биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Почувствуй себя художником, или Как раскрасить живую клетку за один час

[3 апреля, 2016 г.]

Наверное, каждому в детстве приходилось оживлять черно-белую картинку при помощи карандашей и красок. Вместо строгих линий перед глазами оживали облака и солнце, пестрящие разными оттенками бабочки и цветы. Подобным творчеством занимаются ученые в своих лабораториях, только краски они для этого используют специальные, флуоресцентные. Чтобы увидеть такую картинку, недостаточно обычного глаза, а нужны специальные микроскопы, позволяющие разглядеть изображение в его полной красе. Такие краски позволяют нам понять, как же работает живая клетка, какие процессы в ней происходят. А теперь давай узнаем, мой юный друг, как же всё это работает!

Схематичная структура ДНК

Рисунок 1. Схематичная структура ДНК. Аденин взаимодействует с тимином, а гуанин с цитозином, в результате чего ДНК скручивается в спираль. Именно эту спиральку и любят волшебные краски; они взаимодействуют с ней и под лучом света испускают синее свечение (рис. 2). Рисунок с сайта http://hubpages.com/.

Что такое клетка? Это не только квадратная ячейка в твоей тетради по математике. Клеткой также называют крохотный живой пузырек, единицу всего живого. Из клеток состоишь ты, твои мама и папа, твои любимые собака или кошка, цветы на лугу — всё живое, что тебя окружает. Каждая клетка — это целая фабрика, в ней образуются структурные кирпичики живого: белки, жиры и углеводы. Клетка — это еще и целый дом, в котором соседствуют различные структуры, называемые органеллами. Органеллы — это почти то же самое, что и органы. Ты же понимаешь, что нам не прожить без сердца, почек или печени. Так и клетка не справится без своих составных частей — ядра, митохондрий, эндоплазматической сети, эндосом, лизосом, аппарата Гольджи (см. заглавный рисунок). Страшные названия на первый взгляд, но ты не бойся, мы сейчас во всём по порядку разберемся. Ах, да, я совсем забыла про волшебные краски! И про них я тоже расскажу.

Итак, начнем с самого главного, можно сказать, с сердца клетки — ее ядра. В ядре хранится одна из самых ценных молекул нашего организма — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В этой молекуле, как в длинной-предлинной книге, записано, каким будет организм. Молекула эта состоит из специальных звеньев, причем каждое звено имеет себе комплементарное (дружественное). Так, аденин (А) дружит только с тимином (Т), а гуанин (G) — с цитозином (С). Это то же самое, что твой лучший друг, которого ты ни за что не променяешь на хулигана из соседнего двора. Благодаря ряду дружественных взаимодействий ДНК скручивается в двойную спираль, образуя уникальную структуру (рис. 1)

Ядро окружает сложный лабиринт трубочек и канальцев, именуемый непросто — эндоплазматическая сеть (ЭПС) (рис. 2). Чтобы представить, что такое ЭПС, вообрази разветвленную сеть автодорог, вдоль которых расположены маленькие фабрики по производству основных кирпичиков живого — белков, жиров и углеводов.

Окрашенные клетки

Рисунок 2. Животные клетки, окрашенные волшебными красками, заставляющими ядра светиться синим цветом (а), а ЭПС — красным (б). Совместное изображение — в. ЭПС, словно разветвленная транспортная сеть, снабжает клетку белками, жирами и углеводами. Фото Анны Алексеевой.

Когда эти молекулы «сходят с фабричного конвейера», они отправляются в дальнее путешествие и прибывают в большой сортировочный пункт — аппарат Гольджи, где в разные «контейнеры» собираются молекулы, выполняющие различные биологические функции.

Поскольку ЭПС и аппарат Гольджи — это прежде всего транспортная система для белков и липидов (жиров), то и волшебные краски, которыми мы будем их раскрашивать, умеют крепко сцепляться с липидами и белками (рис. 3).

Клетки макрофагов

Рисунок 3. Клетки макрофагов — главных защитников нашего организма, «пожирающих» чужеродный материал (например, бактерии), — окрашенные волшебными красками, заставляющими ядра светиться синим цветом (а), а аппарат Гольджи — красным (б). Совместное изображение — в. Ядро находится в центре клетки и контролирует ее жизнь, можно сказать, работает королем клетки. Остальных органелл, как правило, несколько, и это не удивительно, ведь у короля должно быть много слуг. Фото Анастасии Зубаревой.

Не менее важными органеллами являются эндосомы и их друзья лизосомы. Их можно сравнить с пищеварительным трактом клетки, где первые выполняют функцию «рта», а вторые — «желудка». Чтобы расщепить поступающие в твой желудок яблоко или конфету, Природа придумала специальные белки — ферменты, разрезающие макромолекулы, из которых состоит пища, на составные кирпичики. Для того чтобы некоторые ферменты могли работать, им нужна очень кислая среда (почти такая же кислая, как самый кислый лимонный сок). Именно так кисло и в лизосомах. Этим пользуется другой класс флуоресцентных красок, которые «загораются» красным или зеленым светом, стоит им оказаться в кислой среде. Благодаря таким «волшебным фонарикам» мы можем видеть лизосомы и отслеживать вещества, поступающие в этот клеточный пищеварительный котел (рис. 4).

Эпителиальные клетки

Рисунок 4. Эпителиальные клетки, окрашенные волшебными красками, заставляющими ядра светиться синим цветом (а), а лизосомы — красным (б). Совместное изображение — в. В каждом участке клетки иногда нужно переварить какие-то вещества, и поэтому во всех «клеточных закоулках» можно встретить лизосомы: их в одной клетке может быть до нескольких тысяч. Фото Анастасии Зубаревой.

В клетке также есть и свои фабрики по производству энергии, называемые митохондриями. В цехах этих незаменимых предприятий день и ночь кипит работа: трудолюбивые электроны терпеливо бегут по внутренней митохондриальной мембране, содержащей специальные белки. В результате кропотливого труда клетка запасает энергию, необходимую тебе для того, чтобы играть в футбол или не заснуть на уроках. Для этого процесса необходим кислород. А кислород заставляет светиться еще один вид волшебных красок. Именно благодаря процессу окисления органических молекул мы можем увидеть митохондрии, органеллы, выполняющие одну из самых важных миссий в клетке (рис. 5).

Митохондрии

Рисунок 5. Митохондрии различных клеточных линий, окрашенные «красными» волшебными красками: а — эпителий почки, б — макрофаги. Фото Анастасии Зубаревой.

Таким образом, мой юный друг, имея в запасе немного терпения и веселую палитру флуоресцентных красок, ты можешь легко раскрасить живую клетку. «Зачем всё это нужно?» — спросишь меня ты. Но наука — это не просто развлечение, а кропотливый труд, позволяющий узнавать, как устроен мир. А волшебные краски — помощники для изучения уникальных функций живой клетки.

Для взрослых

Волшебные (флуоресцентные) краски будоражат умы взрослых уже не первый год. Еще с конца 19 века, когда впервые обнаружили свечение в ультрафиолете экстрактов коры хинного дерева, ученые описали множество флуоресцентных молекул. Сейчас в арсенале исследователей целая «армия» молекулярных репортеров, помогающих изучать разнообразные биохимические процессы в клетке [1]. Так, например, специальные «нанороботы» регистрируют pH и мембранный потенциал внутриклеточных органелл [2].

Подобные молекулы могут работать не только в одиночку, но и вступать в выгодную кооперацию. Допустим, флуоресцентная молекула X может служить донором излучения, а Y — его акцептором. При их сближении произойдет перенос энергии, благодаря которому мы узнáем, что их взаимодействие строго специфично (например, при взаимодействии фермента и субстрата) [3]. Не все флуоресцентные краски сотворены химиками-синтетиками — большинство из них изобрела сама природа. Удивительный зеленый флуоресцентный белок (GFP) был обнаружен у медузы Aequorea victoria, за что его первооткрывателям в 2008 году вручили Нобелевскую премию по химии [4]. С тех пор GFP и другие флуоресцентные белки широко используются в различных областях биотехнологии [5].

В качестве флуоресцентных инструментов в медицине и биологии можно использовать не только органические, но и неорганические молекулы. Так, особое внимание уделяется полупроводниковым кристаллам, получившим название «квантовые точки». Благодаря ряду уникальных спектральных свойств они приобрели популярность в молекулярной диагностике и других областях [6].

Наука не стоит на месте и в области конструирования приборов для регистрации флуоресценции. Так, в 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена Эрику Бетцигу (Eric Betzig), Штефану Хеллю (Stefan Hell) и Уильяму Мернеру (William Moerner), преодолевшим дифракционный барьер, благодаря чему человечеству стала доступна микроскопия сверхвысокого разрешения [6, 7].

Литература

  1. биомолекула: «Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи»;
  2. биомолекула: «Нано-pH-метр»;
  3. биомолекула: «Рулетка для спектроскописта»;
  4. биомолекула: «Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии»;
  5. биомолекула: «Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!»;
  6. биомолекула: «Лучше один раз увидеть, или микроскопия сверхвысокого разрешения»;
  7. биомолекула: «По ту сторону дифракционного барьера: Нобелевская премия по химии 2014».

Автор: Зубарева Анастасия.

Число просмотров: 382.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Детям»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.