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]). 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.
