Например, изучение потенциала клеточной мембраны, о котором говорилось выше, открыло для биологов-эволюционистов новые способы мышления, ведь ранее они изучали лишь роль сигналов молекул (гормонов, нейротрансмиттеров и других химических агентов) в управлении проектирования и создания частей тела. В 2011 г. группа биолога Майкла Левина из Центра регенеративной биологии и биологии развития в Университете Тафтса изменила биоэлектрическое напряжение в мембранах клеток головастиков. Удивительно, что в результате смены мембранного потенциала в клетках от спины до хвоста головастиков, полностью сформированные глаза выросли на спинах и на хвостах, а совсем не там, где они обычно растут. По мне, это впечатляющее доказательство свойств волшебницы мембраны!
Ключом к успеху исследования этой команды стало их открытие, что в период развития эмбриона головастика мембранный потенциал клеток, отвечающий за образование глазных капелек, составляет примерно от –70 до –20 милливольт. Благодаря вводу в мембраны клеток спины и хвоста головастиков ионно-кальциевых белковых каналов с регулируемым напряжением, группа Левина в своей лаборатории индуцировала в той же капельке напряжение –20 милливольт, вызвавшее рост глаза целиком. Исследование это поразительно потому, что оно дает возможность исправить врожденные дефекты и обновлять поврежденные человеческие органы. Оно также подчеркивает тот факт, что мембрана управляет поведением клетки не через химические, а «электрические» (подробнее в следующей главе!) сигналы извне. «Помимо прикладного использования новой глазной техники в регенеративной медицине, это еще и первый шаг к взламыванию биоэлектрического кода», – заявил Левин.
Исследования мембраны также способствовали восстановлению репутации холестерина, долгое время порицаемого как виновника таких современных заболеваний, как сердечные расстройства, сердечные приступы и инсульт. Высокий уровень холестерина, наряду с другими факторами, присутствует у 35 % больных сердечно-сосудистыми заболеваниями. Холестерин также скапливается в местах поврежденных сосудов, где клетки эндотелия – внутренней облицовки кровеносных сосудов – покрыты капельками этого вещества. Однако я предлагаю более детальный взгляд на холестерин, который упускают из виду, поспешно его демонизируя. Холестерин – это липидная молекула, жизненно важная для нашего повседневного выживания. Например, он предшествует синтезу важных стероидных молекул, среди которых соли желчных кислот, используемые в пищеварении, регуляторных стероидных гормонов эстрогена и кортизола, а также витамина D.
Холестерин, если быть ближе к теме этой главы, является важным компонентом мембраны, чьи функции обеспечивают выживание 50 триллионов клеток, что немаловажно и для нашего выживания. Он помогает мембране поддерживать очень важное сбалансированное действие: мембрана должна быть достаточно жесткой, чтобы физически сопротивляться напряжению заключенной в ней цитоплазмы, но в то же время достаточно эластичной, чтобы обеспечить гибкость, нужную для движения клеток.
Подвижность мембраны также очень важна при управлении функцией «мозга» клетки, поскольку она сказывается на способности к чтению и реагированию на информацию из окружающей среды. Для своего нормального функционирования ИМБ, в виде молекул рецептора и эффектора, должны взаимодействовать между собой, свободно циркулируя во внутренней части мембраны – ее маслолюбивого и гидрофобного ядра. Именно вязкость липидного ядра мембраны отвечает за способность белка свободно перемещаться. Если бы мембрана состояла только из фосфолипидных молекул, она была бы довольно подвижной, что повышало бы мобильность ИМБ, но при этом она была бы недостаточно жесткой, чтобы выдержать давление заключенной внутри цитоплазмы.
Молекула холестерина более жесткая, чем молекулы фосфолипидов. Поэтому при вводе холестерина в мембрану он обездвиживает окружающие фосфолипидные молекулы, создавая дополнительную жесткость, усиливающую мембрану, и препятствует притоку небольших ионов и молекул в клетку. Введенный холестерин, кроме того, создает дополнительное пространство между молекулами фосфолипидов – такое пространство удерживает их от «гелеобразования», при котором молекулы фосфолипидов из жидко-маслоподобного состояния перешли бы в твердо-маслоподобное. Таким образом, помимо функции усиления мембраны, холестерин действует как анти фриз, обеспечивая белкам и липидам более свободное перемещение.
Как ни странно, молекулы жесткого холестерина мембраны также могут ограничивать движения ИМБ. При соединении кластеров молекул холестерина с классом липидов, называемым сфинголипидами, они формируют структурно жесткие «рафты» (от англ. «затор»), ограничивающие движение попавших в ловушку ИМБ. Такое препятствие движению ИБМ – еще один пример объединения ради общего блага. Рафты играют роль «загонов», где кластеры ИМБ собираются в группы для совместной работы по контролю особых клеточных функций. Холестериновые рафты – клеточный эквивалент краткосрочной памяти, так как содержащиеся в них ИМБ представляют собой информацию о различном поведении клетки.
Такие жизненно важные функции говорят в пользу того, что холестерин нужно рассматривать не как страшного и опасного злодея, но как простого пехотинца, выполняющего свой долг по команде сверху. Лично я никогда не склонялся к тому, чтобы считать холестерин причиной сердечных заболеваний. При переходе от непринужденной жизни лектора на Карибах к куда более нервозной жизни ученого в исследовательской машине Стэнфорда, я проработал некоторое время в лаборатории Университета штата Пенсильвания. Я в шутку называл ее полустанком, а руководил им талантливый ученый Теодор М. Холлис, с которым я познакомился, когда он приехал на остров читать лекции в медицинской школе.
Когда я навестил его в лаборатории, Тед показал мне образцы крови особой породы крыс, используемой им для изучения атеросклероза у людей – при котором артерии уплотняются и сужаются, что делает его самым распространенным смертельным заболеванием в Соединенных Штатах. В организме этих животных было столько холестерина, что кровь их сделалась молочно-белой. Несмотря на явно токсичный уровень холестерина, у этих крыс не формировались эндотелиальные клеточные бляшки, что типично для атеросклеротических кровеносных сосудов. Секрет состоял в том… что помимо холестерина, Тед добавлял также безрецептурное антигистаминное лекарство (то самое, к которому вынуждены регулярно обращаться аллергики). Антигистамины ставили под сомнение явную роль холестерина в формировании атеросклерозных бляшек, поэтому работа Теда доказывала, что одно только присутствие холестерина не приводило к нарушениям функций кровеносных сосудов.
Поскольку антигистамины защитили крыс, то исследования Теда указывали на другого виновника – гистамин. (Примечание: хотя мой друг Тед и провел удивительное исследование на крысах, я не сторонник того, чтобы люди пичкали себя антигистаминами! Сейчас можно делать лишь предварительные выводы, и слишком часто биомедицина спешит с выпуском препарата, до конца не понимая его побочные эффекты.) Гистамин – гормон, связанный со стрессом, он подготавливает тело к борьбе с ожидаемыми травмами и воспалениями, когда воспринимаемый стрессовый фактор активирует реакцию «бей или беги». Спустя десятилетия роль гистамина в стимулировании атеросклероза была доказана. В недавнем исследовании на мышах гены, отвечающие за синтез гистамина, были выключены «экспериментальным методом». Такие генетически измененные мыши, неспособные вырабатывать гистамин, сопротивлялись влиянию стрессовых факторов, приводивших к воспалению и атеросклерозу у контрольных животных. Причем защитные эффекты, наблюдаемые у мышей без гистаминов, не зависели от уровня холестерина в сыворотке. Полученные при исследованиях на животных результаты подчеркивают роль, которую играют хронический стресс и выработка гистамина в начальной стадии и при обострении атеросклероза, а также при развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Вопреки расхожему мнению, что холестерин является виновником сердечных заболеваний, патология сердечно-сосудистой системы в основном может быть вызвана стрессовыми факторами окружающей среды, а не биохимическими дисфункциями.
