Канцерогенез и клеточные органеллы - рак: эксперименты и гипотезы
Первым цитологам клетка представлялась весьма простой: она состояла из внешней мембраны и ядра. Тело клетки было заполнено протоплазмой — веществом ни твердым, ни жидким, которое, очевидно, и было носителем жизни. Ученые повсеместно пытались, используя простые модельные системы, выведать секреты протоплазмы. Бючли, например, экспериментировал с искусственными коллоидальными капельками воды, гвоздичного масла, глицерина и поташа. Помещая их между предметным и покровным стеклами микроскопа, он наблюдал за «движениями». Модели протоплазмы пытались построить не только ученые-зоологи- во многих лабораториях «мыслители и философы» пытались проводить эксперименты с природой, ожидая от нее чудесных явлений, искушая ее. Мысль о том, что живая и неживая природа едины, в одинаковой степени привлекала и ученых-профессионалов, и дилетантов. Считалось, что простые модели могут послужить ключом к разгадке секретов клетки. Но, несмотря на все усилия, проникнуть в суть протоплазмы исследователи не смогли.
Сегодня мы знаем, что живая клетка подчиняется физическим и химическим законам, однако имитировать клетку с помощью простой физико-химической модели невозможно. Клетки высших организмов — чрезвычайно сложные структуры. Помимо ядра с течением времени были открыты многие другие органеллы клетки. Более того, даже ядро оказалось возможным разделить на ряд морфологически различимых компонентов.
Внутреннее строение клетки
С появлением электронного микроскопа исследователи смогли получить важную информацию о внутреннем строении клетки (фиг. 21). Благодаря ему стали видимыми
КЛЕТКА В ЦЕНТРИФУЖНОЙ ПРОБИРКЕ
структуры и субструктуры, приближающиеся к молекулярному уровню. (Если бы на целое животное удалось взглянуть, образно говоря, электронно-микроскопическим глазом, изображение крысы имело бы длину 40 км!) Протоплазма, которая ранее казалась однородной, оказалась заполненной пластинчатыми структурами (ламеллами), пузырьками (везикулами), гранулами и канальцами. На фиг. 21 очень схематично показаны наиболее важные органеллы клетки. В целях упрощения масштаб не соблюден.
Но хотя электронный микроскоп и позволил увидеть внутренние структуры клетки, он не смог на первых порах ответить на вопрос, какую роль все эти структуры играют в клеточном метаболизме. Первые ответы относительно функций клеточных органелл были получены с помощью ультрацентрифуги — прибора, позволяющего достигать ускорения, которое более чем в 100 000 раз превышает ускорение свободного падения тела на Земле (g). Такого ускорения оказалось достаточно для осаждения мельчайших органелл клетки.
Выделение клеточных органелл с помощью ультрацентрифуги
Принцип разделения прост: чем больше органелла клетки,тем быстрее она осаждается в гравитационном поле ультрацентрифуги. Ядра, например, могут осаждаться в течение 12 мин уже при 800 g. Для меньших структур — митохондрий — достаточно 15 000g в течение 15 мин. Таким образом, клеточные органеллы могут быть разделены в соответствии со своими размерами (см. фиг. 21).
Прежде всего необходимо разрушить клеточные мембраны, но так, чтобы другие органеллы не были повреждены. Однако именно в этом и заключается трудность проблемы. Многие методы приготовления клеточного гомогената непригодны для выделения органелл: при набухании клеток в гипотоническом солевом растворе мембраны клеток лопаются, но одновременно с этим страдают и мембраны клеточных органелл.
Обычно пользуются надежным методом с применением так называемого гомогенизатора Поттера — Эльвейема. Гомогенизатор состоит из стеклянной трубки и подогнанного к ее размерам подвижного пестика. При вращении пестик то опускается, то поднимается- в результате клетки, вновь и вновь проходя между ним и стенкой трубки, лопаются под влиянием разрывающих сил. Клеточные органеллы, размеры которых значительно меньше, остаются целыми.
Еще легче достигнуть разрушения клеток с помощью так называемого французского пресса. Согласно этому методу, клетки сначала подвергают высокому давлению в камере с азотом. При резком снятии давления образующиеся мельчайшие пузырьки газа разрывают клеточную мембрану, причем органеллы клетки не подвергаются сколько-нибудь существенному воздействию. (Сходные механизмы способствуют развитию кессонной болезни у ныряльщиков.)
Однако подобный метод разрушения клеточных мембран сам по себе все-таки не гарантирует получения неповрежденных органелл. Поэтому органеллы должны быть изолированы по возможности в «естественной» среде. С этой целью чаще всего пользуются изотоническими солевыми растворами и изотоническими растворами сахарозы. Кроме того, оказалось, что для некоторых клеточных органелл особенно благоприятны гипертонические растворы сахарозы. Двухвалентные катионы таких металлов, как кальций или магний, в следовых количествах способствуют повышению стабильности клеточных органелл. И наконец, следует применять буферные смеси, обеспечивающие нейтральный pH гомогената.
Клетка — химическая фабрика
Уже в начале текущего столетия клетку стали рассматривать как «химическую фабрику». Производство гликогена и выделение мочевины живыми клетками очень напоминало производство анилиновых красителей или серной кислоты в промышленности. Казалось бы, без видимых усилий клетка способна осуществлять процессы, для которых в современной химической промышленности потребовалась бы дорогостоящая технология. Но, как говорится, внешность обманчива: в клетке имеется своя и весьма жесткая организация труда, разнообразнейшие метаболические пути четко отделены друг от друга.
Управляет производством ядро: оно «составляет» планы, по которым на рибосомах происходит сборка белков.
В свою очередь конвейерные ленты по производству белка разделены на стационарные и подвижные: рибосомы, связанные мембранами (гранулированный зндоплазматический ретикулум), и свободные рибосомы. Митохондрии же почти полностью специализируются на производстве энергии.
Каждой из этих органелл приписывали особо важную роль в возникновении опухолевой клетки.
- Основное подозрение падает на ядро, которое как носитель генетического материала, естественно, находится в центре внимания всех теорий по генетике рака.
- На следующем месте находятся митохондрии, к которым, как к органам клеточного дыхания, особый интерес пробудился в связи с теорией Варбурга о возникновении рака.
- За последние несколько лет на передний план выдвинулись исследования по клеточным мембранам. Через мембраны осуществляется связь между отдельными клетками, а следовательно, определяется и их способность держаться вместе. Не исключено, однако, что они являются также важными чувствительными органами клетки, которые получают регуляторные импульсы от организма.
- Даже лизосомы не свободны от подозрения: именно их Аллисон считает подлинными канцерогенами, которые в свою очередь активируются внешними канцерогенами, такими, как химические вещества, облучение или вирусы.
- Если мы здесь обходим молчанием эндоплазматический ретикулум (микросомы), то только из-за недостатка места. Эта проблема нашла отражение в недавней работе Пито и сотрудников.
- По этой же причине мы не касаемся роли надосадочной фракции (S3 -фракции).
А теперь вкратце рассмотрим возможную роль в канцерогенезе каждой из упомянутых органелл, начиная с ядра
