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 натрий-калиевая 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 натрий-калиевая 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 выводят 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.
Как только я понял, как работают интегральные мембранные белки, мне стало ясно, что поведение клетки обусловлено, прежде всего, ее взаимодействием с окружающей средой, а вовсе не генетическим кодом. Безусловно, генетические программы, запечатленные в содержащихся в ядре клетки молекулах ДНК, — уникальная вещь, формировавшаяся в течение трех миллиардов лет эволюции. Но при всей своей уникальности они 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 делает ее самым настоящим клеточным «мозгом». Давайте подвергнем мембрану такому же испытанию, какому мы подвергали ядро клетки, пробуя его 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 из-за того, что не будет больше получать необходимые для своего функционирования сигналы извне. Аналогичным образом, клетка впадает в кому, если обездвижить ее белки-эффекторы.
Демонстрировать «осмысленное» поведение клетка может только при наличии функционирующей мембраны, имеющей как рецепторы (обеспечивающие восприятие информации), так и эффекторы (обеспечивающие действие). Эти белковые комплексы — основные составляющие клеточного «разума».
Впрочем, нельзя забывать о том, что, разбирая клетку на элементарные винтики и гаечки, мы рискуем впасть в редукционизм. Невозможно понять поведение клетки, изучив лишь один из ее механизмов. Необходимо рассматривать деятельность клетки в целом. В этом состоит холистический — противоположный редукционистскому — подход, который я намереваюсь развить в следующей главе.
На клеточном уровне история эволюции — это в значительной мере история увеличения количества базовых единиц «разума» — интегральных мембранных белков — рецепторов и эффекторов. Эта задача решалась клетками за счет растяжения и, соответственно, увеличения площади собственных мембран.
У примитивных организмов-прокариот клеточная мембрана осуществляет все основные физиологические функции — пищеварение, дыхание, выделение. На последующих этапах эволюции эти обязанности перешли к органеллам эукариотической цитоплазмы. В результате в мембране освободилось место для большего количества интегральных мембранных белков. Учтем также, что эукариоты в тысячи раз крупнее прокариот, что влечет за собой колоссальное увеличение площади их мембранной поверхности — а значит, и доступного места для новых интегральных мембранных белков.
Итак, в процессе эволюции клеточная мембрана растягивалась, но у этой ее способности есть физический предел. Начиная с какого-то момента, растянутая и истончившаяся клеточная мембрана уже не сможет удержать внутри себя цитоплазму. Представьте, что вы наполняете водой воздушный шарик. Какое-то количество воды он вполне сможет выдержать. Но если вы будете упорствовать, шарик лопнет и вода забрызгает все вокруг. Когда клеточная мембрана растянулась до критической величины, эволюция индивидуальной клетки подошла к своему пределу. Тогда отдельные клетки, которые в первые три миллиарда лет эволюции были единственными организмами на нашей планете, нашли новый способ увеличить свою информированность об окружающей среде. Они начали объединяться, образуя многоклеточные сообщества, — я говорил об этом в первой главе.
В целом, и отдельной клетке, и многоклеточному организму приходится, во имя собственного выживания, решать одни и те же задачи. Разница лишь в том, что, когда клетки образовали многоклеточные организмы, у них появилась специализация. В многоклеточных сообществах существует разделение труда, что хорошо видно на примере тканей и органов, выполняющих те или иные специализированные функции. В одиночной клетке дыхание осуществляется митохондриями; 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 организме работу по обеспечению подвижности выполняют сообщества специализированных мышечных клеток, каждая из которых содержит большое количество актина и миозина. И, самое главное, если в отдельной клетке задачу восприятия информации об окружающей среде и необходимого отклика решает клеточная мембрана, то в нашем организме эти функции перешли к специализированной группе клеток, которую мы называем нервной системой!
Повторю еще раз: несмотря на то, что мы достаточно далеко отстоим от одноклеточных организмов, нам есть чему у них поучиться. Даже такой сложнейший орган, как человеческий мозг, охотнее раскроет нам свои тайны, если мы во всех подробностях ознакомимся с работой его клеточного эквивалента — мембраны.
Как вы уже поняли, в последнее время ученые значительно продвинулись в разрешении многочисленных загадок обманчиво простой клеточной мембраны. Но в самых общих чертах ее функции были известны еще двадцать лет назад. Собственно говоря, именно тогда я впервые осознал, что изучение клеточной мембраны имеет далеко идущие последствия. Озарение, которое на меня снизошло, можно сравнить с реакцией перенасыщенного химического раствора. Такие растворы выглядят как обычная вода, но стоит добавить в емкость хотя бы крупинку растворяемого вещества, и оно все целиком выпадает на дно емкости в виде огромного кристалла.
