Общие вопросы
В обзоре рассмотрены некоторые классические процессы, проходящие в организме человека, уточненные сведениями из научных периодических и интернет-изданий.
Рассматриваем только организм человека. По возможности, без вставки блоков о мышах, дрозофилах и эукариотах в целом.
На этой странице — важные сведения, которые помогут разбираться с материалом. Остальные страницы подготовлены для чтения в произвольном порядке.
1. Одиночная клетка
Как известно, наш организм и каждый его орган состоят из клеток. В каждом миллиметре нашего тела примерно 100 клеток. В каждом квадратном миллиметре — 100х100=10 тыс. клеток. В каждом кубическом миллиметре — 100х100х100=1 млн клеток (примерно).
Наше тело состоит из клеток семейства Homo Sapiens. Важно понимать, что наши одиночные клетки являются независимыми и такими же самостоятельными, как бактерии. Если хотите, можно сказать, что наше тело состоит из бактерий семейства Homo Sapiens.
Вопреки распространенному мнению, одиночные живые клетки не являются живыми. Да они подвижны, их функции многообразны. Но, также как и у любых машин, изобретенных человеком, у этих клеток все функции определены заранее. На сегодня известны почти все клеточные процессы и почти все схемы поведения одиночной живой клетки.
Напомним основные параметры микромира живой клетки:
1. Расстояние между молекулами в клетке
В клетке молекулы растворены в воде. Между молекулами любого жидкого вещества практически нет зазора, они расположены плотно одна к другой.
Из учебника физики: «молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров самих молекул».
2. Скорость внутриклеточных процессов
Молекулы в клетке постоянно движутся. Движутся сами по себе, подогреваемые солнечным теплом или любым другим источником тепла.
Количественно этот процесс хорошо описал российский ученый Я.И.Френкель. Он установил, что каждая молекула жидкости колеблется на месте около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени молекуле удается совершить «прыжок», чтобы покинуть своих соседей из ближайшего окружения и продолжать совершать колебания уже среди других соседей. Время колебания около одного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10 -11 с. (10 в минус 11 степени секунд). Время одного колебания значительно меньше — от 10 -12 до 10 -13 с.
Из сказанного можно сделать полезные для нас выводы:
Во-первых, это означает, что жидкость кипит, на вид, оставаясь неподвижной. Это не кипение воды, а броуновское кипение молекул воды. Разница в том, что вода кипит при 100 градусах, а молекулы воды – при +1 градусе Цельсия. Действительно, при нуле градусов вода еще замерзшая, ее молекулы колеблются на месте, не совершая прыжков. А при +1 градусе, молекулы кипят, активно перемещаются.
Во-вторых, это означает, что все молекулы будут самостоятельно перемещаться по клетке: сами находить ферменты, сами проходить через ядерные поры и т.п. И все это без затрат энергии – достаточно того, что клетка нагрета солнечным теплом. Другое дело, что некоторые реакции не пойдут без участия АТФ. Но к месту реакции молекулу доставят «бесплатно».
Поведение молекул в клетке напоминает официанта в банкетном зале, у которого завязаны глаза. Вроде бы и движется он бессознательно, и направления выбирает наугад. Но, если он, как и молекула воды, будет делать 10 в 11 степени перемещений в секунду — он в первую же секунду обслужит все столики.
3. Работа ферментов
На рисунке — каталитический центр изопентенилфосфаткиназы (IPK). Т.к. для этого фермента нет подходящего описания, популярную реакцию гидролиза АТФ рассмотрим на другом примере — шаперон Hsp90 [1].
Здесь главное понимать, что гидролиз АТФ по умолчанию в воде не происходит. Для гидролиза молекула АТФ должна попасть в определенное тесное окружение, которое создают ферменты:
1. Считается, что в растворе АТФ находится в комплексе с ионом магния.
2. АТФ попадает в карман соответствующей формы — каталитический центр. Для Hsp90 каталитический центр представлен аргинином R46, глутаминовой кислотой E47 и аргинином R400.
3. Размещение АТФ в кармане приводит к тому, что E47 и R46 сближаются и образуют солевой мостик (ионная связь). Это поляризует E47 и делает ее более отрицательной.
4. Поляризованная E47 атакует молекулу воды и поглощает протон, передавая электрон гидроксильной группе ОН.
5. Гидроксильная группа атакует атом фосфора γ-фосфата, ковалентная связь между β- и γ-фосфатом разрывается, и образуются продукты — гидрофосфат и АДФ.
6. Выделяется энергия и можно считать, что происходит локальный разогрев ближайшего атома белка.
7. Электронные облака всех атомов белка связаны и он временно переходит в возбужденное состояние, как бы нагревается, меняя конформацию.
8. Этого кратковременного движения оказывается достаточно, чтобы совершить работу. Например, сблизить атомы для химической реакции или наоборот, растащить их в стороны и разорвать связь.
9. Предполагаемая роль иона магния — в стабилизации промежуточного состояния каталитической реакции.
4. Количество внутриклеточных процессов
Клетка – микроскопическая химическая фабрика. Несколько тысяч химических процессов протекают в ней одновременно. Перечислим их все:
— сборка белков; сборка клеточных мембран; сборка некодирующих РНК; сборка рибосом; сборка нового ядра после деления; сборка эндоплазматического ретикулума; сборка аппарата Гольджи; сборка каркаса, фиксирующего размер клетки; сборка центриолей; сборка протеасом; …
— поддержка постоянных концентраций (клеточный гомеостаз) таких веществ как: АТФ, натрий, калий, белки, тРНК, …
В общей сложности: менее тысячи крупных базовых многобелковых процессов. Вполне по силам для изучения.
Для нас главное, что все процессы в клетке проходят параллельно, независимо один от другого. Ситуаций, когда один процесс влияет на другой много, но не настолько, чтобы их нельзя было перечислить.
Все процессы можно разделить на 3 вида:
1) Основные процессы. Это все процессы со сложной логикой: клеточный цикл, иммунитет, общие схемы синтеза белков, некодирующих РНК, липидов, …
2) Прочие процессы. Менее важные, более многочисленные, чем основные процессы. И основные и прочие процессы рассматриваем здесь, в этой работе.
3) Клеточный гомеостаз. Это самые многочисленные, параллельно протекающие клеточные процессы. Все, что нужно клетке – она синтезирует постоянно в фоновом режиме: ферменты, тубулины, мРНК, миРНК, АТФ, … Каждый такой процесс гомеостаза состоит из двух частей: «регулирующая генная сеть» + «метаболический путь».
Регулирующая генная сеть. Она может быть поверхностной. Буквально просто указания какие гены на что положительно/отрицательно влияют. И может быть детализированной, с указанием регуляторных контуров каждого гена. Т.е. с перечислением всех транскрипционных факторов (ТФ) промотора и условий при которых эти ТФ активны. Даже для простого метаболического пути регулирующая генная сеть может быть сложной («молекулярная бюрократия»).
Метаболический путь. Это чистая химия, как правило – каскад ферментативных превращений вещества. Метаболический путь может отсутствовать. Например, синтез коллагена. Этот белок секретируется наружу клетки почти в неизменном виде. Также метаболический путь может быть достаточно сложным, с участием многих ферментов. Например, гликолиз.
Многочисленные (десятки и сотни) процессов гомеостаза клетки здесь, в этой работе не рассматриваем. Для этого есть специализированные базы данных, например, [2], [3].
На рисунке – фрагмент метаболического пути «гликолиз человека» из базы данных Kegg.
2. Клетки составляют организм
На сегодня доподлинно не известно как триллионы одиночных неживых клеток объединяются в наш, в целом живой «Homo Sapiens»-организм. Также не понятно как мы выглядим: на фотографии, как известно, не мы, а одиночные клетки эпителия лица, которые через месяц будут полностью заменены новыми. И как вообще произошел переход от неживых одноклеточных к живым многоклеточным организмам.
Тем не менее, многое известно. И вопросы формирования органов и тканей из отдельных клеток в настоящее время можно изучать в мелких подробностях.
Как клетки строят наш организм? Здесь главное понимать, что ни одна строительная клетка нашего организма ничего не строит, а только достраивает. Связано это с тем, что наши клетки, в основном, короткоживущие. Живут от нескольких часов до нескольких месяцев. Соответственно, они обитают в организме, выстроенном до них, и какое-то время что-то в нем достраивают.
Какие объекты строят наши клетки? В основном, клетки умеют возводить три вида объектов: скелет, скаффолды внутренних органов, сети (кровеносные, лимфатические, …).
1. Строительство скелета
Здесь все относительно просто. Базовый хрящ, преобразуется в кость. Далее, клетки слой за слоем наращивают толщину костей, с помощью хряща наращивают их в длину. Одновременно ведется разборка внутреннего пространства кости — трубчатые кости, как известно, более легкие при такой же прочности.
Основной вопрос здесь – чем обеспечивается постоянная высокого уровня симметрия человека. Кости правой и левой руки растут как папье-маше слой за слоем. Растут каждая сама по себе на большом (в сравнении с размерами клеток) расстоянии друг от друга. Но редки случаи значительного отличия их по форме или длине у одного человека. Кривизна ног у двух людей может сильно отличаться, а вот симметрия у обоих одинаково высокая.
2. Строительство внутренних органов
Что произойдет если из любого внутреннего органа растворами энзимов удалить все живые клетки? Как ни удивительно, практически ничего. Остается белый коллагеновый каркас (скаффолд), который клетки строили годами. И это не хлипкая структура. Коллагеновое волокно прочнее стальной нити, такого же диаметра.
На рисунке – скаффолд внутреннего органа крысы (почка) [4].
Как выяснилось, процесс выселения клеток из скаффолда обратим. Есть успешные опыты, когда в скаффолд сердца мыши подали артериальную кровь, запустили популяцию клеток эпителия артерий, кардиомиоцитов и других клеток сердца. Клетки самостоятельно нашли и заняли свои места. Более того, сердце самостоятельно запустилось и начало сокращаться, прокачивая кровь.
Для некоторых внутренних органов наращивание массы происходит за счет новых слоев к скаффолду. Клетки строят каждый очередной слой скаффолда примерно по одной и той же схеме:
— они выстраиваются ковром, создав слой;
— набухают, вбирая воду;
— обшивают себя коллагеном снаружи;
— сдуваются, сформировав очередной «слой-этаж» в скаффолде органа.
На первый взгляд — все просто. И, тем не менее, строительство внутренних органов (в отличие от скелета) не ведется по принципу папье-маше.
На ранней эмбриональной стадии схемы развития внутренних органов наиболее сложные. Например, на начальном этапе формирования сердца, две трубки сшиваются между собой. Кроме этого, их края сцепляются волокном, которое, сжимаясь, стягивает трубки до образования английской буквы D. В этот период широко используется неравномерный рост, когда шар превращается в овал за счет разной скорости деления клеток от полюсов к экватору.
По мере взросления внутренние органы используют более простые сценарии для роста и развития.
3. Отделы головного мозга
Наиболее сложный с этической точки зрения предмет для изучения. В то же время это интересный раздел, поскольку позволит ответить на два важных вопроса молекулярной биологии:
— каковы физические размеры ядра человеческого организма;
— и что отличает живые организмы от машин, дроидов.
По первому вопросу известно следующее:
Понятно, что конечности не входят в ядро. Автор книги «Голова профессора Доуэля» идет еще дальше. Он считает, что и туловище не входит в ядро. И, вероятно, это так. Если к голове подвести артериальные и лимфатические сети с полностью соответствующим HLA-паспортом, то, по современным сведениям, проблем не должно быть.
Более того, не все компартменты самого головного мозга входят в ядро и являются критически необходимыми. В целом, узел, определяющий нашу сущность, вероятно не слишком большой.
По второму вопросу:
Как отмечалось, одиночная клетка не является живой. Но является ли не живым кузнечик, имеющий нервную систему? И с какого этапа эволюции организмы стали живыми?
Молекулярная биология не располагает сведениями, благодаря каким – материальным или нематериальным — эффектам неживые одиночные клетки собираются в живой организм. Но постараемся дать определение, что мы можем считать живым.
Проще это сделать на примере. Возьмем автоматическую стиральную машину. Как известно, в ней установлен микропроцессор и у нее много функций. Но внутри нее абсолютная тишина, никакого хоровода мыслей и идей. Мы можем усложнить стиральную машину. В конце концов, в ней будут использоваться самообучающиеся алгоритмы, ее речь уже невозможно будет отличить от нашей. Но внутри по-прежнему тишина.
Есть предложение: если внутри машины тишина – будем считать ее машиной, если внутри организма хоровод мыслей и идей – будем считать его живым организмом.