Биология веры. Как сила убеждений может изменить ваше тело и разум

Представьте себе, что структура этой таблицы закодирована неким геном (скажем, геном карих глаз). При помощи ручек и переключателей своего телевизионного приемника вы можете добиться появления или исчезновения настроечной таблицы, а также подстраивать целый ряд ее характеристик: цвет, оттенок, яркость, контрастность, положение по вертикали и горизонтали. Тем самым вы можете изменить характер изображения на экране, никак не воздействуя при этом на сигнал, поступающий из телецентра. Именно такова роль регуляторных белков. Исследования и синтез этих белков показали, что благодаря эпигенетическим «ручкам» одна и та же генная программа ДНК может реализоваться в виде двух и более тысяч вариантов белков.

В этой эпигенетической аналогии настроечная таблица на экране телевизора выступает в роли структуры белка, закодированной в гене. При помощи ручек управления телевизором можно изменить ее вид, не оказывая влияния на первоначальную структуру передачи (т. е. ген). Эпигенетическое управление изменяет характер реализации гена, не меняя кода ДНК.

Как жизненный опыт родителей влияет на генетику детей

Как теперь известно, такие тонкие подстройки под влиянием окружающей среды могут передаваться из поколения в поколение. В замечательной работе, опубликованной в номере журнала Molecular and Cellular Biology за 1 августа 2003 г., исследователи из Университета Дьюка доказывают, что за счет обогащенной среды можно даже преодолеть генные мутации у мышей. Ученые исследовали влияние пищевых добавок на беременных мышей – носительниц аномального «гена агути». Такие мыши имеют золотистую окраску и страдают ожирением, из-за которого становятся особо подвержены диабету, а также сердечно-сосудистым и онкологическим заболеваниям.

Сестры агути. Годовалые генетически идентичные женские особи мышей агути. Обогащенный метильными группами рацион матерей меняет окрас их потомства с золотистого на бурый, а также уменьшает частоту случаев ожирения, диабета и рака. (Фото предоставлено Джертлом и Уотерлендом©)

В ходе эксперимента группа страдающих ожирением мышей агути получала пищевые добавки, богатые метильными группами (продаются в магазинах здоровой пищи): фолиевую кислоту, витамин B 12, бетаин и холин. Богатые метилом добавки были выбраны потому, что перед тем ряд свидетельств показали, что эта группа принимает участие в эпигенетических модификациях. Прикрепляясь к молекуле ДНК, метильные группы изменяют условия для связывания с ней регуляторных хромосомных белков. Если такие белки связываются с ДНК чересчур сильно, белковый «рукав» оказывается невозможно удалить, и содержащиеся в ДНК гены не поддаются считыванию. Метилирование ДНК способно подавить или изменить генную активность.

На сей раз газетные заголовки наподобие «Диета побеждает гены» говорили чистую правду. Матери, получавшие пищевые добавки, обогащенные метильной группой, производили на свет обыкновенных бурых мышей нормальной комплекции, хотя у них присутствовал тот же самый ген агути, что и у их собственных матерей. Что же до матерей, не получавших таких добавок, то их потомки имели золотистый окрас, ели вдвое больше обычных мышат и набрали в конце концов намного больший вес, чем их поджарые сверстники «псевдоагути».

Приведенный на предыдущей странице снимок, предоставленный Университетом Дьюка, производит огромное впечатление. Будучи генетически идентичными, две мыши кардинально отличаются по внешнему виду. Одна из них поджарая и бурая, другая – тучная и желтая. Кроме того, хотя этого и нельзя увидеть на фотографии, тучная мышь страдает диабетом, а поджарая полностью здорова.

Другие исследования обнаружили, что эпигенетические механизмы являются причиной целого ряда заболеваний – онкологических, сердечно-сосудистых, диабета. Вообще говоря, только 5 % сердечников и раковых больных имеют право списывать свою болезнь на наследственность. Средства массовой информации, поднявшие большой шум вокруг открытия генов рака груди BRCA1 и BRCA2, почему-то гораздо меньше распространялись о том факте, что в 95 % случаев рак груди возникает не из-за уна следованных генов. У значительной части онкологических больных злокачественность возникает вследствие экологически обусловленных эпигенетических изменений, а не дефектов в генах. Не так давно выдающийся ученый и врач Дин Орниш открыл, что одна только смена диеты и образа жизни в течение 90 дней у пациентов с раком простаты меняет активность более чем 500 генов. Многие из этих генов изменяют биологические процессы, критически важные для формирования опухолей.

Эпигенетические свидетельства оказались столь убедительными, что некоторые особо смелые ученые даже рискнули вспомнить многократно обхаянного эволюциониста Жана-Батиста Ламарка, считавшего, что приобретенные при взаимодействии с окружающей средой признаки могут передаваться по наследству. Философ Эва Яблонка и биолог Марион Лэм в своей вышедшей в 1995 г. книге «Эпигенетическое наследование и эволюция – ламаркистский аспект» пишут: «В последние годы специалисты по молекулярной биологии установили, что геном – объект гораздо более подвижный и подверженный влиянию среды, чем предполагалось ранее. Они показали также, что информация может быть передана потомкам иными путями, нежели базовая последовательность (код) ДНК».

Итак, мы вернулись к тому, с чего начали эту главу, – к среде. В лаборатории мне приходилось неоднократно наблюдать, как перемены в окружении влияют на изучаемые мной клетки. Но только в конце моей научной карьеры в Стэнфорде я проникся этой идеей по-настоящему, когда обратил внимание, что эндотелиальные клетки, которые выстилают изнутри кровеносные сосуды, изменяют структуру и функцию в зависимости от среды. Например, если я добавлял в тканевую культуру раздражающие химические вещества, то клетки быстро превращались в некое подобие макрофагов – этих мусорщиков иммунной системы. Больше всего меня поразило, что превращение этих клеток происходило, даже если я разрушал их ДНК с помощью гамма-лучей. Эндотелиальные клетки таким образом были энуклеированы, однако они полностью меняли свое биологическое поведение в ответ на раздражающие вещества – как если бы их ядра оставались нетронутыми. Эти клетки явно служили примером некоего «разумного» управления при полном отсутствии генов.

Через двадцать лет после того, как мой учитель Ирв Кенигсберг посоветовал мне обращать внимание на среду, если с клетками что-то не в порядке, я наконец-то в полной мере оценил этот совет. ДНК не управляет живыми организмами, и ядро – не мозг клетки. Точно так же, как вы или я, клетки приспосабливаются к окружению, в котором они живут. Иными словами, для особо непонятливых: все дело в среде!

* * *

Бурлящее поле эпигенетических исследований не только придало Жану-Батисту Ламарку образ провидца – оно сделало похожим на него моего наставника, профессора Ирва Кенигсберга, вдохновившего меня на название этой главы. Опять же более чем пятьдесят лет спустя повторяю для особо непонятливых: все дело в среде!

Представьте себе Стэнфордское исследование, разрекламированное в прессе с заголовками вроде «Биология веры»! (Мне и сегодня приходится сдерживать себя, чтобы лишний раз не подчеркнуть, что новейшие исследования подтверждают выводы первого издания «Биологии веры». Это непросто, ведь долгое время мое заявление оставалось гласом вопиющего в пустыне.) Вот из U. S. News: «Окружающая среда одерживает победу над генами при формировании иммунной системы: исследования ученых». Из ScienceDaily: «Окружающая среда, а не гены, предписывает иммунные изменения у человека. Открытия ученых».

Согласно Стэнфордскому исследованию, три четверти изменений иммунной системы у однояйцевых близнецов происходили вследствие «ненаследственных» воздействий, связанных с окружающей средой, среди которых – микробы, токсины, диеты и вакцинации. По результатам этой работы воздействие факторов окружающей среды со временем сформировало иммунную систему обоих близнецов. Причем результаты у однояйцевых близнецов старше шестидесяти лет различались в большей степени, чем у близнецов младше двадцати лет. Стэнфордский микробиолог и иммунолог, ведущий исследователь Марк Дэвис заявляет: «Иммунная система здорового человека постоянно приспосабливается к встрече с враждебными микроорганизмами, дружественными кишечными микробами, пищевыми и другими компонентами, отодвигая на второй план влияние большинства наследственных факторов».

Все более очевидным становится ложность самого убеждения, будто программирование генома предсказывает, какими болезнями в жизни будут страдать люди. Что же до проекта «Геном человека», то вызванное им сомнение в традиционном понимании эволюции только увеличилось в масштабах. Когда я писал эту главу, исследования того времени предполагали, что у человека все-таки на 1 тысячу генов больше, чем у простого червя Caenorhabditis, но теперь даже это незначительное преимущество исчезло. Недавние технические достижения в чтении генов показали, что у человека их всего около 19 тысяч – или приблизительно столько же, сколько у этого червя. Более того, сегодня происхождение более 90 % генов человека отслеживается на более сотни миллионов лет тому назад – следовательно, в геноме червя и человека в основном содержатся схожие гены.

Таким образом, если вести счет эволюции в терминах генной метрики, то мы, люди, находимся значительно ниже к основанию «генеалогического древа» – картины, созданной в 1886 г. немецким эмбриологом Эрнстом Геккелем вскоре после того, как Дарвин, а потом Ламарк огласили свои представления об эволюции. У Геккеля эволюция животных прослеживается от простейших (бактерий) на стволе дерева до людей, занимающих его верхние ветви. Такая родословная имела смысл, когда ДНК расценивалась наукой как фактор управления жизнью, – ясно, что эволюционные биологи считали, что с продвижением по дереву более высокие эволюционные черты будут связаны со все большей генетической сложностью. Однако теперь, когда человек опустился к самому основанию генетического древа, стало более очевидным, что популяции генов не определяют эволюцию организма.

Вот еще один факт, который я привожу на своих лекциях в качестве предостережения против придания чрезмерного значения генам: ген кодирования кератина волос также определяет и все следующие структуры: кожу, ногти, когти, копыта и рога. То есть кодирующий синтез кератиновых белковых строительных блоков ген не контролирует способы использования молекул кератина.

Итак, кодирующие белок гены используются как строительные блоки клеток, но не определяют структуру организма или его сложность. Это ставит перед нами фундаментальный вопрос: кто же за это отвечает?

Поиски ответа приводят к следующему, совершенно неожиданному выводу из проекта «Генома человека»: гены, кодирующие белковые строительные блоки клеток, составляют менее 2 % от общего количества генома ДНК, и поэтому значительная часть ДНК не вносит вклада в популяцию белков клетки. Предположив, что эти ДНК не являются функциональными, Фрэнсис Крик обозначил их как «мусорные». Такой термин, с готовностью принятый публикой, раздражает большое число биологов, которым претит сама идея, что клетки несут в себе огромное количество «бесполезных» ДНК. Поэтому при обсуждении некодирующей ДНК генетики предпочитают использовать термин «темная материя».

Сосредоточившись на раскрытии тайн этой темной материи, консорциум ученых-генетиков создал проект Энциклопедия элементов ДНК, или ENCODE (сокращение от Encyclopedia of DNA Elements), чтобы разобраться в функциях так называемой «мусорной ДНК» генома. Исследования на момент публикации первого издания этой книги показали, что более 80 % некодирущих ДНК заняты регулированием производства и сборки белков, кодируемых генами. Большим открытием также стало, что «темные» ДНК содержат механизмы, благодаря которым информация об окружающей среде может использоваться для изменения считывания генов, кодирующих белок. Выяснилось, что темные ДНК используют эпигенетические механизмы, дающие человеческой клетке 19 тысяч генных программ, благодаря которым можно кодировать более сотни тысяч различных молекул белка!

Возможно, самым большим сюрпризом из находок консорциума, полученных по результатам 300 лет компьютерного времени, оказался вывод, что большая часть темных ДНК состоит из генетических «переключателей». Более четырех миллионов генетических переключателей в некодирующей ДНК образуют информационную кабельную систему, разобраться в которой почти невозможно. Такая система включает и выключает гены и обеспечивает механизм перезаписи структуры белка, кодируемой ДНК.

Подобная сложная информационная кабельная система напоминает мне игрушечный набор компании A. C. Gilbert Erector, от которого я был без ума в детстве. К ужасу родителей, в этот набор входили сотни запчастей, включая гайки и болты, различные металлические балки с размеченными отверстиями для сборки, шкивы, колесики, шестерни, а также маленький электромотор. Главное достоинство такого набора, как и современного конструктора LEGO в том, что пользователь может построить модель, а затем разобрать ее и без конца создавать из тех же частей нечто совершенно другое.

В аналогичном биологическом конструкторе гены являются кирпичиками физического здания, а некодирующая ДНК – «инструкцией» по сборке конкретных моделей (животных и растений) из набора, куда входят одни и те же кирпичики. Как и в конструкторе A. C. Gilbert Erector, из произведенных генами белков может быть собрано, разобрано, а затем вновь собрано множество разных организмов. Образ тела каждого организма, закодированный в темной ДНК, непосредственно связан с динамическим окружением через эпигенетические механизмы, интерпретирующие, переводящие и контролирующие активность генов, кодирующих белок.

Результаты деятельности Энциклопедии элементов ДНК существенно изменили исследовательские парадигмы, связанные с такими заболеваниями, как рак. До появления новых сведений о роли темной ДНК изучающие генетические заболевания ученые стремились лишь распознать мутации в генах генома, кодирующих белки. Но благодаря проводимой Энциклопедией оценке мы узнаем, как много связанных с заболеваниями мутаций скрывает темная материя или некодирующая ДНК, а также сколько их еще предстоит открыть. Объединив данные по проекту «Генома человека» и Энциклопедии элементов ДНК, исследователи могут распознать некодирующие участки ДНК, называемые «сверхчувствительными» областями. Эти участки мусорных ДНК показывают те же уровни мутаций, что и в кодирующих белок генах. Прочитав геномы 90 пациентов с раком груди, простаты и опухолью мозга, исследователи обнаружили около сотни мутаций некодирующих, сверхчувствительных областей, напрямую связанных с раком. Эти первые исследования таких ДНК, а также изучающие влияние некодирующей ДНК на другие заболевания сегодня находятся под пристальным вниманием.

Позитивный взгляд на жизнь, ощущение счастья и благодарности, служения и любви усиливают активность теломеразы и способствуют долгой и здоровой жизни.

Работы генетиков за последнее десятилетие не только принесли нам поразительные знания о структуре и функции некодирующих элементов генома (его «мусорной ДНК»), но и сообщили удивительные сведения, что лишь 2 % генома, кодирующих белки, влияют на здоровье и заболевания. Эти исследования проводились с участками ДНК, называемыми теломерами, находящимися на концах кодирующих белок генов. Хотя теломеры ДНК не кодируют белковые молекулы – не дают вклада в планирование структуры белка, – они обеспечивают две жизненно важные функции.

Во-первых, теломеры физически препятствуют разматыванию двойной спирали ДНК. Функция эта очень важна, потому что структурно неустойчивая, «изношенная» ДНК подвергает риску закодированную информацию для сборки функционального белка. С этой точки зрения, теломеры напоминают пластиковые наконечники на концах шнурков – эглеты. Когда эглет выходит из строя, нити на кончике шнурка расплетаются и изнашиваются, что препятствует его использованию. Сколько раз вам приходилось, испытывая свое терпение, просовывать толстый, обтрепавшийся шнурок в маленькую, крохотную проушину?

Во-вторых, теломеры служат физической основой для воспроизводства ДНК. Перед своим делением клетка должна дублировать свои ДНК так, чтобы каждая дочерняя клетка получила полный геном. В этом процессе фермент (ДНК-геликаза) расплетает двойную спираль, а большой белковый комплекс ДНК-полимераза прикрепляется к свободному концу нити ДНК. Фермент полимераза перемещается, как поезд по рельсам, вдоль всей этой нити. В этом процессе он собирает за собой дополняющую цепочку ДНК. Но когда «поезд» полимеразы доходит до конца нити, он сталкивается с технической проблемой… фермент не может дублировать ту часть ДНК, которой он равен по размеру (см. рисунок). Следовательно, всякий раз при дублировании нити ДНК она становится короче предыдущей копии, потому что «терминал» (или последний отрезок ДНК под ферментом полимеразы) не дублируется.

Репликация ДНК.

Перед копированием ДНК двойная спираль разделяется на две отдельные спиральные пряди. На схеме А фермент ДНК-полимераза, копирующий ДНК, изображен как локомотив поезда. Фермент полимераза движется по одной нити ДНК. Участок кодирования гена нити ДНК, обозначенный черными «рельсами», представляет собой последовательность оснований, кодирующих белок. Участок теломеры, обозначенный серыми «рельсами», – это некодирующая последовательность (белые «коробочки»). По мере движения полимеразы по ДНК она последовательно собирает дополнительную нитку ДНК. На схеме В новая дополнительная нить ДНК длиннее, так как полимераза скопировала больший объем изначальной нити. На схеме С полимераза достигла конца нити ДНК («рельсов»). Построение новой дополнительной молекулы ДНК завершено. Однако она короче исходного шаблона, потому что фермент полимераза не может скопировать ту часть ДНК, на которой он сам размещается (Х). Каждый раз при копировании новая нить ДНК короче предыдущей версии. После серии делений клеток длина теломеры доходит до нуля, и полимераза начинает отсекать кусочки ДНК, содержащие генетический код. Белок, синтезированный на основании укороченного кода ДНК, – некачественный и может стать причиной недееспособности клетки.

Теломеры предотвращают потерю кодирующей белок информации в ходе репликации гена, выделяя некодируемый участок ДНК, потеря которого не скажется на белке. Такая дополнительная длина ДНК позволяет «поезду» полимеразы терять часть ДНК, не ставя при этом под угрозу область, содержащую код белка. Длина теломеры определяет, сколько раз может копироваться ДНК, пока полимераза не пройдет всю кодирующую часть генома. Когда при частом делении клеток длина теломеры истощается, то последующие копии гена производят нефункциональные белки.

По мере накопления некачественного белка клетка работает с перебоями и в конечном итоге умирает, однако это происходит не так быстро! В 1960-е гг., проводя наблюдения за культивируемыми клетками, Леонард Хейфлик подсчитал, что они способны к безопасному делению на протяжении примерно пятидесяти поколений, прежде чем теломеры будут полностью утрачены, и последующие репликации ДНК станут воспроизводить дефектные белки, подвергающие риску здоровье клетки и способность к их дальнейшему делению. Понимание функции теломер привело его к убеждению, что продолжительность жизни человека определяется количеством делений стволовых клеток, которые способны при делении заменять миллиарды умирающих ежедневно клеток.

Однако не спешите впадать в депрессию из-за надвигающейся старости: у меня есть и хорошие новости! Клеточные биологи обнаружили особый фермент теломеразу, функция которого – удлинять теломеры. По своей деятельности теломераза – молекулярный эквивалент «фонтана молодости», которая повышает жизнеспособность и воспроизводство стволовых клеток. Активность теломеразы улучшает здоровье и продлевает жизнь.

Но есть одна ловушка. Жизненные переживания могут стимулировать или подавлять активность теломеразы. Например, стрессовые дородовые переживания, жестокое обращение в детстве (как вербальное, так и физическое), домашнее насилие, посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР), недостаток питания и отсутствие любви – все это препятствует активности теломеразы. Такие факторы способствуют возникновению болезней и сокращению продолжительности жизни. Зато физические упражнения, хорошее питание, позитивный взгляд на жизнь, ощущение счастья и благодарности, служения и любви – в особенности любви к себе, усиливают активность теломеразы и способствуют долгой и здоровой жизни. И действительно, недавнее канадское исследование показало, что пациенты с раком груди, которые занимались медитативной практикой наполненности ума, сохранили длину теломер, а в контрольной группе их длина стала короче.

В последующих главах мы рассмотрим этот вопрос подробнее, а пока скажу лишь, что основное влияние на длину теломер оказывает наш разум, на который воздействует программирование до возраста семи лет. И я утверждаю – ДА… мы можем сознательно сделать себя сильнее за счет активного увеличения нашей собственной теломеразы. Я буду и буду это повторять, опираясь на удивительные исследования, проведенные за последние десять лет: для особо непонятливых – все дело в среде!

Глава 3. Волшебница мембрана

Теперь, когда мы познакомились с работой белковых механизмов клетки, опровергли утверждение, что ядро клетки является ее мозгом, и установили ключевую роль, которую играет в функционировании клетки ее окружение, мы достаточно подготовлены для того, чтобы рассмотреть одну довольно-таки ценную вещицу. Нечто такое, что наверняка поможет вам отыскать смысл вашей жизни и подскажет, как ее изменить.

Настоящая глава представит вам моего номинанта на роль того истинного мозга, который управляет жизнью клетки, – клеточную мембрану. Я уверен, что когда вы поймете, как работают ее химическая и физическая основы, вы вслед за мной станете называть ее волшебницей. А когда вы соедините свое понимание деятельности волшебницы мембраны с квантовой механикой, которое приобретете из следующей главы, то поймете еще и то, насколько неправы были бульварные газеты в 1953 г. Истинная тайна жизни заключена вовсе не в прославленной двойной спирали. Она – в элегантно простых биологических механизмах этой волшебницы мембраны, при помощи которых организм преобразует сигналы окружающей среды в поведение.

В 1960-х гг. я начал изучать клеточную биологию. Если бы тогда кто-то сказал, что мембрана – это мозг клетки, то его просто-напросто подняли бы на смех. Ничего особенного в мембране ученые тогда не видели. Для них это была только лишь незамысловатая трехслойная полупроницаемая оболочка, не позволяющая вытекать цитоплазматическому содержимому.

Одна из причин такой недооценки мембраны была в том, что она очень тонкая. Толщина клеточной мембраны составляет всего лишь семь миллионных долей миллиметра. При такой толщине рассмотреть ее можно лишь в электронный микроскоп, который был разработан только после Второй мировой войны. Так что до 50-х гг. XX века биологи даже не могли экспериментально подтвердить, что клеточная мембрана существует. Вплоть до этого времени многие из них думали, что цитоплазма клетки не растекается, потому что имеет желеобразную консистенцию. Но вооружившись микроскопами, биологи установили, что все живые клетки окружены мембраной и что во всех случаях она имеет фактически одно и то же трехслойное строение. Между тем за этой простотой кроется существенная функциональная сложность.

Исследователи в области клеточной биологии открыли для себя поразительные способности клеточной мембраны, изучая самые примитивные организмы нашей планеты – прокариоты[16]. Прокариоты, к которым относятся бактерии и некоторые другие микроорганизмы, состоят только из капельки водянистой цитоплазмы, заключенной в клеточную мембрану. И хотя прокариоты представляют собой жизнь в ее наиболее примитивной форме, их существование вполне осмысленно. Они реализуют основные физиологические процессы жизнедеятельности точно так же, как и более сложные клетки. Бактерии поглощают пищу, переваривают ее, дышат, выделяют наружу отходы и даже демонстрируют «нервную» деятельность. Они способны чувствовать, где находится пища, и передвигаться к ней. Они способны распознавать опасные для себя вещества и организмы и целенаправленно избегать их для сохранения собственной жизни. Иными словами, прокариоты демонстрируют разумное поведение!

Но какая же структура придает клетке-прокариоте ее «разумность»? В ее цитоплазме нет таких явных органелл, как в более высокоразвитых клетках эукариот, например ядер или митохондрий. Единственная организованная клеточная структура, которую можно рассматривать в качестве кандидата на мозг прокариоты, – это ее мембрана.

Хлеб, масло, оливки и душистый перец

Когда я более или менее свыкся с идеей, что мембраны – неотъемлемый атрибут разумной жизни, я решил внимательно разобраться в их структуре и функциях. В результате у меня сложилась своеобразная гастрономическая аналогия (шуточная, разумеется), хорошо иллюстрирующая базовую структуру клеточной мембраны. В основе этой аналогии лежит обычный бутерброд – два куска хлеба со слоем масла между ними. Чтобы аналогия была более полной, я украсил его двумя видами оливок – обычными и нафаршированными душистым перцем. Гурманы, только не надо стонов! Когда я в одном из курсов лекций решил обойтись без своего бутерброда, слушатели тут же спросили меня, куда он подевался!

Вот простой эксперимент, демонстрирующий работу такой мембраны-бутерброда. Соорудите бутерброд из хлеба и масла (пока что без оливок). В нашем эксперименте он будет изображать участок клеточной мембраны. А теперь вылейте на него чайную ложку подкрашенной жидкости.

Как хорошо видно на втором снимке, краска проникает сквозь хлеб, но останавливается, дойдя до масла – жидкий слой посередине бутерброда оказывается довольно-таки эффективным барьером.

А теперь сделаем бутерброд с фаршированными и пустыми оливками.

Если мы теперь польем наше сооружение краской и рассмотрим его поперечное сечение, то картина будет иной. Дойдя до оливок, заполненных душистым перцем, жидкость остановится точно так же, как и в случае масла. А вот пустотелая оливка с удаленной косточкой образует в бутерброде канал, пройдя сквозь который, жидкость сможет достичь нижнего куска хлеба и просочиться на тарелку, которая в нашей аналогии выступает в роли цитоплазмы клетки. Иными словами, благодаря пустотелым оливкам подкрашенная жидкость благополучно проникает сквозь на первый взгляд непроницаемый мембранный барьер.

Для клетки чрезвычайно важно обеспечивать молекулам возможность проникать сквозь мембрану, ведь в нашей «бутербродной» аналогии подкрашенная жидкость – это необходимые клетке питательные вещества. Если бы мембрана представляла собой просто бутерброд из двух кусков хлеба и слоя масла, она представляла бы собой несокрушимый барьер, не пропускавший внутрь весь тот шумный спектр молекулярных и энергетических сигналов, который составляет окружение клетки. Но за такой неприступной крепостной стеной клетка погибнет – она просто не будет получать питательных веществ. А вот с пустыми оливками мембрана превращается в важнейший и чрезвычайно изощренный механизм, позволяющий информации и пище проникнуть внутрь точно так же, как в нашем опыте проникла внутрь ложечка подкрашенной жидкости.

В реальной клеточной биологии наши хлеб и масло соответствуют фосфолипидам – одному из двух основных компонентов мембраны. (Другой ее главный компонент – это белки-«оливки», которые мы рассмотрим чуть позже.) Полушутя-полусерьезно я называю фосфолипиды «двуличными» из-за того, что их молекулы содержат полярные и неполярные участки.

Последнее обстоятельство может показаться вам не имеющим особого отношения к двуличию, но я хочу вас заверить, что связь здесь есть. Все молекулы в нашей Вселенной можно подразделить на полярные и неполярные – в зависимости от характера связей, удерживающих вместе составляющие их атомы. В полярных молекулах связи таковы, что разные концы этих молекул имеют положительный или отрицательный электрический заряд. Поэтому они ведут себя подобно магнитам – притягивают или 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. Помните пословицу, 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 заправку для салатов по-итальянски? 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 обеспечивало бы их стабильность. Стремясь к устойчивости, полярные молекулы уксуса тяготеют к полярному водоподобному окружению, а неполярные молекулы оливкового масла – к неполярному. Что же до молекул фосфолипидов, состоящих как из полярных, так и из неполярных (липидных) участков, то им в поисках стабильности приходится туго. В то время как фосфатная часть такой молекулы тяготеет к воде, ее липидная часть отталкивает воду и пытается раствориться в жире.

Электронная микрофотография мембраны человеческой клетки. Чередование темного, светлого и еще одного темного слоев связано с ориентацией фосфолипидных молекул мембраны. Светлый средний слой (эквивалент масла в нашем бутерброде) соответствует гидрофобной области, сформированной «хвостами» фосфолипидов. Темные слои сверху и снизу липидной области (эквиваленты кусков хлеба) соответствуют фосфатным «головкам», тяготеющим к воде.

Но вернемся к нашему бутерброду. Фосфолипидные молекулы мембраны своей формой напоминают круглый леденец на палочке – точнее, на двух палочках (см. рисунок на стр. 109). Круглая часть «леденца» полярная и электрически заряжена, она соответствует хлебу в нашем бутерброде. Два «хвоста» у каждой из молекул неполярны и соответствуют в нашей модели 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 электроизолятором – что как нельзя более уместно в мембране, предназначенной для ограждения клетки от напора множества окружающих ее молекул.

Но если бы мембрана была простым эквивалентом 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. Точно так же клетка не смогла бы исторгнуть наружу отработанные шлаки – они ведь тоже поляризованы.

Интегральные мембранные белки

Поистине замечательной составляющей мембраны являются оливки нашего бутерброда. Это белки, которые позволяют питательным веществам, шлакам и другим формам «информации» переноситься сквозь мембрану. При этом белковые «оливки» пропускают в клетку не просто молекулярный мусор, а только те молекулы, которые необходимы для бесперебойного функционирования цитоплазмы. Белки, выполняющие эту функцию, называются интегральными мембранными белками (ИМБ). Они встраиваются в «масляный» слой мембраны точно так же, как оливки на моей иллюстрации.