Биология веры: Недостающее звено между Жизнью и Сознанием

Но что придает клетке-прокариоте «разумность»? Ведь, в отличие от более высокоразвитых клеток-эукариот, в ее цитоплазме нет таких оформленных органелл, как ядро или митохондрии. Единственная клеточная структура прокариоты, которую можно рассматривать в качестве кандидата на роль ее «мозга», — мембрана.

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 клеточной 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 — так же, 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 палочке — 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. 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 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-рецепторы — 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 ИМБ-рецепторы выведены наружу и улавливают сигналы извне.

Как и все прочие белки, о строении которых мы говорили выше, ИМБ-рецепторы 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.