Защо не разбираме живата клетка или митовете на молекулярната биология
http://vivovoco. *****/VV/PAPERS/NATURE/МАРГО. HTM
Защо не разбираме живата клетка,илиМитовете на молекулярната биология
, Доктор на биологичните науки Московски държавен университет.
Никой не е пророк в собствената си страна. Дори да е родината на САЩ. Гюнтер Албрехт-Бюлер, виден биолог от Северозападния университет в Чикаго, не е познат на много клетъчни биолози. По едно време той извърши редица важни работи върху движението на клетките в културата, ролята на цитоскелета при определяне на формата на клетките и движението на ядрата. Може би широк кръг от изследователи е запознат само с неговата статия за маркиране на клетъчни следи с колоидни златни частици.
Много от нас са наясно колко малко разбират как функционира клетката. И това е въпреки дългогодишните усилия на много лаборатории! Могат да се цитират много примери, когато талантливи хора, които са направили много във физиката, химията, математиката или дори в други клонове на биологията, не постигат значителни успехи, като преминават към проблемите на клетъчната биология. Очевидно клетъчната биология е наука от следващ порядък на сложност в сравнение с "елементарната" физика, химия или математика.
През последните години все повече разчитаме на успехите на молекулярната биология, която ни обясни много във функционирането на клетъчния геном. Може ли тази наука да обясни клетката като цяло? Отрицателният отговор на този въпрос се съдържа в заглавието на статията на Албрехт-Бюлер. Но в действителност е по-широко от името си. Това показва не само безполезността на "молекулярния" анализ на общите клетъчни процеси, но и неадекватността на нашите биохимични идеи. Причината е вхарактеристики на биологичните закони. Въпреки че тези закони не противоречат на физическите, те не произтичат от тях.
Първото нещо, което според Албрехт-Бюлер клетъчните биолози трябва да разберат, е разликата между света на клетката и макроскопичния свят около нас. До известна степен той е също толкова невъзможен за представяне, колкото и светът на елементарните частици. Да започнем с това, че вътреклетъчната среда не е като водните разтвори на реактивни съединения, за които пише във всички учебници по биохимия.
Като популярна илюстрация на това как светът на клетката е различен от нашия, Албрехт-Бюлер предлага да разгледаме бутилка вино с височина 28 см и диаметър на гърлото 2 см. Ако размерът й се намали само 10 пъти, виното няма да се излее дори от обърната бутилка: менискусът почти няма да промени формата си. Виното ще се държи като гел. Причината за това е проста: диаметърът на гърлото е намалял 10 пъти, повърхностното напрежение е намаляло със същото количество, а теглото на виното е намаляло около 103 пъти. Такава маса вече не може да преодолее повърхностното напрежение на границата течност-въздух.
В една нормална клетка, както във виното, има приблизително 85% вода, но размерът на средната клетка е 28 000 пъти по-малък от бутилка. С други думи, неговата маса е по-малка от масата на бутилка вино с около 280 003
2x1013 пъти, а повърхностното напрежение е само 2,8x104, т.е. гравитацията в клетките не играе съществена роля. Йерархията на силите в клетките е напълно различна от тази в нашия свят. За клетката вискозното триене, Брауновото движение и електростатичните сили са от по-голямо значение. При такава значителна разлика между масата и повърхностното напрежение, капка вода ще приеме формата на идеална топка. В повечето клетки, напротив, повърхността е силно деформирана, има израстъци, власинки и т.н. Факт е, че цитоплазмата на клетката не е просто гелообразна, асилно структуриран. Всичко е пронизано с нишки на цитоскелета, разделени от мембрани. Инженерните проблеми, които клетката решава, не са като тези, решавани от инженерите.
Трудностите при молекулярното обяснение на клетъчните функции са свързани и със спецификата на вътреклетъчната среда. Наистина, взаимодействащите молекули в клетката не се носят свободно, както в епруветка с воден разтвор, а са главно имобилизирани върху полимерни структури на цитоскелета или мембраните. Реакциите протичат почти като в твърдо състояние. Поради това химията на клетката е много далеч от преподаването в университетските курсове. По-скоро вътреклетъчните реакции могат да бъдат по-адекватно описани чрез химията на имобилизираните ензими. (Между другото, у нас съществува силна школа химици в тази посока.)
Между другото, от горните разсъждения става ясно защо, например, науката за клетъчните мембрани се развива относително успешно. От самото начало на изследването им беше ясно, че поради свойствата на фосфолипидите, които образуват слоеве и мицели, обичайната „водна“ химия не е приложима за тях, така че трябваше да се създаде друга „хидрофобна“. И в по-старите раздели, да речем в проблема за вътреклетъчния транспорт, прогресът е изключително ограничен, може би точно защото ние все още представяме този процес като прехвърляне на комплекси от молекули през водна среда, която всъщност не е в клетката.
Като цяло в работата си Албрехт-Бюлер обръща голямо внимание на структурирането на цитоплазмата. Акцентът е основно върху линейните структури: хромозоми, микротубули, микрофиламенти. Авторът приема, че сигналите могат да се предават по такива структури поради локална асоциация и дисоциация на молекули по структурата. Той вярва, че "мехурчетата" се движат по ДНК - или нишки от двойноверижна ДНК, разплетени от гираза, или простопроизтичащи от температурни колебания. Вероятно природата може да използва такъв механизъм за предаване на сигнал.
По някаква причина Албрехт-Бюлер изобщо не разглежда мембраните в същия аспект. В крайна сметка различни сигнали също могат да се разпространяват по тях. Мембраните също могат да регулират вида на химичните трансформации: благодарение на тях е възможно да се създадат структурирани и неструктурирани области в цитоплазмата. При второто все още може да работи „водната“ биохимия, която е по-позната за нас, докато при първото може да работи само химията на имобилизираните молекули.
Какво прави клетката и нейната близост до света на квантовата механика трудно да си представим за нашето въображение. Размерът на молекулите в клетките е точно такъв, че те са на границата между детерминистичния свят на класическата механика и недетерминирания свят на квантовата механика. Например, хромозомната ДНК може да бъде претеглена и нейната позиция и скорост по време на митоза могат да бъдат определени едновременно. Но самата структура на двойната спирала се поддържа от водородни връзки, които се подчиняват на законите на квантовата механика.
Друга специфика, свързана с микроскопичния размер на клетката, е малък брой копия на молекули от всеки тип: 10-100 броя. Това е твърде малко, за да се използват понятия като концентрация, pH стойност, константа на свързване - понятия, разработени за разтвори в епруветки. Например, 1 µg протеин с молекулно тегло 30 000 (около 3 pM) съдържа 2x1012 молекули. Нека сравним това с типичните стойности в клетка: генните копия обикновено са от 1 до 10, репресорите - стотици. Има средно по-малко от 4 молекули хормон на растежа или хемоатрактанти на клетка. Дори в обширна област около клетката, например 10-3 cm (26 пъти обема на клетката), при типична концентрация на хормон (1 pM) ще има само около 8 молекули. Около отделния рецептор, повечетовреме изобщо няма хормонални молекули.
Уместно е да се отбележи, че още преди 2 години Албрехт-Бюлер публикува статия, в която, използвайки подобни разсъждения, той повдигна въпроса каква е вътреклетъчната стойност на pH, за която се смята, че е важна за задействането на много вътреклетъчни процеси. Може да се изчисли, че в обема на E. coli има само 120 свободни протона. Трудно е да си представим как те могат да контролират стотици или хиляди химични реакции, протичащи едновременно в една клетка. Това става още по-малко ясно, ако си спомним, че тези 120 "контролиращи" протона действат на фона на около 1 милион подобни йони, които се появяват и изчезват по време на асоциирането и дисоциацията на водата.
По един или друг начин химическата концепция за концентрация, приложима към масите на молекулите и основана на осредняването на техните свойства, е неприложима, когато става въпрос за парчета. Следователно използването на Болцманови константи, равновесие, свързване е напълно неадекватно. Албрехт-Бюлер не ни оставя много от биохимичния арсенал)
Биологът отговаря на този въпрос така: „Първо, описанието на биологичните процеси чрез елементарни частици би било твърде тромаво, и второ, при прехода към елементарните частици ще пропуснем разликата между биологични („живи“) и небиологични („неживи“) системи. Но цялата идеология на молекулярния анализ е именно да се сведе един биологичен феномен до физичен или химичен. Защо тогава да не покажем последователност и да преминем към по-фундаментални физически концепции? Що се отнася до тромавостта, молекулярно-биологичното описание е много по-тромаво от клетъчно-биологичното, което оперира с органели, мембрани, цитоскелетни нишки, т.е. надмолекулни концепции. Междувременно такъв анализ еописателно, казват, че това е наука от вчера.
Между другото, в самата физика, която не страда от комплекс за малоценност като биологията, никой не се опитва да замени термодинамиката или хидродинамиката с уравненията на квантовата механика, въпреки че по принцип е възможно да се опише работата на двигателя от гледна точка на уравненията на Шрьодингер. Може би биолозите също трябва да възприемат принципа на икономичност на мисленето на Мах и все още да използват надмолекулни описания, в които взаимодействията на много макромолекули вече са интегрирани?
За специалист по квантова механика молекулата е решение на уравнението на Шрьодингер, за химик е по-скоро структура на Кекуле, за кристалограф е облак от електрони с различна плътност. Спектроскопистът ще се съсредоточи върху размерите и електрическия диполен момент, които, както знае със сигурност, определят инфрачервения и рамановия спектър. Ядреният физик, на първо място, помни, че линейните размери на атомните ядра са 1000 пъти по-малки от размерите на атомите, така че молекулата като цяло е празнота, пълна със сложни електромагнитни полета и разреден електронен газ. Физик на високите енергии си представя на място молекулите от опаковката на елементарните частици; разстоянията между пакетите са от порядъка на размерите на атомно ядро, а силите са толкова слаби, че могат да бъдат пренебрегнати.
За биолога една молекула изобщо не прилича на нищо реално, изброено по-горе. За него протеиновата молекула е или модел от субединици и функционални групи с подчертани области и спирала, или като цяло верига от символи като "Tr" или "Ser", свързани с тирета, или дори просто лента в гела. Но ако това са нашите молекули, какъв е молекулярният анализ, за който настояваме?
Но молекулярните биолози също работят с подобни идеи, описвайки работата на хромозоматакато конкуренция между отделните гени за собствените им "егоистични" цели. Подобни хипотези са изложени за функционирането на мозъка като конкуренция на неврони за провеждане на импулси. Авторът смята, че 1013-те молекули, които изграждат клетката, са организирани заедно поради подобни закони. По аналогия връзката на органелите в клетката също може да се разглежда по този начин.
Буквите не правят текст. Лесно е да се предвиди отрицателният резултат от мисловен експеримент за смесване на всичките 1013 клетъчни молекули, тъй като би било необходимо поне да се знае позицията на всички молекули и тяхната скорост, а това е невъзможно, дори само поради принципа на неопределеността. Има твърде много молекули за разумно молекулярно описание. Необходима е обща теория, работеща върху супрамолекулни структури.
Това твърдение донякъде противоречи на казаното по-рано: има твърде малко молекули за прилагане на химически концепции. Човек може да се оправдае, като каже, че тези аргументи се отнасят само за определени видове молекули. В допълнение, както беше отбелязано, поради различни вътрешни структури в цитоплазмата могат да съществуват различни видове химични трансформации.
И двете твърдения обаче - и че има твърде малко молекули, за да се използват стандартните биохимични концепции, и че има твърде много от тях, за да се надяваме да дадем адекватно молекулярно описание на клетъчните процеси - са парадоксални. И парадоксите убеждават. Затова приемаме друг парадокс - изявлението на Албрехт-Бюлер:"Задачата на клетъчната биология е изследването на това как физическите и химичните реакции са интегрирани в едно функционално цяло в рамките на една клетка. Колкото повече навлизаме в молекулярните детайли, толкова по-далеч отиваме от решаването на този проблем."
Като този! И никакви молекулярни подходи!
Така или иначе,след него вече не е възможно да се занимаваме с клетъчна биология, както правехме преди.