Теоретична біологія свідомості
В основі рецепції лежить властивість біоструктур клітинного рівня переходити від стану спокою у збуджений стан під дією зовнішніх подразників та трансформувати енергію подразнення в інформаційний імпульс (нервовий, гуморальний, електромагнітний, акустичний). Чільну роль у формуванні збудження клітини грають структура та функціональний стан її цитоплазматичної мембрани. Як відомо, цитоплазматичні мембрани являють собою подвійний шар фосфоліпідних молекул з вбудованими або білками, що примикають до нього, і комплексами небілкового походження, що включають стероїдні гормони, простагландини, іони металів тощо (рис. 1).
Не зупиняючись на описаних у численній спеціальній літературі біофізичних і фізико-хімічних властивостях цих мембран, виділимо їх лише найважливіші з погляду розуміння механізмів клітинної рецепції.
Для нормально функціонуючої цитоплазматичної мембрани необхідне строго певне середовище за іонним складом та температурою. Відомо, що мембрана має вибірковість за проникністю для різних іонів і періодично її змінює при збудженні. Зі зміною температури в біомембранах виявлено генералізовані стрибкоподібні фазові переходи, що різко змінюють їх властивості, такі як в'язкість, активність ферментативних реакцій та ін [12]. Природа цих явищ залишається недостатньо вивченою.
Молекули фосфоліпідів і білків, що становлять структуру біомембрани, при фізіологічних температурах мають високу рухливість у площині мембрани. Це явище називають латеральною дифузією і його природу відносять до хаотичного теплового переміщення. Слід зазначити, що щодо розмірів клітини швидкість так званої хаотичної дифузії дуже висока. заданим, наведеним Ю. А. Володимировим із співавт. [13, с. 120-121], в окремих видах ліпосом молекула фосфоліпіду в середньому переміщається за 1 секунду на 5 мкм, а для антигенів на поверхні лімфоциту швидкість переміщення становить приблизно 0,2 мкмЧс-1. Біомолекули в мембранах також здійснюють досить інтенсивні обертальні рухи: поворот на 1 радіан відбувається для різних молекул за період 10 -9 і 10 -4 секунди.
Відомо, що вбудовані у фосфоліпідний бислой складні за структурою молекули білка мають конформаційну динаміку під дією факторів як внутрішньоклітинного, так і позаклітинного (зовнішнього) середовищ. Так, за А. Б. Рубін [14, с. 192], "флуктуації молекулярного об'єму у молекул з молекулярною масою до 14000 можуть скласти при 300 К 0,03-0,04 нм 3 а флуктуації поверхні - до 0,01 нм 2 , тобто 0,1 % всієї площі поверхні молекули Довжина водневого зв'язку - основного фактора, що стабілізує вторинну структуру, може змінюватися при теплових флуктуаціях (300 К) на 0,01 нм, а кути - на 20-25 о ". Конформаційні стани створюються балансом сил ковалентних, іон-дипольних, водневих та інших взаємодій, кожна з яких має певну енергію. Найбільш слабкі гідрофобні і водневі зв'язки мають енергію взаємодії 4 25 кДжЧмоль -1 , ковалентні зв'язки, що визначають первинну структуру білка - 150-700 кДжЧмоль -1 . При цьому кожен конформаційний стан молекули білка має специфічний тільки для даного стану набором фізико-хімічних проявів, зокрема, енергією активації реакцій обміну.
Характерною властивістю будь-якої живої клітини є наявність різниці електричного потенціалу між зовнішньою та внутрішньою сторонами цитоплазматичної мембрани, при цьому всередині клітини потенціал негативнийпо відношенню до зовнішньої сторони. Зазвичай трансмембранна різниця потенціалів (D) у стані спокою для нервових та м'язових клітин становить 60 90 мВ. Тут слід звернути увагу на те, що якщо застосувати розрахунок для плоского конденсатора, то при товщині (d) мембрани 4 9 нм напруженість (Е) електричного поля складе вельми значну величину. Наприклад, якщо прийняти D =70 мВ=70*10 -3 В, а d=7 нм=7*10 -9 м, то:
Перш ніж розглядати механізми рецепторної функції клітин, звернемо увагу на співвідношення розмірів об'єктів взаємодії у процесі рецепції: клітина – кванти світла (фотони), молекули речовини, іони. Поперечний розмір клітин становить від часток до одного-двох десятків мікрометрів (10 -6 м). Для фотона приймемо розмірність електрона -10 -15 м, для молекул -10 -9 м. Тепер, щоб спростити наше асоціативне уявлення, збільшимо перераховані розмірності, наприклад, у 10 10 разів. Розмірність клітини стане 10 4 м, тоді ділянка довжиною 1 мкм перетворюється на 10 км, а площа поверхні цитоплазматичної мембрани в 1 мкм 2 складе 10 8 м 2 або 10 тисяч гектарів. Фотон матиме розмірність 10 -5 м або 0,01 мм, а молекула - 10 м. Таким чином, виникає наочне співвідношення: на поверхню 10 тис. га можуть впливати як частинки з розміром набагато меншим від макового зерна, так і десятиметрові "брили" . Але що таке навіть десятиметрове в діаметрі тіло по відношенню до 10 тис. га поверхні - це менше однієї мільйонної її частини.
При такому співвідношенні розмірності фотони або молекули речовини можуть викликати збудження клітинних процесів за рахунок швидкості руху, енергетичного рівня, резонансних, електрохімічних та інших явищ взаємодії зі спеціалізованими в сенсорному відношенні структурами - рецептивними центрами.клітини. Такими центрами (структурами) є, перш за все, білки та їх асоціації з лігандами, вбудовані в фосфоліпідний бисло і специфічно реагують своєю структурною організацією на той чи інший вид впливу, інакше кажучи, здатні "пізнавати" сигнал, що впливає, створювати обурення мембрани в зоні своїй локалізації і цим виконувати функцію рецепторного апарату клітин. Ці білки називають білками-рецепторами. Комплекси небілкового походження, що мають певну структуру, також можуть виконувати роль рецептивних центрів [15]. До складу рецептивних центрів входять стероїдні гормони, простагландини та іони металів, пов'язані в специфічні структури за допомогою водневих, іонних, гідрофобних та інших взаємодій.