако в разных овощных источниках не хватает разных аминокислот, поэтому, комбинируя разные продукты, вы можете получить все незаменимые аминокислоты в течение дня. Некоторые растительные источники содержат довольно много белка. Орехи, бобы и соевые бобы богаты белком. Комбинируя их, вы можете получить полный охват всех незаменимых аминокислот.

Пищеварительная система расщепляет все белки на аминокислоты, чтобы они могли попасть в кровоток. Затем клетки используют аминокислоты в качестве строительных блоков для создания ферментов и структурных белков.
См. дополнительную информацию в теме «Как работает еда».

Ферменты в действии​

Внутри бактерий и клеток человека работают всевозможные ферменты, и многие из них невероятно интересны! Клетки используют ферменты внутри себя для роста, воспроизводства и выработки энергии, и они часто также выделяют ферменты за пределы своих клеточных стенок. Например, бактерии E. coli выделяют ферменты, которые помогают расщеплять молекулы пищи, чтобы они могли пройти через клеточную стенку в клетку. Некоторые из ферментов, о которых вы, возможно, слышали, включают:

• Протеазы и пептидазы. Протеаза - это любой фермент, который может расщеплять длинный белок на более мелкие цепи, называемые пептидами (пептид - это просто короткая аминокислотная цепь). Пептидазы расщепляют пептиды на отдельные аминокислоты. Протеазы и пептидазы часто содержатся в моющих средствах для стирки - они помогают удалять с ткани такие вещи, как пятна крови, расщепляя белки. Некоторые протеазы чрезвычайно специализированы, в то время как другие разрушают практически любую цепочку аминокислот. (Возможно, вы слышали об ингибиторах протеазы, используемых в лекарствах, которые борются с вирусом СПИДа. Вирус СПИДа использует очень специализированные протеазы в течение части своего репродуктивного цикла, и ингибиторы протеаз пытаются блокировать их, чтобы остановить размножение вируса.)
• Амилазы - амилазы расщепляют цепи крахмала на более мелкие молекулы сахара. Ваша слюна содержит амилазу, как и тонкий кишечник. Мальтаза, лактаза, сахароза (описанные в предыдущем разделе) завершают расщепление простых сахаров на отдельные молекулы глюкозы.
• Липазы - липазы расщепляют жиры.
• Целлюлазы - целлюлазы расщепляют молекулы целлюлозы на более простые сахара. Бактерии в кишечнике коров и термитов выделяют целлюлазы, и именно так коровы и термиты могут есть такие вещи, как трава и древесина.

Бактерии выделяют эти ферменты за пределы своих клеточных стенок. Молекулы в окружающей среде разбиваются на части (белки на аминокислоты, крахмалы на простые сахара и т. д.), Поэтому они достаточно малы, чтобы проходить через клеточную стенку в цитоплазму. Вот как питается кишечная палочка!
Внутри клетки сотни узкоспециализированных ферментов выполняют чрезвычайно специфические задачи, необходимые клетке для жизни. Некоторые из наиболее удивительных ферментов, обнаруженных внутри клеток, включают:

• Энергетические ферменты - набор из 10 ферментов позволяет клетке выполнять гликолиз . Еще восемь ферментов контролируют цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса). Эти два процесса вместе позволяют клетке превращать глюкозу и кислород в аденозинтрифосфат или АТФ. В клетке, потребляющей кислород, такой как кишечная палочка или клетка человека, одна молекула глюкозы образует 36 молекул АТФ (в чем-то вроде дрожжевой клетки, которая живет без кислорода, возникает только гликоз, и она производит только две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. ). АТФ - это топливная молекула, которая способна приводить в действие ферменты, выполняя химические реакции «в гору».
• Ферменты рестрикции. Многие бактерии способны продуцировать ферменты рестрикции, которые распознают очень специфические паттерны в цепочках ДНК и разрушают ДНК по этим паттернам. Когда вирус вводит свою ДНК в бактерию, рестрикционный фермент распознает вирусную ДНК и разрезает ее, эффективно уничтожая вирус, прежде чем он сможет воспроизвести.
• Ферменты, управляющие ДНК. Существуют специальные ферменты, которые перемещаются по цепям ДНК и восстанавливают их. Есть и другие ферменты, которые могут раскручивать нити ДНК для их воспроизведения (ДНК-полимераза). Третьи могут находить небольшие узоры на ДНК и прикрепляться к ним, блокируя доступ к этому участку ДНК (ДНК-связывающим белкам).
• Ферменты, производящие ферменты - все эти ферменты должны откуда-то взяться, поэтому существуют ферменты, которые производят ферменты клетки! Рибонуклеиновая кислота (РНК) в трех различных формах (информационная РНК, транспортная РНК и рибосомная РНК) составляет большую часть процесса.

Клетка - это не что иное, как набор химических реакций, и ферменты заставляют эти реакции происходить должным образом.

Изготовление ферментов​

Пока клеточная мембрана не повреждена и вырабатывает все ферменты, необходимые для правильного функционирования, клетка жива. Ферменты, необходимые для правильного функционирования, позволяют клетке вырабатывать энергию из глюкозы, строить части, составляющие ее клеточную стенку, воспроизводить и, конечно же, производить новые ферменты.

Так откуда же берутся все эти ферменты? И как клетка производит их, когда они ей нужны? Если клетка - это просто набор ферментов, вызывающих химические реакции, которые заставляют клетку делать то, что она делает, тогда как набор химических реакций может создать ферменты, в которых она нуждается, и как клетка может воспроизводиться? Откуда происходит чудо жизни?
Ответ на эти вопросы заключается в ДНК или дезоксирибонуклеиновой кислоте. Вы наверняка слышали о ДНК, хромосомах и генах. ДНК направляет клетку в производстве новых ферментов.

ДНК в клетке - это просто паттерн, состоящий из четырех разных частей, называемых нуклеотидами или основаниями. Представьте себе набор блоков, состоящих всего из четырех разных форм, или алфавит, состоящий только из четырех разных букв. ДНК - это длинная цепочка блоков или букв. В клетке E. coli длина ДНК составляет около 4 миллионов блоков. Если бы вы растянули этот единственный участок ДНК, его длина составила бы 1,36 мм - довольно много, учитывая, что сами бактерии в 1000 раз меньше. У бактерий нить ДНК похожа на клубок из веревки. Представьте себе, что вы берете 1000 футов (300 метров) невероятно тонкой нити и скручиваете ее - вы легко можете держать ее в руке. ДНК человека составляет около 3 миллиардов блоков, что почти в 1000 раз длиннее ДНК E. coli. Человеческая ДНК настолько длинна, что сложный подход не работает. Вместо этого человеческая ДНК плотно заключена в 23 структуры, называемые хромосомами. чтобы упаковать его более плотно и поместить в ячейку.

Удивительная вещь о ДНК заключается в следующем: ДНК - это не что иное, как образец, который сообщает клетке, как создавать свои белки! Это все, что делает ДНК. 4 миллиона оснований в ДНК клетки E. coli говорят клетке, как производить около 1000 ферментов, которые необходимы клетке E. coli для жизни. Ген просто участок ДНК , который действует в качестве шаблона для образования фермента.

Давайте посмотрим на весь процесс превращения ДНК в фермент, чтобы вы могли понять, как это работает.

ДНК​

Вы, наверное, слышали о молекуле ДНК, которую называют «двойной спиралью». ДНК похожа на две нити, скрученные вместе в длинную спираль.
ДНК обнаруживается во всех клетках в виде пар оснований, состоящих из четырех разных нуклеотидов. Каждая пара оснований образована двумя комплементарными нуклеотидами, связанными вместе. Четыре основания в алфавите ДНК:

• Аденин
• Цитозин
• Гуанин
• Тимин

Аденин и тимин всегда связываются вместе как пара, а цитозин и гуанин связываются вместе как пара. Пары соединяются вместе, как ступеньки лестницы:

Пары оснований в ДНК связываются вместе, образуя лестничную структуру. Поскольку соединение происходит под углом между основаниями, вся конструкция скручивается по спирали.

У бактерии E. coli длина этой лестницы составляет около 4 миллионов пар оснований. Два конца соединяются вместе, образуя кольцо, а затем кольцо складывается, чтобы поместиться внутри ячейки. Все кольцо известно как геном, и ученые полностью его расшифровали. То есть ученые точно знают все 4 миллиона пар оснований, необходимых для формирования ДНК бактерии E. coli. Проект генома человека находится в процессе поиска всех 3 миллиардов или около того пар оснований в типичной человеческой ДНК.

Большой вопрос​

Ген состоит из промотора, кодонов фермента и стоп-кодона. Выше показаны два гена. Длинная цепь ДНК в бактерии E. coli кодирует около 4000 генов, и в любой момент эти гены определяют около 1000 ферментов в цитоплазме клетки E. coli. Многие гены дублируются.

Возможно, вы помните из предыдущего раздела, что ферменты образуются из 20 различных аминокислот, соединенных вместе в определенном порядке. Поэтому возникает вопрос: как перейти от ДНК, состоящей всего из четырех нуклеотидов, к ферменту, содержащему 20 различных аминокислот? На этот вопрос есть два ответа:

1. Чрезвычайно сложный и удивительный фермент, называемый рибосомой, считывает информационную РНК, произведенную из ДНК, и преобразует ее в аминокислотные цепи.
2. Чтобы выбрать правильные аминокислоты, рибосома берет нуклеотиды в наборах по три, чтобы кодировать 20 аминокислот.

Это означает, что каждые три пары оснований в цепи ДНК кодируют одну аминокислоту в ферменте. Таким образом, три нуклеотида подряд на цепи ДНК называются кодоном. Поскольку ДНК состоит из четырех различных оснований, и поскольку в кодоне три основания, и поскольку 4 * 4 * 4 = 64, существует 64 возможных паттерна для кодона. Поскольку существует только 20 возможных аминокислот, это означает, что существует некоторая избыточность - несколько разных кодонов могут кодировать одну и ту же аминокислоту. Кроме того, есть стоп-кодонэто знаменует конец гена. Итак, в цепи ДНК есть набор от 100 до 1000 кодонов (от 300 до 3000 оснований), которые определяют аминокислоты для образования определенного фермента, а затем стоп-кодон для обозначения конца цепи. В начале цепочки находится участок оснований, который называется промотором. Таким образом, ген состоит из промотора, набора кодонов аминокислот в конкретном ферменте и стоп-кодона. Это все, что есть ген.

Чтобы создать фермент, клетка должна сначала транскрибировать ген в ДНК в информационную РНК. Транскрипция выполняется ферментом, называемым РНК-полимеразой. РНК-полимераза связывается с цепью ДНК на промоторе, разъединяет две цепи ДНК и затем создает комплементарную копию одной из цепей ДНК в цепь РНК. РНК, или рибонуклеиновая кислота, очень похожа на ДНК, за исключением того, что она счастлива жить в одноцепочечном состоянии (в отличие от желания ДНК образовывать комплементарные двухцепочечные спирали). Таким образом, задача РНК-полимеразы состоит в том, чтобы сделать копию гена в ДНК в одну цепь информационной РНК (мРНК).

Затем цепь информационной РНК переходит к рибосоме , возможно, самому удивительному ферменту в природе. Рибосома смотрит на первый кодон в цепи информационной РНК, находит правильную аминокислоту для этого кодона, удерживает ее, затем смотрит на следующий кодон, находит правильную аминокислоту, прикрепляет ее к первой аминокислоте, затем находит третью. кодон и так далее. Другими словами, рибосома считывает кодоны, преобразует их в аминокислоты и сшивает аминокислоты вместе, образуя длинную цепь. Достигнув последнего кодона - стоп-кодона, рибосома освобождает цепь. Длинная цепь аминокислот - это, конечно, фермент. Он складывается в свою характерную форму, свободно плавает и начинает выполнять любую реакцию, которую выполняет фермент.

Непростая задача​

Очевидно, что описанный на предыдущей странице процесс не из простых. Рибосома - это чрезвычайно сложная структура ферментов и рибосомальной РНК (рРНК), связанных вместе в большую молекулярную машину. Рибосоме помогает АТФ, который приводит ее в действие, когда она движется по информационной РНК и сшивает аминокислоты вместе. Этому также помогает переносящая РНК (тРНК), набор из 20 специальных молекул, которые действуют как переносчики для 20 различных отдельных аминокислот. Когда рибосома переходит к следующему кодону, правильная молекула тРНК вместе с правильной аминокислотой перемещается на место. Рибосома отделяет аминокислоту от тРНК и прикрепляет ее к растущей цепи фермента. Затем рибосома выбрасывает «пустую» молекулу тРНК, чтобы она могла получить другую аминокислоту правильного типа.
Как видите, внутри каждой клетки есть множество процессов, поддерживающих жизнь клетки:

• Существует очень длинная и очень точная молекула ДНК, которая определяет все ферменты, в которых нуждается клетка.
• Есть ферменты РНК-полимеразы, прикрепляющиеся к цепи ДНК в начальных точках различных генов и копирующие ДНК гена в молекулу мРНК.
• Молекула мРНК перемещается к рибосоме, которая считывает молекулу и сшивает последовательность аминокислот, которую она кодирует.
• Цепочка аминокислот отплывает от рибосомы и складывается в ее характерную форму, чтобы начать катализировать свою специфическую реакцию.

Цитоплазма любой клетки заполнена рибосомами, РНК-полимеразами, молекулами и ферментами тРНК и мРНК, которые осуществляют свои реакции независимо друг от друга.
Пока ферменты в клетке активны и доступны все необходимые ферменты, клетка жива. Интересное примечание: если вы возьмете кучу дрожжевых клеток и плохо с ними обращаетесь (например, помещаете их в блендер), чтобы высвободить ферменты, полученный суп все равно будет делать то же самое, что и живые дрожжевые клетки (например, производят углекислый газ и спирт из сахара) в течение некоторого периода времени. Однако, поскольку клетки больше не являются неповрежденными и, следовательно, не живыми, новые ферменты не образуются. В конце концов, когда существующие ферменты изнашиваются, суп перестает реагировать. К этому моменту клетки и суп «умерли».

Размножение​

Отличительной чертой всего живого является способность к воспроизводству. Размножение бактерий - это просто еще одно ферментативное поведение. Фермент, называемый ДНК-полимеразой , вместе с несколькими другими ферментами, которые работают вместе с ним, проходит по цепи ДНК и копирует ее. Другими словами, ДНК-полимераза расщепляет двойную спираль и создает новую двойную спираль вдоль каждой из двух цепей. Когда он достигает конца петли ДНК, в клетке E. coli плавают две отдельные копии петли. Затем клетка зажимает свою клеточную стенку посередине, делит две петли ДНК между двумя сторонами и разделяется пополам.
При правильных условиях клетка E. coli может таким образом расщепляться каждые 20 или 30 минут! Ферментативный процесс роста клетки, репликации петли ДНК и расщепления происходит очень быстро.
Для получения дополнительной информации см. Как работает репродукция человека.

Яды и антибиотики​

Теперь вы можете видеть, что жизнь клетки зависит от богатого набора ферментов, которые плавают в цитоплазме клетки. Многие яды действуют, так или иначе нарушая баланс супа.
Например, токсин дифтерии действует, подавляя действие рибосом клетки, делая невозможным движение рибосомы по цепи мРНК. С другой стороны, токсин в грибе «смертельная шапка» подавляет действие РНК-полимеразы и останавливает транскрипцию ДНК. В обоих случаях производство новых ферментов прекращается, и клетки, пораженные токсином, больше не могут расти или воспроизводиться.

Антибиотик является ядом , который работает, чтобы уничтожить бактериальные клетки, оставляя человеческие клетки невредимыми. Все антибиотики используют тот факт, что существует много различий между ферментами внутри клетки человека и ферментами внутри бактерии. Если, например, обнаружен токсин, который поражает рибосому E. coli, но оставляет человеческие рибосомы невредимыми, то он может быть эффективным антибиотиком. Стрептомицин - пример антибиотика, который действует таким образом.

Пенициллин был одним из первых антибиотиков. Он лишает бактерии способности строить клеточные стенки. Поскольку стенки бактериальных клеток и стенки клеток человека сильно различаются, пенициллин оказывает большое влияние на определенные виды бактерий, но не влияет на клетки человека. Сульфамидные препараты работают, отключая фермент, который управляет образованием нуклеотидов у бактерий, но не у людей. Без нуклеотидов бактерии не могут размножаться.

Вы можете видеть, что поиск новых антибиотиков происходит на уровне ферментов, выявляя различия между ферментами в человеческих и бактериальных клетках, которые можно использовать для уничтожения бактерий, не затрагивая человеческие клетки.

К сожалению, проблема любого антибиотика в том, что со временем он становится неэффективным. Бактерии размножаются так быстро, что вероятность мутаций высока. В вашем теле могут быть миллионы бактерий, которые убивает антибиотик. Но если хотя бы одна из них имеет мутацию, которая делает ее невосприимчивой к антибиотику, эта одна клетка может быстро воспроизводиться, а затем распространяться среди других людей. Большинство бактериальных заболеваний приобрели иммунитет к некоторым или всем антибиотикам, применяемым против них в результате этого процесса.

Вирусы​

Вирусы просто потрясающие. Хотя сами они не живы, вирус может воспроизводиться, захватывая механизмы живой клетки. В статье «Как работают вирусы» подробно описаны вирусы - ниже приводится их краткое содержание.

Вирусная частица состоит из вирусной оболочки, обернутой вокруг цепи ДНК или РНК. Оболочка и ее короткая цепь ДНК могут быть чрезвычайно маленькими - в тысячу раз меньше бактерии. Куртка обычно усеяна химическими «щупами», которые могут прикрепляться к внешней стороне ячейки. После стыковки вирусная ДНК (или РНК, в зависимости от вируса) вводится в клетку, оставляя оболочку снаружи клетки.

В простейшем вирусе цепь ДНК или РНК теперь свободно плавает внутри клетки. РНК-полимераза транскрибирует нить ДНК, а рибосомы создают ферменты, которые определяет вирусная ДНК. Ферменты, которые создает вирусная ДНК, способны создавать новые вирусные оболочки и другие компоненты вируса. В простых вирусах оболочки затем самособираются вокруг реплицированных цепей ДНК. В конце концов, клетка настолько наполнена новыми вирусными частицами, что она лопается, освобождая частицы для атаки на новые клетки. При использовании этой системы скорость, с которой вирус может воспроизводить и заражать другие клетки, просто поразительна.

В большинстве случаев иммунная система вырабатывает антитела, которые представляют собой белки, которые связываются с вирусными частицами и предотвращают их прикрепление к новым клеткам. Иммунная система также может обнаруживать инфицированные клетки, обнаруживая клетки, украшенные вирусными оболочками, и может убивать инфицированные клетки.

Антибиотики не действуют на вирус, потому что вирус не является живым. Убивать нечего! Иммунизация работает путем предварительного заражения организма, чтобы он знал, как вырабатывать правильные антитела, как только вирус начинает размножаться.
См. «Как работает иммунная система» для получения дополнительных сведений.

Генетические заболевания​

Многие генетические заболевания возникают из-за того, что человеку не хватает гена одного фермента. Вот некоторые из наиболее распространенных проблем, вызванных отсутствием генов:

• Непереносимость лактозы. Неспособность переваривать лактозу (сахар в молоке) вызвана отсутствием гена лактазы. Без этого гена клетки кишечника не вырабатывают лактазу.
• Альбинизм - у альбиносов отсутствует ген фермента тирозиназы. Этот фермент необходим для производства меланина, пигмента, который вызывает загар, цвет волос и глаз. Без тирозиназы нет меланина.
• Муковисцидоз - при муковисцидозе повреждается ген, вырабатывающий белок, называемый регулятором трансмембранной проводимости муковисцидоза. Согласно Британской энциклопедии: Дефект (или мутация), обнаруженный в гене на хромосоме 7 людей с муковисцидозом, вызывает выработку белка, в котором отсутствует аминокислота фенилаланин. Этот дефектный белок каким-то образом искажает движение соли и воды через мембраны, выстилающие легкие и кишечник, что приводит к обезвоживанию слизи, которая обычно покрывает эти поверхности. Густая липкая слизь скапливается в легких, закупоривая бронхи и затрудняя дыхание. Это приводит к хроническим респираторным инфекциям, часто вызываемым золотистым стафилококком или синегнойной палочкой. Хронический кашель, рецидивирующая пневмония и прогрессирующая потеря функции легких являются основными проявлениями заболевания легких, которое является наиболее частой причиной смерти людей с муковисцидозом.

Другие генетические заболевания включают болезнь Тея-Сакса (повреждение гена фермента гексозаминидазы A приводит к накоплению химического вещества в мозгу, которое его разрушает), серповидно-клеточную анемию (неправильное кодирование гена, производящего гемоглобин), гемофилию (отсутствие гена фактора свертывания крови) и мышечной дистрофии (вызванной дефектным геном на Х-хромосоме). В геноме человека около 60000 генов, и известно, что более 5000 из них, если они повреждены или отсутствуют, приводят к генетическим заболеваниям. Удивительно, что повреждение только одного фермента во многих случаях может привести к опасным для жизни или обезображивающим проблемам.

Биотехнологии​

Так что же такое биотехнология и генная инженерия? Есть три основных события, которые являются визитной карточкой биотехнологий, и в будущем их ждет еще много сюрпризов:

• Бактериальное производство таких веществ, как человеческий интерферон, человеческий инсулин и гормон роста человека. То есть простые бактерии, такие как кишечная палочка, подвергаются манипуляциям для производства этих химикатов, поэтому их легко собирать в огромных количествах для использования в медицине. Бактерии также были изменены, чтобы производить всевозможные другие химические вещества и ферменты.
• Модификация растений для изменения их реакции на окружающую среду, болезни или пестициды. Например, помидоры могут стать устойчивыми к грибкам, добавив хитиназы в их геном. Хитиназа расщепляет хитин, который образует клеточную стенку клетки гриба. Пестицид Roundup убивает все растения, но культурные растения можно модифицировать, добавляя гены, которые делают растения невосприимчивыми к Roundup.
• Идентификация людей по их ДНК. ДНК человека уникальна, и различные, довольно простые тесты позволяют сопоставить образцы ДНК, обнаруженные на месте преступления, с образцами ДНК человека, который их оставил. Этому процессу в значительной степени способствовало изобретение метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) для взятия небольшого образца ДНК и его увеличения в миллионы раз за очень короткий период времени.

Чтобы понять некоторые методы, используемые в биотехнологии, давайте посмотрим, как бактерии были изменены для производства человеческого инсулина.
Инсулин - это простой белок, который обычно вырабатывается поджелудочной железой. У людей с диабетом поджелудочная железа повреждена и не может производить инсулин. Поскольку инсулин жизненно важен для переработки глюкозы в организме, это серьезная проблема. Поэтому многим диабетикам необходимо ежедневно вводить инсулин в свой организм. До 1980-х годов инсулин для диабетиков производился от свиней и был очень дорогим.

Чтобы создать инсулин недорого, ген, производящий человеческий инсулин, был добавлен к генам нормальных бактерий E. coli. Как только ген появился, нормальный клеточный аппарат вырабатывал его, как и любой другой фермент. Посредством культивирования больших количеств модифицированных бактерий, а затем их уничтожения и вскрытия инсулин можно было извлекать, очищать и использовать очень недорого.

Уловка состоит в том, чтобы внедрить новый ген в бактерии. Самый простой способ - соединить ген в плазмиду - небольшое кольцо ДНК, которое бактерии часто передают друг другу в примитивной форме секса. Ученые разработали очень точные инструменты для разрезания стандартных плазмид и встраивания в них новых генов. Затем образец бактерий «заражается» плазмидой, и некоторые из них захватывают плазмиду и встраивают новый ген в свою ДНК. Чтобы отделить инфицированных от неинфицированных, плазмида также содержит ген, дающий бактериям иммунитет к определенному антибиотику. Обработка образца антибиотиком приводит к гибели всех клеток, которые не захватили плазмиду. Теперь новый штамм бактерий E. coli, продуцирующих инсулин, можно культивировать в массе для получения инсулина.