Клуб випускників МДУ Чомуми не розуміємо живу клітину, або Міфи молекулярної біології
Л. Б. Марголіс, доктор біологічних наук Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова
Ніхто не пророк у своїй вітчизні. Навіть якщо це батьківщина США. Гюнтер Альбрехт-Бюлер (Gunter Аlbrecht-BuehIer) - видатний біолог із Північно-Західного університету Чикаго відомий не надто багатьом фахівцям з клітинної біології. Свого часу він виконав низку важливих робіт з руху клітин у культурі, ролі цитоскелета у визначенні форми клітин, руху ядер. Мабуть, широке коло дослідників знайоме лише з його статтею про маркування треків клітин за допомогою частинок колоїдного золота.
Багато хто з нас усвідомлює, наскільки мало ми розуміємо, як працює клітина. І це незважаючи на багаторічні зусилля багатьох лабораторій! Можна навести чимало прикладів, коли талановиті люди, які багато встигли у фізиці, хімії, математиці або навіть в інших розділах біології, не досягають суттєвих успіхів, переключившись на проблеми біології клітини. Очевидно, клітинна біологія - наука наступного порядку складності проти "елементарними" фізикою, хімією чи математикою.
Останні роки ми все більше сподіваємося на успіхи молекулярної біології, яка пояснила нам багато чого у функціонуванні клітинного геному. А чи може ця наука пояснити клітину загалом? Негативна відповідь на це питання міститься в заголовку статті Альбрехт-Бюлера. Але насправді вона ширша за свою назву. У ній показано як безперспективність " молекулярного " аналізу загальних клітинних процесів, а й неадекватність наших біохімічних уявлень. Причина – в особливостях біологічних законів. Хоча ці закони не суперечать фізичним, але вони з них і не випливають.
Перше, що,на думку Альбрехт-Бюлера, слід зрозуміти клітинним біологам - це відмінність світу клітини від навколишнього макроскопічного світу. Якоюсь мірою його так само неможливо уявити, як світ елементарних частинок. Почнемо з того, що внутрішньоклітинне середовище не схоже на водні розчини реакційноздатних сполук, про які написані всі підручники біохімії.
Як популярна ілюстрація того, як світ клітини відмінний від нашого, Альбрехт-Бюлер пропонує розглянути пляшку вина заввишки 28 см з діаметром шийки 2 см. Якщо її розміри зменшити всього в 10 разів, вино не виливатиметься навіть із перевернутої пляшки: меніск майже не змінить свою форму. Вино поводитиметься, як гель. Причина цього проста: діаметр шийки зменшився в 10 разів, у стільки ж і поверхневий натяг, а маса вина приблизно в 10-3 разів. Така маса вже не може подолати поверхневий натяг на межі розділу рідина – повітря.
У нормальній клітині, як і у вині, приблизно 85% води, але розмір середньої клітини менший за пляшку в 28 тис. разів. Іншими словами, її маса менша за масу пляшки вина приблизно в 28000 3
2х10 13 разів, а поверхневий натяг - всього 2,8х10 4 тобто. сила тяжкості у клітинах не відіграє помітної ролі. Ієрархія сил у клітинах зовсім інша, ніж у нашому світі. Для клітини більше значення має в'язке тертя, броунівський рух, електростатичні сили. При настільки значних відмінностях між масою та поверхневим натягом крапля води набула б форми ідеальної кулі. Більшість клітин, навпаки, поверхня сильно деформована, є вирости, ворсинки тощо. п. Справа у цьому, що цитоплазма клітини непросто гелеобразная, але високо структурована. Вона вся пронизана нитками цитоскелета, розділена мембранами. Інженерні завдання, які вирішує клітина,не схожі на розв'язувані інженерами.
Зі специфікою внутрішньоклітинного середовища пов'язані й проблеми молекулярного пояснення клітинних функцій. Дійсно, взаємодіючі молекули в клітині не плавають вільно, як у пробірці з водним розчином, а переважно іммобілізовані на полімерних структурах цитоскелета або мембранах. Реакції відбуваються майже як у твердому тілі. Через це хімія клітини дуже далека від викладеної в університетських курсах. Швидше, внутрішньоклітинні реакції адекватніше може описувати хімія іммобілізованих ферментів. (Між іншим, сильна школа хіміків цього напряму існує в нашій країні.)
До речі, з наведених міркувань зрозуміло, чому порівняно успішно розвивається, наприклад, наука про клітинні мембрани. З початку їх вивчення було ясно, що з властивостей фосфоліпідів, які утворюють верстви і міцели, звичайна " водна " хімія до них не застосовна, отже довелося створювати іншу - " гідрофобну " . А в більш старих розділах, скажімо у проблемі внутрішньоклітинного транспорту, прогрес вкрай обмежений, можливо, саме тому, що ми все ще уявляємо цей процес як перенесення комплексів молекул через водне середовище, якого насправді в клітці по суті немає.
Взагалі, у своїй роботі Альбрехт-Бюлер багато уваги приділяє структурованості цитоплазми. Наголос в основному робиться на лінійні структури: хромосоми, мікротрубочки, мікрофіламенти. Автор припускає, що вздовж таких структур можуть передаватися сигнали за рахунок локальної асоціації та дисоціації молекул вздовж структури. Він вважає, що вздовж ДНК рухаються "бульбашки" - або розплетені гіразою нитки дволанцюжкової ДНК, або просто виникають через температурні флуктуації. Цілком ймовірно, що природа могла використовувати такий механізм передачі сигналу.
Чомусь Альбрехт-Бюлер не розглядає у тому аспекті мембрани. Адже вздовж них теж здатні поширюватись різні сигнали. Мембрани можуть регулювати і тип хімічних перетворень: завдяки їм у цитоплазмі, можливо, створюються структуровані та неструктуровані області. В останніх все ж таки може працювати і більш знайома нам "водна" біохімія, тоді як у перших - тільки хімія іммобілізованих молекул.
Важко уявним для нашої уяви робить клітину та її близькість до квантово-механічного світу. Розмір молекул у клітинах саме такий, що вони знаходяться на межі між детерміністським світом класичної механіки та недетерміністським квантовою. Скажімо, ДНК хромосом можна зважити і одночасно визначити її положення та швидкість при мітозі. Але сама структура подвійної спіралі підтримується водневими зв'язками, які підпорядковуються законам квантової механіки.
Ще одна специфіка, пов'язана з мікроскопічними розмірами клітини, – невелика кількість копій молекул кожного виду: 10-100 штук. Це дуже мало, щоб застосовувати такі поняття, як концентрація, величина рН, константа зв'язування - поняття, вироблені для розчинів у пробірках. Наприклад, 1 мкг білка з молекулярною вагою 30 тис. (близько 3 пкМ) містить 2х1012 молекул. Порівняємо це з типовими величинами у клітині: копій генів зазвичай від 1 до 10, репресорів – сотні. У клітині в середньому менше 4 молекул гормону росту або хемоаттрактанту. Навіть у великій ділянці навколо клітини, наприклад 10 -3 см (у 26 разів більше клітинного об'єму), при звичайній концентрації гормону (1 пкМ) виявиться всього близько 8 молекул. Навколо індивідуального рецептора більшу частину часу взагалі немає молекул гормону.
Доречно зауважити, що вже 2 роки тому Альбрехт-Бюлер надрукував роботу, в якійвикористовуючи подібні міркування, порушував питання, що таке внутрішньоклітинне значення рН, важливе, як вважається, для запуску багатьох внутрішньоклітинних процесів. Можна підрахувати, що обсяг кишкової палички всього 120 вільних протонів. Важко собі уявити, як вони можуть контролювати сотні чи тисячі хімічних реакцій, які одночасно протікають у клітині. Це стає ще менш зрозумілим, якщо згадати, що ці 120 "контролюючих" протонів діють на тлі приблизно 1 млн аналогічних іонів, що з'являються і зникають при асоціації та дисоціації води.
Так чи інакше, хімічне поняття концентрації, яке застосовується до мас молекул і засноване на усередненні їх властивостей, не застосовується, коли рахунок йде на штуки. Тому зовсім неадекватне використання констант Больцмана, рівноваги, зв'язування. Небагато залишає нам Альбрехт-Бюлер з біохімічного арсеналу)
Біолог на це запитання відповідає так: "По-перше, опис біологічних процесів через елементарні частинки було б надто громіздким, а по-друге, при переході до елементарних частинок ми втратимо різницю між біологічною ("живою") та небіологічною ("неживою") системами". Але ж вся ідеологія молекулярного аналізу якраз і полягає в тому, щоб звести біологічне явище до фізичного чи хімічного. Чому ж тоді не виявити послідовність і не перейти до фундаментальніших фізичних понять? Що ж до громіздкості, молекулярно-біологічний опис значно більш громіздкий, ніж клітинно-біологічний, який оперує органелами, мембранами, нитками цитоскелета, тобто надмолекулярними поняттями. Тим часом, такий аналіз вважається описовим, кажуть, що це вчорашній день науки.
До речі, у самій фізиці, яка не страждає, як біологія, комплексомнеповноцінності, ніхто не намагається замінити термодинаміку або гідродинаміку рівняннями квантової механіки, хоча, в принципі, можна описати роботу двигуна в термінах рівнянь Шредінгера. Може бути, і біологам потрібно взяти на озброєння принцип економії мислення Маха і використовувати все-таки надмолекулярні описи, в яких вже інтегровані взаємодії багатьох макромолекул?
Для фахівця з квантової механіки молекула – це рішення рівняння Шредінгера, для хіміка – скоріше, структура Кекуле, для кристалографа – хмари електронів різної щільності. Спектроскопіст наголосить на розмірах та електричному дипольному моменті, які, як він точно знає, і визначають інфрачервоний та романівський спектри. Фізик-ядерник в першу чергу пам'ятає про те, що лінійні розміри атомних ядер у 1000 разів менші, ніж розміри атомів, так що молекула - це взагалі порожнеча, заповнена складними електромагнітними полями і розрідженим електронним газом. Фахівець з фізики високих енергій уявляє дома молекули упаковки елементарних частинок; відстані між упаковками порядку розмірів атомного ядра, а сили настільки слабкі, що їх можна знехтувати.
Для біолога молекула і зовсім не схожа ні на що реальне, перераховане вище. Для нього молекула білка - це або малюнок субодиниць і функціональних груп з виділеними ділянками та спіралі, або взагалі ланцюжок символів типу "Туг" або "Ser", з'єднаних рисками, а то й просто смужка в гелі. Але якщо це і є наші молекули, що таке молекулярний аналіз, на якому ми так наполягаємо?
Але схожими уявленнями оперують і молекулярні біологи, описуючи роботу хромосоми як конкуренцію між окремими генами за власні егоїстичні цілі. Аналогічні гіпотези були висунуті профункціонування мозку як конкуренції нейронів за проведення імпульсу Автор вважає, як і 10 13 молекул, у тому числі складається клітина, організуються разом завдяки подібним законам. За аналогією та взаємини органел у клітині теж можна розглядати таким чином.
З букв текст не складеться. Легко можна передбачити негативний результат уявного експерименту змішування всіх 10 13 клітинних молекул, оскільки знадобилося б принаймні ще знати положення всіх молекул та їх швидкості, а це неможливо хоча б через принцип невизначеності. Молекул дуже багато для розумного молекулярного опису. Потрібна загальна теорія, що оперує надмолекулярними структурами.
Це твердження дещо суперечить висловленому раніше: молекул надто мало застосування хімічних понять. Можна, виправдовуючись, сказати, що міркування стосувалися лише деяких типів молекул. Крім того, як зазначалося, завдяки різним внутрішнім структурам цитоплазми можуть співіснувати різні типи хімічних перетворень.
Втім, обидва твердження – і що молекул занадто мало, щоб користуватися стандартними біохімічними поняттями, і що їх надто багато, щоб сподіватися дати адекватний молекулярний опис клітинних процесів, – парадоксальні. А парадокси переконують. Тому приймемо ще один парадокс - заява Альбрехт-Бюлера: "Завдання клітинної біології - дослідження того, як інтегруються в одне функціональне ціле фізичні та хімічні реакції всередині однієї клітини. Чим більше ми входимо в молекулярні деталі, тим далі уникаємо вирішення цього завдання".
Ось так! І жодних молекулярних підходів!
Принаймні після неї займатися біологією клітини так, як ми займалися раніше, вже неможливо.