Хлеб, масло, оливки и душистый перец

Более или менее свыкшись с идеей, что клеточные мембраны — неотъемлемый атрибут разумно организованной жизни, я решил как следует разобраться в их структуре и функциях. В результате у меня получилась своеобразная гастрономическая аналогия (шуточная, разумеется). Представьте себе бутерброд — два куска хлеба со слоем масла между ними. Чтобы аналогия была более полной, украсим наш бутерброд двумя видами оливок — обычными и фаршированными душистым перцем. (Я слышу возмущенные протесты гурманов!)

Теперь проведем простой эксперимент. Соорудим бутерброд (пока без оливок) — в нашем эксперименте он будет изображать участок клеточной мембраны. Затем выльем на него сверху чайную ложку подкрашенной жидкости.

Как хорошо видно на фотографии, подкрашенная жидкость проникает сквозь верхний кусок хлеба, но ее останавливает масло.

Теперь сделаем еще один бутерброд и натыкаем в масло фаршированных и нефаршированных оливок. Польем его окрашенной жидкостью и посмотрим, что у нас получилось. Оливки, фаршированные душистым перцем, остановили окрашенную жидкость не хуже масла.

А вот пустотелая оливка с вынутой косточкой образует в бутерброде канал, пройдя сквозь который жидкость достигает нижнего куска хлеба и просачиваться на тарелку.

В нашей аналогии бутерброд — это трехслойная, на первый взгляд непроницаемая клеточная мембрана; хлеб и масло соответствуют одному из двух основных компонентов клеточной мембраны — фосфолипидам (полушутя-полусерьезно я называю их «двуличными»); другой основной компонент кле

точной мембраны — белки, в нашем случае — оливки, мы рассмотрим чуть позже; тарелка — цитоплазма клетки, а окрашенная жидкость — информация и жизненно необходимые клетке питательные вещества.

Если бы мембрана была неприступной крепостной стеной, клетка попросту погибла бы от голода. Но благодаря пустотелым оливкам мы увидели, что мембрана представляет собой очень важный, чрезвычайно изощренный механизм, благодаря которому информация и питательные вещества проникают внутрь клетки — также как окрашенная жидкость проникла сквозь бутерброд.

Что касается «двуличных» фосфолипидов клеточной мембраны, я называю их так потому, что они состоят из двух родов молекул — полярных и неполярных. Вам может показаться, что последнее обстоятельство не имеет никакого отношения к двуличию, но хочу вас заверить, что это не так. Все молекулы в
нашей Вселенной можно подразделить на полярные и неполярные — в зависимости от характера связей, которые удерживают вместе их атомы. Разные концы полярных молекул имеют положительный и отрицательный электрический заряд. По этой причине они, подобно магнитам, притягивают либо 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. Вспомните, 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 смеси для заправки салатов по-итальянски? Вспомните: 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 обеспечивает их стабильность. Стремясь к стабильности, полярные молекулы уксуса тяготеют к полярному окружению, а неполярные молекулы оливкового масла — к неполярному.

Ищущим стабильности молекулам фосфолипидов, имеющим как полярные, так и неполярные (липидные) части, приходится туго. В то время как фосфатная часть такой молекулы тяготеет к воде, ее липидная часть отталкивает воду и тянется к жиру.

Фосфолипидные молекулы мембраны своей формой напоминают круглые леденцы на палочках — точнее, на двух палочках (см. иллюстрацию). Круглая часть «леденца» полярно электрически заряжена; в нашей аналогии с бутербродом она соответствует хлебу. Две «ножки» каждой из молекул неполярны и соответствуют в той же аналогии слою масла. Изза своей неполярности «масляный» слой мембраны не позволяет положительно или отрицательно заряженным атомам и молекулам проходить сквозь нее. По существу, этот липидный внутренний слой является электрическим изолятором — качество, как нельзя более уместное в мембране, ограждающей клетку от напора множества окружающих ее молекул.

Но если бы мембрана была простым эквивалентом обычного 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. И точно так же клетка не смогла бы исторгнуть наружу отработанные шлаки — они ведь тоже поляризованы.

Однако клеточная мембрана содержит еще один, поистине гениальный компонент, представленный в нашем бутерброде оливками. Это так называемые интегральные мембранные белки (ИМБ), которые позволяют питательным веществам и шлакам проходить сквозь мембрану. ИМБ, встроенные в «масляный» слой мембраны точно так же, как оливки на моей иллюстрации, пропускают в клетку только те молекулы, которые нужны для бесперебойного функционирования ее цитоплазмы, и непроходимы для всякого молекулярного мусора.

Как же удается ИМБ внедриться в «масло» мембраны? Вспомните, что белки представляют собой линейные цепочки связанных друг с другом аминокислот, одни из которых 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, отыскав окружение, тяготеющее к жирам, — в данном случае речь идет о липидной сердцевине мембраны (см. стрелку на рисунке). Именно таким образом гидрофобные части белка встраиваются во внутренний слой мембраны. Из-за того; что некоторые области белковой цепочки состоят из полярных аминокислот, а другие из неполярных, белковая молекула изгибается внутри и снаружи нашего «бутерброда».

Существует масса разновидностей ИМБ, но все они могут быть подразделены на две функциональные группы: белки-рецепторы и белки-эффекторы.

ИМБ-рецегтторы — это органы чувств клетки, эквивалент наших глаз, ушей, носа и т. д. Они действуют как молекулярные «наноантенны», настроенные на восприятие определенных сигналов внешнего окружения. Одни ИМБ-рецепторы погружены внутрь клетки и отслеживают состояние ее внутренней среды; другие же ИМБ0рецепторы выведены наружу и улавливают сигналы извне.

Как и все прочие белки, о строении которых мы говорили выше, ИМБ0рецепторы переходят от неактивной к активной конформации, 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 она принимает «активную» конформацию.

У клетки имеются нужным образом настроенные белки-рецепторы для всех внешних сигналов, которые необходимо улавливать. Некоторые белки-рецепторы реагируют на сигналы физического характера, — например, эстрогенный рецептор, устройство которого в точности соответствует конфигурации и заряду молекулы белка эстрогена (аналогичным образом, гистаминные рецепторы по своей конфигурации соответствуют молекулам гистамина, инсулиновые рецепторы — молекулам инсулина и т. д.). Когда молекула эстрогена оказывается рядом с эстрогенным рецептором, он надежно сцепляется с ней, подходя, как ключ к замку. Как только это происходит, электрический заряд эстрогенного рецептора перераспределяется и он переключается в свою активную конформацию.

«Наноантенны» белков-рецепторов также способны улавливать колебания энергетических полей, таких, как свет, звук и радиоволны. Такие «антенны» вибрируют наподобие камертона, и если колебания энергии во внешней среде оказываются в резонансе с антенной белка-рецептора, в нем происходит перераспределение заряда и он изменяет свою конфигурацию [Tsong 1989]. Я остановлюсь на этом более подробно в следующей главе, а сейчас хочу подчеркнуть вот что: коль скоро белки-рецепторы могут воспринимать энергетические поля, нам необходимо отказаться от представления, что на физиологические процессы в клетке могут влиять только молекулы того или иного вещества. Поведение клетки может быть обусловлено незримыми силами, такими, как мысль, в не меньшей степени, чем пенициллином. Вот надежный научный фундамент для нефармацевтической, энергетической медицины.

После того как белки-рецепторы проинформируют клетку о внешних сигналах, ей надлежит предпринять адекватные ответные действия, направленные на поддержание своей жизнедеятельности. Это задача белков­-эффекторов. В целом тандем рецепторов и эффекторов можно назвать коммутатором. Он функционирует по типу «раздражение — отклик», наподобие той рефлекторной реакции, которую невропатологи проверяют во время медосмотра. Когда врач ударяет вас по колену молоточком, ваш сенсорный нерв получает сигнал и тут же передает информацию моторному нерву, который и заставляет ногу дергаться. По своим функциям белки-рецепторы клеточной мембраны эквивалентны сенсорным нервам, а белки-эффекторы — моторным нервам, вызывающим действие.

Поскольку клетке для обеспечения ее нормального функционирования требуется решать целый ряд задач, существует множество разновидностей белков-эффекторов. Операция белкового транспорта требует участия обширного семейства так называемых канальных белков, переносящих молекулы и информацию с одной стороны мембранного барьера на другую. В связи с этим нам настало время вспомнить о душистом перце из нашей «бутербродной» модели. Многие канальные белки имеют форму туго смотанного клубка и напоминают фаршированные душистым перцем оливки. Когда электрический заряд канального белка меняется, он изменяет форму — так, что возникает открытый канал, проходящий сквозь сердцевину его клубка. Канальный белок — это, по существу, одна и та же, единая в двух лицах, «оливка», меняющая свой облик в зависимости от электрического заряда. В активном состоянии его структура напоминает пустотелую оливку, открывающую свободный проход. В неактивном состоянии он похож на фаршированную, наглухо закрытую от внешнего мира оливку.

Особого внимания с нашей стороны заслуживает деятельность такого канального белка, как натрий-калиевая АТФаза. В мембране каждой клетки их насчитываются тысячи. На совокупную деятельность натрий-калиевых АТФаз приходится едва ли не половина той энергии, которую ежедневно потребляет наш организм, поскольку они открываются и закрываются как вращающиеся двери большого универмага в день распродажи. С каждым оборотом натрийкалиевая АТФаза выпускает наружу из цитоплазмы три положительно заряженных иона натрия и одновременно впускает внутрь два положительно заряженных иона калия из окружающей среды. Однако она не только потребляет большое количество энергии, но и поставляет энергию ничуть не хуже привычных нам батареек — и даже лучше, так как благодаря ей клетка превращается в постоянно перезаряжаемый источник энергии.

Этот свой трюк натрийкалиевая АТФаза проделывает следующим образом. При каждом своем обороте она 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. В результате внутреннее пространство клетки имеет отрицательный заряд, а внешнее — положительный. Об отрицательном заряде на внутренней поверхности мембраны говорят как о мембранном потенциале. Само собой, липидный («масляный») слой мембраны не позволяет электрически заряженным атомам (ионам) пройти сквозь ее барьер, так что общий заряд внутри клетки всегда остается отрицательным. Положительно заряженная снаружи и отрицательно заряженная внутри, клетка, по сути, превращается в самозаряжающуюся «батарейку», энергия которой используется для обеспечения различных биологических процессов.

Другая разновидность белков-эффекторов — цитоскелетные белки. Они управляют формой и подвижностью клетки. Еще одна разновидность белков-эффекторов — ферменты, способствующие расщеплению и синтезу различных молекул — именно поэтому ферменты входят в состав пищевых добавок, которые продаются в магазинах здорового питания. Будучи активированными, все виды белков-эффекторов канальные белки, цитоскелетные белки, ферменты и их производные — в свою очередь могут активировать гены.

Значение интегральных мембранных белков ученые осознали только в последние годы, и сегодня исследования обеспечиваемой ими трансдукции сигналов в клетке быстро превратились в целое научное направление. Ученые стараются классифицировать сотни сложнейших информационных путей между восприятием клеточной мембраной сигналов окружающей среды и активацией белков, отвечающих за поведение клетки. Исследования трансдукции сигналов выводит клеточную мембрану на авансцену науки — вслед за изучаемыми эпигенетикой хромосомными белками.

Итак, вопреки расхожим представлениям, гены не управляют собственной активностью. Это делают интегральные мембранные белки и их производные, от которых зависит связывание хромосомных регуляторных белков, образующих «рукав» вокруг ДНК. Иными словами, «считывание» генов, ответственных за замену изношенных и синтез новых белков, контролируется мембранными белками-эффекторами, откликающимися на сигналы окружающей среды.