Прогулка внутри клетки: животной, растительной и бактерии

Где вы стоите

Клетка слишком мала, чтобы её представить. Привычный рисунок из школьного учебника помещает в круг ядро, несколько митохондрий и пару волнистых линий эндоплазматической сети, всё примерно одного размера и всё плавает в пустоте. Эта экспозиция берёт одну животную клетку, увеличивает её в миллион раз и даёт вам пройтись внутри на обычной высоте глаз. Всё нарисовано по размерам, измеренным в настоящих клетках, поэтому митохондрия здесь капсула, на которую можно присесть, а рибосома тёмная бусина размером с крупный стеклянный шарик.

Клетка устроена как распластанная на стеклянной чашке: низкий купол длиной 30 µm, шириной 24 µm и высотой 8 µm в середине. Вы начинаете на его полу, то есть на той части плазматической мембраны, что прилипла к стеклу. Середину занимает ядро, слева его обвивает шероховатая сеть, справа стоит стопка Гольджи. Вокруг разбросаны митохондрии и лизосомы, от точки рядом с ядром веером расходятся микротрубочки, и по ним к краю клетки едут маленькие пузырьки.

Почему модель увеличена в миллион раз

Очевидный выбор: увеличить клетку настолько, чтобы в неё поместилось ваше тело. Увеличения в 100 000 раз для этого мало. В таком масштабе клетка размером 20 µm становится пузырём в 2 m, а ядро оказалось бы меньше вашей головы. Человек ростом 1,6 m соответствовал бы 16 µm, то есть был бы выше всей клетки.

При увеличении в 1 000 000 раз числа читаются легко. Метр в модели равен микрометру в клетке, а миллиметр равен нанометру. Ваши глаза на высоте 1,6 m соответствуют 1,6 µm. Это показывает рамка масштаба в левом верхнем углу, а её шкала перерисовывается для того, что находится прямо перед вами. Если вы смотрите на стену в 3 m от себя, шкала показывает, как выглядит 1 µm на таком расстоянии.

Размеры в модели

Вот главные части и размеры, по которым они построены. Настоящие значения даны диапазонами, потому что клетки разных типов различаются.

Объём клетки получается около 3000 µm³. В книге Cell Biology by the Numbers для клетки человека принято ориентировочное значение 2000 µm³, причём у большинства клеток объём от 500 до 4000 µm³, а в разобранных примерах для типичной клетки млекопитающего взято 3000 µm³. Клетки HeLa, распластанные на предметном стекле, достигают в ширину около 40 µm, оставаясь высотой всего в несколько микрометров, поэтому модель сделана низким куполом, а не шаром.

Проверьте несколько чисел сами

Встаньте рядом с разрезанной митохондрией у старта. Её ширина 1 m, поэтому верх чуть ниже ваших глаз. В настоящей клетке это 1 µm, примерно сотая часть толщины человеческого волоса.

Мембрану разглядеть труднее всего. При толщине от 4 до 10 nm в модели она от 4 до 10 mm, примерно с карандаш, а обтягивает зал длиной 30 m. Cell Biology by the Numbers сравнивает её с обшивкой самолёта по отношению к ширине фюзеляжа. Поэтому участок правой стены нарисован в 20 раз толще остальной мембраны. На этом участке каждая головка липида шириной 16 mm вместо 0,8 mm, и оба слоя можно сосчитать.

ДНК в ядре это число, которое не помещается никак. В клетке человека около 2 m ДНК (две копии генома примерно из 3 миллиардов пар оснований, по 0,3 nm на пару оснований). В модели это было бы 2000 km нити, уложенной в шар длиной 9 m. Фиолетовые нити, которые вы видите в окне, это небольшой образец, нарисованный, чтобы передать фактуру.

Мембрана в разрезе

У фосфолипида есть головка, которая смешивается с водой, и два хвоста, которые не смешиваются. В воде хвосты прячутся от неё, выстраиваясь хвост к хвосту, и получаются два слоя с головками на обеих наружных сторонах. Глубина каждого слоя около 2 nm, так что сердцевина двойного слоя толщиной около 4 nm. В этой плёнке сидят белки. Синяя бочка в увеличенном участке это канал, проходящий через оба слоя, а белок с зелёными бусинами снаружи несёт цепочку сахаров.

Мембрана текучая. Липиды всё время сдвигаются вбок мимо соседей, но очень редко перескакивают из одного слоя в другой, поэтому два слоя могут сохранять разный состав липидов. В модели они неподвижны.

Ядро и его поры

Ядерная оболочка состоит из двух мембран, внутренней и наружной, с промежутком в несколько десятков нанометров. Окно в передней части ядра показывает оба края, в модели они примерно в 4 cm друг от друга. Наружная мембрана переходит в шероховатую сеть, поэтому листы сети в модели начинаются сразу у ядра.

Ядерные поры проходят сквозь обе мембраны сразу. Каждая пора это кольцо из белков около 120 nm с каналом посередине, и в ядре позвоночного их около 2000. Через поры выходят матричная РНК и субъединицы рибосом, а внутрь входят белки, нужные в ядре. В модели от 300 до 1100 пор в зависимости от вашего устройства.

Внутри находится ядрышко, плотная область без мембраны, в модели диаметром 2 µm. Оно образуется вокруг генов рибосомной РНК, и две половины рибосомы собираются в нём перед отправкой наружу.

Где делают и упаковывают белки

Рибосома читает матричную РНК и соединяет аминокислоты в цепь. Рибосомы, плавающие в цитозоле, делают белки, которые остаются в цитозоле. Если начало нового белка несёт сигнал для сети, рибосома причаливает к сети и проталкивает растущую цепь сквозь мембрану внутрь мешочка; от этого сеть и выглядит шероховатой. На гладкой сети рибосом нет. Это сеть трубочек шириной от 30 до 100 nm, которая синтезирует липиды и запасает кальций.

Из сети белки едут в маленьких пузырьках в аппарат Гольджи. В клетке млекопитающего от 40 до 100 стопок Гольджи, обычно собранных рядом с клеточным центром, и в каждой стопке от четырёх до восьми цистерн. В модели одна стопка из шести. Белки входят с цис-стороны, ближайшей к сети, по пути их сахара подрезают и достраивают, и выходят они с транс-стороны в пузырьках, которые направляются к мембране, в лизосомы или в другие отсеки.

Кинезин шагает по микротрубочке

Микротрубочки это полые трубки шириной около 25 nm, обычно собранные из 13 рядов тубулина. Каждый ряд представляет собой цепочку пар альфа- и бета-тубулина, которая повторяется через каждые 8 nm. Большинство микротрубочек начинается в клеточном центре рядом с ядром и тянется к краю клетки. На расстояниях внутри клетки они жёсткие и почти прямые.

У кинезина-1 две моторные головки, соединённые длинным скрученным стеблем, и хвост, который держит груз. Он идёт, перехватываясь, как руками, по описанию PDB-101. Одна головка остаётся прикреплённой к микротрубочке, а другая отпускается, проносится мимо неё и прикрепляется на 16 nm дальше. Каждый шаг сдвигает груз на 8 nm и стоит одной молекулы АТФ. Cell Biology by the Numbers приводит для обычного кинезина в пробирке около 800 nm в секунду и около 100 шагов до того, как он отвалится.

При увеличении в миллион раз 800 nm в секунду превращаются в 0,8 m в секунду, это медленный прогулочный шаг. Но головки делают около 100 шагов в секунду, слишком быстро, чтобы уследить на экране. Поэтому шаг экскурсии о кинезине включает замедление до 1/20 настоящей скорости, и видно, как каждая головка проносится мимо другой.

Митохондрии и лизосомы

У митохондрий две мембраны. Наружная гладкая. Внутренняя собрана в складки, кристы, которые дают большую поверхность для белков, производящих АТФ. Cell Biology by the Numbers описывает типичную митохондрию как капсулу длиной около 2 µm и шириной 1 µm, хотя во многих клетках митохондрии сливаются в ветвистые сети длиной в десятки микрометров. В модели десять отдельных капсул, и одна разрезана, чтобы вы увидели кристы.

Лизосомы это мешочки с более чем 60 видами пищеварительных ферментов, и обычно в клетке их сотни. В модели их шесть. Внутри них поддерживается pH от 4,5 до 5, и при такой кислотности ферменты работают лучше всего. Окружающий цитозоль имеет pH около 7,2, где эти ферменты работают плохо, поэтому протекающая лизосома не переваривает остальную клетку.

Уменьшиться в десять и в сто раз

При увеличении в миллион раз по клетке легко гулять, но всё, что меньше примерно 20 nm, лежит у ваших ног крошкой. Рибосома размером со стеклянный шарик, а калиевый канал шириной 8 mm. Чтобы увидеть молекулы, нужна вторая ступень увеличения, и кнопки «Размер» справа вверху дают ещё две: ×10 и ×100.

Кнопки не перестраивают клетку. Они уменьшают вас. При ×10 масштаб 10 000 000 к 1, метр перед вами равен 100 nm, а ваши глаза на высоте 160 nm над полом. При ×100 масштаб 100 000 000 к 1, метр равен 10 nm, а ваш рост 16 nm, примерно как высота протеасомы. Рамка в левом верхнем углу всегда показывает текущее увеличение, чему равен метр и ваш настоящий рост, так что числа остаются честными на любой ступени. Сама клетка не меняется. Митохондрия, которая была размером с диван, становится зданием длиной 100 m, и пройти мимо неё при ×100 заняло бы минуты.

Молекулы в настоящую величину

Молекулы нарисованы как бусинные модели, по одной бусине на каждую свёрнутую часть белка, в стиле иллюстраций RCSB PDB-101. Они построены в настоящую величину и стоят там, где работают, но скрыты, пока вы не подойдёте достаточно близко. С другого конца клетки их отрисовка ничего не стоит.

В животной клетке их можно найти в четырёх местах:

• На мембране пола, впереди справа. Калиевые каналы, натрий-калиевые насосы, рецепторы и аквапорины сидят на участке мембраны, вымощенном головками липидов через каждые 0,8 nm. Окаймлённая клатрином ямка, каркас шириной около 100 nm, втягивает внутрь почку мембраны. Пол пересекают актиновые филаменты шириной 7 nm, по одному из них шагает мотор миозин V, а рядом лежит похожий на канат промежуточный филамент.
• В толпе рядом с ними. Ящик со стороной 100 nm заполнен белками с плотностью настоящего цитозоля, около 3 миллионов на кубический микрометр. При ×100 это стена из молекул, в которую можно протиснуться. На её краю стоят протеасома, шаперон Hsp90, гранула гликогена и цепочка рибосом, читающих одну матричную РНК.
• В ядре. Отрезок ДНК, намотанный на нуклеосомы, на котором РНК-полимераза II строит нить РНК, и комплекс ядерной поры со всеми деталями на оболочке.
• На органоидах. Рибосома, причаленная к шероховатой сети через канал Sec61, ряд АТФ-синтаз на срезе открытой митохондрии и мотор динеин под путём кинезина.

Плотность настоящая там, где это сказано в путеводителе (ящик с толпой, липидный пол), а в остальных местах разрежена, потому что настоящая мембрана так набита белками, что каналы было бы трудно различить.

Растительная клетка в том же масштабе

Кнопка «Клетка» переключает на клетку листа, построенную в том же масштабе. Её длина 40 µm, ширина 24 µm и высота 20 µm, она заключена в стенку из целлюлозы. Cell Biology by the Numbers описывает такие растительные клетки, у которых большую часть объёма занимает вакуоль, и это первое, что бросается в глаза: середину заполняет полупрозрачный блок, а остальная клетка сжата в тонкий слой вокруг него и в комнату у одного края, где находится ядро.

Хлоропласты лежат на полу под вакуолью и у одной из стенок. Они нарисованы длиной 5 µm, в пределах диапазона от 4 до 6 µm для сосудистых растений, и один разрезан, чтобы показать граны, стопки плоских мешочков тилакоидов, и крахмальное зерно. На дальней стенке поровое поле с плазмодесмами, каналами шириной около 50 nm, соединяет эту клетку с соседней. Вдоль ближней стенки органоиды плывут по кольцу актиновых тросов со скоростью 4 µm в секунду, в пределах измеренного для движения цитоплазмы диапазона от 1 до 100 µm в секунду. При ×100 в разрезанном хлоропласте можно найти рубиско, фермент, связывающий углекислый газ, и фотосистему II, которая расщепляет воду и выделяет кислород.

Бактерия в том же масштабе

Третья клетка это кишечная палочка (E. coli). Cell Biology by the Numbers берёт для неё ориентировочно ширину около 1 µm, длину 2 µm и объём 1 µm³, так что при увеличении в миллион раз весь организм оказывается капсулой длиной 2 m на чашке, размером с одну из митохондрий животной клетки. Это не совпадение модели. Митохондрии происходят от бактерий, которых в далёком прошлом поглотила другая клетка, и до сих пор хранят собственный маленький геном. Сетка на чашке нарисована квадратами по 1 µm.

При ×1 вы слишком велики, чтобы войти, поэтому прогулка начинается при ×10. Внутри рибосомы занимают почти всё пространство вокруг нуклеоида, клубка хромосомы посередине без мембраны вокруг. Над головой оболочка из трёх слоёв: внутренняя мембрана, тонкая сетка пептидогликана и наружная мембрана. В оболочке сидят жгутиковые моторы шириной около 45 nm, каждый вращает спиральную нить примерно 100 раз в секунду, а решётка хеморецепторов на одном конце сообщает моторам, когда менять направление. Поскольку ядра на пути нет, рибосомы начинают читать матричную РНК, пока она ещё синтезируется, и модель показывает это в двух местах у старта.

Путеводитель

Кнопка «Путеводитель» открывает список из 78 мест, которые стоит посетить: 49 в животной клетке, 14 в растительной и 15 в бактерии. Можно искать по названию, фильтровать по клетке и по виду (органоиды, молекулы и процессы) и сортировать по размеру. Если выбрать один пункт, при необходимости сменятся клетка и размер, и вы дойдёте до точки перед ним. Затем карточка покажет его настоящий размер, сколько таких в клетке, короткое описание, источники и шкалу, которая сравнивает его размер с белком, рибосомой, кишечной палочкой, животной клеткой и вашим собственным ростом при текущем размере.

Семь процессов, фазы митоза, клеточный цикл, клеточная пластинка делящейся растительной клетки и бинарное деление бактерий, в 3D-клетках не показаны в действии. Вместо этого на их карточках небольшой рисунок.

Что увеличение в миллион раз делает со скоростями и расстояниями

Поскольку 1 m в модели равен 1 µm в клетке, любую длину можно пересчитать, подняв единицу на шесть ступеней. Клетка шириной 20 µm в модели имеет 20 m, это длина полутора автобусов, поставленных в ряд. Рибосома в 25 nm становится 25 mm, то есть 2,5 cm, размером с крупную бусину. Белок в 5 nm превращается в 5 mm, как рисовое зёрнышко, поставленное торчком, а мембрана толщиной 5 nm становится слоем в 5 mm, который можно зажать между двумя пальцами, вокруг зала длиной 30 m.

Скорости меняются так же, потому что время не растягивается. Кинезин идёт со скоростью около 800 nm в секунду, в модели это 0,8 m в секунду. Белок, который за секунду сносит на несколько микрометров, проходит несколько метров. Вы идёте со скоростью около 1,4 m в секунду, а в настоящей клетке это 1,4 µm в секунду, чуть быстрее кинезина. Пересечь 30 m клетки вы можете примерно за 21 секунду. При ×100 тот же шаг равен 14 nm в секунду, и поэтому у переключателя «Ходьба» есть быстрый режим.

В единицах есть ловушка. Площади меняются с квадратом, объёмы с кубом. Митохондрия объёмом 1 µm³ в модели занимает 1 m³, это куб со стороной в метр. Вся клетка, около 3000 µm³, это 3000 m³, зал больше олимпийского бассейна, в котором около 2500 m³. Числа в таблице выше являются длинами. Когда этот путеводитель называет число на клетку, он имеет в виду эти 3000 кубических метров.

Сколько молекул и как долго они идут через клетку

По данным Cell Biology by the Numbers, в каждом кубическом микрометре клетки около 3 млн белков, поэтому в клетке человека объёмом от 2000 до 4000 µm³ порядка 10 млрд (10¹⁰) белков. Для 3000 µm³ этой модели получается 3000 × 3 млн, около 9 млрд. В модели в каждом кубическом метре вокруг вас 3 млн белков. Среднее расстояние между соседними белками равно кубическому корню из 1 µm³, делённого на 3 млн, то есть около 0,007 µm, или 7 nm, а на экране это 7 mm. Типичный белок имеет около 5 nm, так что они почти соприкасаются. Именно такую плотность воспроизводит ящик с толпой. Всё остальное в модели гораздо пустее.

Молекулы в клетке не летят по прямой. Их толкают молекулы воды, это движение называется диффузией, и среднее время прохождения расстояния x растёт как квадрат этого расстояния. Для частицы, движущейся в одном измерении, t ≈ x² / 2D, где D есть коэффициент диффузии. В трёх измерениях 2 заменяется на 6. Книга оценивает D примерно в 100 µm²/s для белка среднего размера в воде и примерно в 10 µm²/s внутри клетки. С этими числами:

• Поперёк клетки E. coli, x = 1 µm: t ≈ 1 / 60, около 0,02 s. В книге указано около 0,01 s.
• Поперёк клетки HeLa, x = 20 µm: t ≈ 400 / 60, около 7 s. В книге указано около 10 s.
• Вдоль аксона длиной 1 cm, x = 10 000 µm: t ≈ 10⁸ / 60, около 1,7 млн s, почти три недели. В книге сказано около двух недель, потому что D и множитель округлены.

Мотору, идущему со скоростью 1 µm в секунду, потребовалось бы от 2 до 3 часов на 1 cm, и поэтому нервные клетки везут груз по микротрубочкам, а не ждут диффузии. Но в масштабе одной клетки оба способа близки. На 20 µm мотору нужно 20 s, а диффузии меньше 10 s, поэтому маленькая клетка оставляет молекулы диффундировать, а моторы берёт для крупного груза или груза, которому нужно попасть в определённое место.

Распространённые заблуждения

• «Органеллы плавают далеко друг от друга в пустой воде». В настоящей клетке цитозоль представляет собой густой гель, органеллы лежат тесно, а эндоплазматическая сеть тянется почти повсюду. Свободное пространство, по которому вы идёте в модели, является упрощением, чтобы вы могли двигаться.
• «Молекулы знают, куда им идти». Большинство находит партнёра случайно, путём диффузии, и вступает в реакцию, только если встретится в нужной ориентации. Моторы вроде кинезина являются исключением, они идут по рельсам, но груз всё равно должен найти рельс.
• «Кинезин ходит как человек». В анимации так и кажется, но головки так малы, что окружающая вода постоянно их толкает. Шаг работает как храповик: каждая молекула АТФ заставляет одну головку шагнуть вперёд и прикрепиться, и дрожание превращается в шаги в одну сторону.
• «Ядро является мозгом клетки и напрямую управляет всем». Ядро хранит и копирует геном и делает РНК, но белки синтезируются в цитозоле и на эндоплазматической сети, а многие решения клетки рождаются из сигналов, приходящих на мембрану. Митохондрии даже хранят собственный небольшой геном.
• «Все клетки выглядят как рисунок в учебнике». Модель показывает один тип клеток, распластанных на стекле, с размерами наиболее изученных. У эритроцита нет ядра, у мышечного волокна ядер много, а объём клеток охватывает несколько порядков величины.

Чем модель отличается от настоящей клетки

• Цитозоль здесь почти пустой. В настоящей клетке около 3 миллионов белков в каждом кубическом микрометре. Частиц, плавающих вокруг вас, самое большее несколько тысяч, и они медленно дрейфуют, а не толкаются на большой скорости.
• Рибосом меньше. Модель рисует несколько тысяч. В настоящей клетке их гораздо больше, на шероховатой сети они сидят так плотно, что листы кажутся усыпанными.
• Актина и промежуточных филаментов мало. Пучки актина пересекают пол и несколько промежуточных филаментов обвивают ядро, но густая актиновая сеть под мембраной опущена, чтобы проходы оставались свободными.
• Издалека молекулы скрыты. Модели молекул появляются, только когда вы подходите достаточно близко, и стоят неподвижно, а не кувыркаются.
• Большинство органоидов неподвижно. В живой клетке митохондрии движутся, делятся и сливаются, а сеть меняет форму от минуты к минуте.
• В ядре окно. Настоящая оболочка закрыта, если не считать пор.
• Цвета придуманы. При таком размере у органоидов нет собственного цвета. Электронные микроскопы показывают их серыми, а на флуоресцентных снимках используют красители.

Как передвигаться

На компьютере ходите клавишами WASD или стрелками и тяните мышью, чтобы осмотреться. R поднимает вас, F даёт опуститься обратно. Shift ускоряет движение. Щелчок по полу ведёт вас туда. На телефоне левая половина экрана работает как джойстик, а правая поворачивает взгляд. Две стрелки справа поднимают или опускают вас.

На панели справа от сцены три ряда. «Клетка» переключает между животной клеткой, растительной клеткой и бактерией. «Размер» уменьшает вас до ×10 или ×100 и возвращает обратно. «Шаг» задаёт темп: медленно, обычно или быстро, что помогает при ×100, где обычным шагом проходится всего 13 nm в секунду. Маленькая карта в левом верхнем углу показывает сверху, где вы находитесь; щёлкните по ней, чтобы пойти в это место.

Подписи появляются, когда вы подходите к чему-нибудь, а при ×100 они называют отдельные молекулы. Переключатель «Все подписи» показывает больше подписей сразу. Список «Детали» и «Путеводитель» переносят вас прямо к выбранному.