Текст книги "Биология веры. Как сила убеждений может изменить ваше тело и разум"

Глава 3. Волшебница мембрана

Теперь, когда мы познакомились с работой белковых механизмов клетки, опровергли утверждение, что ядро клетки является ее мозгом, и установили ключевую роль, которую играет в функционировании клетки ее окружение, мы достаточно подготовлены для того, чтобы рассмотреть одну довольно-таки ценную вещицу. Нечто такое, что наверняка поможет вам отыскать смысл вашей жизни и подскажет, как ее изменить.

Настоящая глава представит вам моего номинанта на роль того истинного мозга, который управляет жизнью клетки, – клеточную мембрану. Я уверен, что когда вы поймете, как работают ее химическая и физическая основы, вы вслед за мной станете называть ее волшебницей. А когда вы соедините свое понимание деятельности волшебницы мембраны с квантовой механикой, которое приобретете из следующей главы, то поймете еще и то, насколько неправы были бульварные газеты в 1953 г. Истинная тайна жизни заключена вовсе не в прославленной двойной спирали. Она – в элегантно простых биологических механизмах этой волшебницы мембраны, при помощи которых организм преобразует сигналы окружающей среды в поведение.

В 1960-х гг. я начал изучать клеточную биологию. Если бы тогда кто-то сказал, что мембрана – это мозг клетки, то его просто-напросто подняли бы на смех. Ничего особенного в мембране ученые тогда не видели. Для них это была только лишь незамысловатая трехслойная полупроницаемая оболочка, не позволяющая вытекать цитоплазматическому содержимому.

Одна из причин такой недооценки мембраны была в том, что она очень тонкая. Толщина клеточной мембраны составляет всего лишь семь миллионных долей миллиметра. При такой толщине рассмотреть ее можно лишь в электронный микроскоп, который был разработан только после Второй мировой войны. Так что до 50-х гг. XX века биологи даже не могли экспериментально подтвердить, что клеточная мембрана существует. Вплоть до этого времени многие из них думали, что цитоплазма клетки не растекается, потому что имеет желеобразную консистенцию. Но вооружившись микроскопами, биологи установили, что все живые клетки окружены мембраной и что во всех случаях она имеет фактически одно и то же трехслойное строение. Между тем за этой простотой кроется существенная функциональная сложность.

Исследователи в области клеточной биологии открыли для себя поразительные способности клеточной мембраны, изучая самые примитивные организмы нашей планеты – прокариоты[16]16
  Прокариоты – организмы без клеточного ядра. Более высокоразвитые организмы, в клетках которых есть ядро, называются эукариотами. – Прим. перев.


[Закрыть]. Прокариоты, к которым относятся бактерии и некоторые другие микроорганизмы, состоят только из капельки водянистой цитоплазмы, заключенной в клеточную мембрану. И хотя прокариоты представляют собой жизнь в ее наиболее примитивной форме, их существование вполне осмысленно. Они реализуют основные физиологические процессы жизнедеятельности точно так же, как и более сложные клетки. Бактерии поглощают пищу, переваривают ее, дышат, выделяют наружу отходы и даже демонстрируют «нервную» деятельность. Они способны чувствовать, где находится пища, и передвигаться к ней. Они способны распознавать опасные для себя вещества и организмы и целенаправленно избегать их для сохранения собственной жизни. Иными словами, прокариоты демонстрируют разумное поведение!

Но какая же структура придает клетке-прокариоте ее «разумность»? В ее цитоплазме нет таких явных органелл, как в более высокоразвитых клетках эукариот, например ядер или митохондрий. Единственная организованная клеточная структура, которую можно рассматривать в качестве кандидата на мозг прокариоты, – это ее мембрана.

Хлеб, масло, оливки и душистый перец

Когда я более или менее свыкся с идеей, что мембраны – неотъемлемый атрибут разумной жизни, я решил внимательно разобраться в их структуре и функциях. В результате у меня сложилась своеобразная гастрономическая аналогия (шуточная, разумеется), хорошо иллюстрирующая базовую структуру клеточной мембраны. В основе этой аналогии лежит обычный бутерброд – два куска хлеба со слоем масла между ними. Чтобы аналогия была более полной, я украсил его двумя видами оливок – обычными и нафаршированными душистым перцем. Гурманы, только не надо стонов! Когда я в одном из курсов лекций решил обойтись без своего бутерброда, слушатели тут же спросили меня, куда он подевался!

Вот простой эксперимент, демонстрирующий работу такой мембраны-бутерброда. Соорудите бутерброд из хлеба и масла (пока что без оливок). В нашем эксперименте он будет изображать участок клеточной мембраны. А теперь вылейте на него чайную ложку подкрашенной жидкости.

Как хорошо видно на втором снимке, краска проникает сквозь хлеб, но останавливается, дойдя до масла – жидкий слой посередине бутерброда оказывается довольно-таки эффективным барьером.

А теперь сделаем бутерброд с фаршированными и пустыми оливками.

Если мы теперь польем наше сооружение краской и рассмотрим его поперечное сечение, то картина будет иной. Дойдя до оливок, заполненных душистым перцем, жидкость остановится точно так же, как и в случае масла. А вот пустотелая оливка с удаленной косточкой образует в бутерброде канал, пройдя сквозь который, жидкость сможет достичь нижнего куска хлеба и просочиться на тарелку, которая в нашей аналогии выступает в роли цитоплазмы клетки. Иными словами, благодаря пустотелым оливкам подкрашенная жидкость благополучно проникает сквозь на первый взгляд непроницаемый мембранный барьер.

Для клетки чрезвычайно важно обеспечивать молекулам возможность проникать сквозь мембрану, ведь в нашей «бутербродной» аналогии подкрашенная жидкость – это необходимые клетке питательные вещества. Если бы мембрана представляла собой просто бутерброд из двух кусков хлеба и слоя масла, она представляла бы собой несокрушимый барьер, не пропускавший внутрь весь тот шумный спектр молекулярных и энергетических сигналов, который составляет окружение клетки. Но за такой неприступной крепостной стеной клетка погибнет – она просто не будет получать питательных веществ. А вот с пустыми оливками мембрана превращается в важнейший и чрезвычайно изощренный механизм, позволяющий информации и пище проникнуть внутрь точно так же, как в нашем опыте проникла внутрь ложечка подкрашенной жидкости.

В реальной клеточной биологии наши хлеб и масло соответствуют фосфолипидам – одному из двух основных компонентов мембраны. (Другой ее главный компонент – это белки-«оливки», которые мы рассмотрим чуть позже.) Полушутя-полусерьезно я называю фосфолипиды «двуличными» из-за того, что их молекулы содержат полярные и неполярные участки.

Последнее обстоятельство может показаться вам не имеющим особого отношения к двуличию, но я хочу вас заверить, что связь здесь есть. Все молекулы в нашей Вселенной можно подразделить на полярные и неполярные – в зависимости от характера связей, удерживающих вместе составляющие их атомы. В полярных молекулах связи таковы, что разные концы этих молекул имеют положительный или отрицательный электрический заряд. Поэтому они ведут себя подобно магнитам – притягивают или же отталкивают другие заряженные молекулы.

К полярным молекулам в числе прочих относятся молекулы воды и растворимых в воде веществ. А вот молекулы жиров и жирорастворимых веществ неполярны – составляющие их атомы не несут ни положительного, ни отрицательного электрического заряда. Помните пословицу, что вода и масло друг с другом не смешиваются? Неполярные жировые и полярные водные молекулы ведут себя в точности так же. Вам не приходилось готовить заправку для салатов по-итальянски? Сколько ни тряси бутылочку с оливковым маслом и уксусом, стоит поставить ее на стол, как эти вещества разделятся. Это происходит потому, что молекулы, как и люди, предпочитают окружение, которое обеспечивало бы их стабильность. Стремясь к устойчивости, полярные молекулы уксуса тяготеют к полярному водоподобному окружению, а неполярные молекулы оливкового масла – к неполярному. Что же до молекул фосфолипидов, состоящих как из полярных, так и из неполярных (липидных) участков, то им в поисках стабильности приходится туго. В то время как фосфатная часть такой молекулы тяготеет к воде, ее липидная часть отталкивает воду и пытается раствориться в жире.

Электронная микрофотография мембраны человеческой клетки. Чередование темного, светлого и еще одного темного слоев связано с ориентацией фосфолипидных молекул мембраны. Светлый средний слой (эквивалент масла в нашем бутерброде) соответствует гидрофобной области, сформированной «хвостами» фосфолипидов. Темные слои сверху и снизу липидной области (эквиваленты кусков хлеба) соответствуют фосфатным «головкам», тяготеющим к воде.

Но вернемся к нашему бутерброду. Фосфолипидные молекулы мембраны своей формой напоминают круглый леденец на палочке – точнее, на двух палочках (см. рисунок на стр. 109). Круглая часть «леденца» полярная и электрически заряжена, она соответствует хлебу в нашем бутерброде. Два «хвоста» у каждой из молекул неполярны и соответствуют в нашей модели слою масла. Из-за своей неполярности «масляный» слой мембраны не позволяет положительно или отрицательно заряженным атомам и молекулам проходить сквозь нее. По существу, этот липидный внутренний слой является электроизолятором – что как нельзя более уместно в мембране, предназначенной для ограждения клетки от напора множества окружающих ее молекул.

Но если бы мембрана была простым эквивалентом бутерброда из двух кусков хлеба с маслом, клетка не смогла бы выжить. Большинство необходимых ей питательных веществ представляют собой полярные, электрически заряженные молекулы, неспособные проникнуть сквозь сплошной неполярный липидный барьер. Точно так же клетка не смогла бы исторгнуть наружу отработанные шлаки – они ведь тоже поляризованы.

Интегральные мембранные белки

Поистине замечательной составляющей мембраны являются оливки нашего бутерброда. Это белки, которые позволяют питательным веществам, шлакам и другим формам «информации» переноситься сквозь мембрану. При этом белковые «оливки» пропускают в клетку не просто молекулярный мусор, а только те молекулы, которые необходимы для бесперебойного функционирования цитоплазмы. Белки, выполняющие эту функцию, называются интегральными мембранными белками (ИМБ). Они встраиваются в «масляный» слой мембраны точно так же, как оливки на моей иллюстрации.

Как же удается ИМБ внедриться в «масло»? Вспомните, что белки представляют собой линейную цепочку связанных друг с другом остатков аминокислот. Из двадцати различных аминокислот одни представляют собой тяготеющие к воде (гидрофильные) полярные молекулы, а другие – гидрофобные, неполярные молекулы. Та область белковой цепочки, которая составлена из гидрофобных аминокислот, стремится достичь устойчивости в окружении, тяготеющем к жирам, – каким является, например, липидная сердцевина мембраны (см. стрелку на рисунке ниже). Именно таким образом гидрофобные части белка встраиваются во внутренний слой мембраны. Из-за того, что некоторые области белковой цепочки состоят из полярных аминокислотных остатков, а другие – из неполярных, белковая молекула изгибается внутри и снаружи нашего «бутерброда».

Существует масса разновидностей и наименований ИМБ, но все они могут быть подразделены на две функциональные группы: белки-рецепторы и белки-эффекторы. ИМБ-рецепторы – это органы чувств клетки, эквивалент наших глаз, ушей, носа, вкусовых луковиц и т. д. Рецепторы действуют как молекулярные «наноантенны», настроенные на восприятие определенных сигналов внешнего окружения. Часть этих рецепторов входит внутрь клетки для отслеживания состояния ее внутренней среды, а другие выведены наружу для улавливания сигналов извне.

Как и все прочие белки, о строении которых мы говорили выше, рецепторы имеют активную и неактивную конформацию и переходят от одной к другой, когда меняется их электрический заряд. Когда белок-рецептор связывается с сигналом внешней среды, возникающее в результате перераспределение электрического заряда заставляет белковую цепочку свернуться по-новому, и белок принимает «активную» конформацию. У клетки имеются нужным образом настроенные белки-рецепторы для всех внешних сигналов, которые необходимо улавливать.

Некоторые рецепторы реагируют на сигналы физического характера. Один из таких примеров – эстрогенный рецептор, устройство которого в точности соответствует конфигурации и заряду молекулы белка эстрогена. Когда рядом оказывается молекула эстрогена, рецептор надежно сцепляется с ней, подходя как ключ к замку. Как только это происходит, электрический заряд рецептора перераспределяется, и белок переключается в свою активную конформацию. Аналогичным образом, гистаминные рецепторы по своей конфигурации соответствуют молекулам гистамина, инсулиновые рецепторы – молекулам инсулина и т. д.

«Антенны» рецепторов способны также улавливать колебания различных энергетических полей – света, звука и радиоволн. При этом они вибрируют наподобие ножек камертона, и если энергетические колебания во внешней среде оказываются в резонансе с антенной рецептора, то в нем происходит перераспределение заряда и изменение конфигурации. Я остановлюсь на этом более подробно в следующей главе, а сейчас хочу только подчеркнуть, что поскольку белки-рецепторы могут воспринимать энергетические поля, то нам необходимо отказаться от представления о влиянии на физиологические процессы в клетке только молекул каких-то веществ. Биологическое поведение может быть обусловлено незримыми силами, например мыслями, не в меньшей степени, чем химическими молекулами, например пенициллина. Данный факт подводит научное основание для нефармацевтической, энергетической медицины.

Белки-рецепторы – штука замечательная, но непосредственно они на поведение клетки не влияют. Проинформированная рецепторами о внешних сигналах, клетка должна еще предпринять адекватные ответные действия для поддержания своей жизнедеятельности. Это задача белков-эффекторов. Тандем рецепторов и эффекторов представляет собой механизм типа «раздражение – отклик», наподобие рефлекторной реакции во время медосмотра. Когда доктор ударяет вас по колену молоточком, сенсорный нерв получает сигнал и тут же передает информацию моторному нерву, который и заставляет ногу вздрагивать. По своим функциям рецепторы мембраны эквивалентны сенсорным нервам, а белки-эффекторы – моторным нервам, непосредственно вызывающим действие. В целом комплекс рецептор-эффектор действует как коммутатор, переводя сигналы из окружения клетки в ее поведение.

Значение ИМБ ученые осознали только за последние двадцать лет. Оно оказалось настолько велико, что изучение их функционирования превратилось в отдельное научное направление под названием «сигнальная трансдукция». Исследователи сигнальной трансдукции заняты тем, что пытаются классифицировать сотни сложнейших информационных путей, лежащих между восприятием мембраной сигналов окружающей среды и активацией белков, отвечающих за поведение клетки. Изучение трансдукции выводит клеточную мембрану на авансцену – точно так же, как эпигенетика устанавливает особую роль хромосомных белков.

Существует целый ряд разновидностей белков-эффекторов, управляющих поведением клетки, поскольку для обеспечения ее нормального функционирования требуется решать целый ряд задач. Например, операция транспорта белка требует участия обширного семейства канальных белков, переносящих молекулы и информацию с одной стороны мембранного барьера на другую. В связи с этим настало время вспомнить о душистом перце из нашей «бутербродной» модели. Многие из канальных белков имеют форму туго смотанного шарика и напоминают нафаршированные душистым перцем оливки из нашего примера (см. рисунок на стр. 107). Когда электрический заряд белковой молекулы меняется, она изменяет форму – так, что возникает открытый канал, проходящий сквозь ее сердцевину. Канальный белок – это, по существу, одна и та же, единая в двух лицах оливка, меняющая облик в зависимости от электрического заряда. В активном состоянии структура такого белка напоминает пустую оливку, открывающую свободный проход. А в неактивном состоянии его конфигурация сходна с нафаршированной оливкой, наглухо закрытой от внешнего мира.

Особого внимания заслуживает деятельность такого белкового канала, как натрий-калиевая АТФаза. В мембране каждой клетки насчитываются тысячи таких каналов. На их совокупную деятельность приходится едва ли не половина той энергии, которую ежедневно потребляет наш организм. Эти каналы открываются и закрываются с такой частотой, что напоминают вращающиеся двери универсама в день распродажи. С каждым оборотом такой канал выпускает наружу из цитоплазмы три положительно заряженных иона натрия и одновременно впускает внутрь два положительно заряженных иона калия из окружающей среды.

Натрий-калиевая АТФаза не только потребляет большое количество энергии, но она и поставляет энергию ничуть не хуже привычных нам батареек (если только вы не забудете удалить их перед большой грозой[17]17
  Автор имеет в виду спорное мнение о привлечении батарейками молний. – Прим. ред.


[Закрыть]). На самом деле натрий-калиевая АТФаза вырабатывает энергию гораздо лучше, чем батарейки в игрушках ваших детей, так как благодаря ей клетка превращается в постоянно перезаряжаемый биологический источник энергии.

Биологическое поведение может быть обусловлено незримыми силами, например мыслями, не в меньшей степени, чем химическими молекулами, например пенициллина.

Этот свой трюк натрий-калиевая АТФаза проделывает следующим образом. При каждом своем обороте молекула этого белка выбрасывает наружу больший положительный заряд, чем впускает внутрь. Таких молекул в каждой клетке тысячи, и каждая из них совершает по несколько сотен циклов в секунду, так что внутреннее пространство клетки приобретает отрицательный заряд, а внешнее – положительный. Об отрицательном заряде на внутренней поверхности мембраны еще говорят как о мембранном потенциале. Само собой, липидный («масляный») слой мембраны не позволяет электрически заряженным атомам (ионам) пройти сквозь барьер, так что общий заряд внутри клетки остается отрицательным. Положительно заряженная снаружи и отрицательно – внутри, клетка превращается в самозаряжающуюся «батарейку», энергия которой используется для обеспечения различных биологических процессов.

Другая разновидность белков-эффекторов, цитоскелетные белки, управляет формой и подвижностью клетки. Еще одна разновидность, называемая ферментами, способствует расщеплению или синтезу различных молекул – именно поэтому ферменты продаются в магазинах здорового питания в качестве пищевых добавок. Будучи активированы, все виды белков-эффекторов – канальные, цитоскелетные, ферменты и их производные – могут выполнять и роль сигналов, активирующих гены. Именно ИМБ и их производные выступают в качестве сигналов, которые управляют связыванием хромосомных регуляторных белков, образующих «рукав» вокруг ДНК. Вопреки расхожим представлениям, гены не контролируют свою собственную активность. «Считывание» генов, ответственных за замену изношенных и синтез новых белков, управляется мембранными белками-эффекторами, откликающимися на сигналы окружающей среды.

Как этот мозг работает

Как только я понял, как действуют ИМБ, я сделал вывод, что функции клетки формируются, прежде всего, ее взаимодействием с окружающей средой, а не генетическим кодом. Безусловно, генетические программы в молекулах ДНК ядра – уникальный объект, формировавшийся в течение трех миллиардов лет эволюции. Но при всей своей уникальности эти программы не «управляют» функционированием клетки. Даже с чисто логической точки зрения гены не могут служить раз и навсегда определенной программой жизни клетки или организма, ведь выживаемость последних определяется умением динамически приспосабливаться к изменчивому окружению.

Способность мембраны «осмысленно» взаимодействовать с окружающей средой, обусловливая поведение клетки, делает ее самым настоящим клеточным мозгом. Давайте подвергнем мембрану такому же испытанию, какому мы подвергали, пробуя ядро на роль клеточного мозга. Если разрушить мембрану, клетка погибнет точно так же, как погибнет человек, если удалить ему мозг. Даже если оставить мембрану в целости и уничтожить только лишь ее белки-рецепторы (это легко делается в лаборатории при помощи пищеварительных ферментов), клетка окажется «живым трупом». Она впадет в коматозное состояние, потому что больше не будет получать извне необходимых для своего функционирования сигналов. Аналогичным образом клетка впадает в кому, если обездвижить ее эффекторы, не трогая белки-рецепторы.

Демонстрировать «осмысленное» поведение клетка может только при наличии функционирующей мембраны, имеющей как рецепторы (обеспечивающие восприятие информации), так и эффекторы (обеспечивающие действие). Эти белковые комплексы – фундаментальные составляющие клеточного «разума». Говоря условно, их можно было бы назвать средствами «восприятия». Это восприятие определяется как «осознание элементов окружения через посредство физического ощущения». Первая часть этого определения описывает функцию мембранных белков-рецепторов, а вторая – роль ответственных за создание «физического ощущения» белков-эффекторов.

Изучая эти основные составляющие восприятия, мы предаемся чисто редукционистскому занятию – разбираем клетку на ее элементарные винтики и гаечки. В связи с этим важно отметить, что в каждый момент времени в клеточной мембране присутствуют сотни тысяч таких переключателей. Соответственно, поведение клетки невозможно понять, изучив только какой-то один из них. Чтобы понять ее поведение, необходимо принять во внимание деятельность всех переключателей в тот или иной момент. В этом состоит холистический – противоположный редукционистскому, подход, который я намереваюсь развить в следующей главе.

На клеточном уровне история эволюции есть в значительной мере история увеличения количества базовых единиц «разума» – мембранных белков-рецепторов и эффекторов. Утонченность организации достигалась клетками за счет более эффективного использования мембраны и ее растягивания, благодаря которому на ее поверхности появлялось место для новых интегральных белков. У примитивных организмов-прокариот ИМБ осуществляют все основные физиологические функции – пищеварение, дыхание, выделение. На последующих этапах эволюции участки мембраны, ответственные за эти функции, ушли внутрь, образуя покрытые мембраной органеллы, характерные для эукариотической цитоплазмы. Благодаря этому увеличилась общая площадь мембраны и, соответственно, возможное количество воспринимающих ИМБ. Учтем также, что эукариоты в тысячи раз крупнее прокариот, что влечет за собой колоссальный рост площади мембранной поверхности – а значит, и доступного места для новых ИМБ. Результатом всего этого явилась бóльшая информированность, а значит, и повышение выживаемости.

Итак, в процессе эволюции клеточная мембрана растягивалась, но этому есть физический предел. Начиная с какого-то момента истончившаяся клеточная мембрана оказывается не в состоянии удержать внутри себя большое количество цитоплазмы. Представьте себе, что вы наполняете водой воздушный шарик. Какое-то количество жидкости он вполне сможет выдержать, но если вы нальете ее слишком много, он лопнет и забрызгает все вокруг. Точно так же повела бы себя и клеточная мембрана, заполненная слишком большим количеством цитоплазмы. Когда ее толщина достигла критической величины, эволюция индивидуальной клетки подошла к своему пределу. Вот почему в первые три миллиарда лет эволюции отдельные клетки были единственными организмами на нашей планете. Ситуация изменилась, лишь когда клетки нашли новый способ увеличить свою информированность об окружающей среде. Они начали соединяться друг с другом, образуя многоклеточные сообщества. В таких сообществах клетки обрели возможность делиться своими знаниями – я говорил об этом в первой главе.

В широком смысле необходимые для выживания отдельной клетки и сообществу клеток функции – одни и те же. Но когда клетки образовали многоклеточные организмы, у них появилась специализация. В многоклеточных сообществах существует разделение труда. В особенности оно очевидно для тканей и органов, выполняющих те или иные специализированные функции. Например, в одиночной клетке дыхание осуществляется митохондриями. А в многоклеточном организме ту же функцию выполняют миллиарды специализированных клеток, образующих легкие. Еще один пример: в одиночной клетке движение возникает в результате взаимодействия белков цитоплазмы, называемых актином и миозином. В многоклеточном же организме работу по обеспечению подвижности выполняют сообщества специализированных мышечных клеток, каждая из которых содержит большое количество актина и миозина.

Я повторяю эти сведения из первой главы, потому что хочу подчеркнуть: если в отдельной клетке задачу восприятия информации об окружающей среде и включение необходимого отклика на эту среду выполняет мембрана, то в нашем организме эти функции перешли к специальной группе клеток, которую мы называем нервной системой. Вовсе неслучайно и то, что нервная система человека ведет свое происхождение из кожи эмбриона, человеческого аналога клеточной мембраны.

И повторю еще раз: несмотря на то что мы достаточно далеко отстоим от одноклеточных организмов, изучение отдельных клеток, по моему убеждению, – весьма эффективный способ исследования многоклеточных организмов. Даже такой сложнейший человеческий орган, как мозг, охотнее раскроет нам свои тайны, если мы во всех подробностях ознакомимся с работой мембраны – его клеточного эквивалента.