маслом, клетка не смогла бы выжить. Большинство необходимых ей питательных веществ представляют собой полярные электрически заряженные молекулы, неспособные проникнуть сквозь сплошной неполяр ный липидный барьер. И точно так же клетка не смогла бы исторгнуть наружу отработанные шлаки — они ведь тоже поляризованы.
Однако клеточная мембрана содержит еще один, поистине гениальный компонент, представленный в нашем бутерброде оливками. Это так называемые интегральные мембранные белки (ИМБ), которые позволяют питательным веществам и шлакам проходить сквозь мембрану. ИМБ, встроенные в «масляный» слой мембраны точно так же, как оливки на моей иллюстрации, пропускают в клетку только те молекулы, которые нужны для бесперебойного функционирования ее цитоплазмы, и непроходимы для всякого молекулярного мусора.
Как же удается ИМБ внедриться в «масло» мембраны? Вспомните, что белки представляют собой линейные цепочки связанных друг с другом аминокислот, одни из которых представляют собой тяготеющие к воде гидрофильные полярные молекулы, а другие — гидрофобные, неполярные молекулы. Та область белковой цепочки, которая составлена из гидрофобных аминокислот, стремится достичь устойчивости, отыскав окружение, тяготеющее к жирам, — в данном случае речь идет о липидной сердцевине мембраны (см. стрелку на рисунке). Именно таким образом гидрофобные части белка встраиваются во внутренний слой мембраны. Из-за того, что некоторые области белковой цепочки состоят из полярных аминокислот, а другие из неполярных, белковая молекула изгибается внутри и снаружи нашего «бутерброда».
Существует масса разновидностей ИМБ, но все они могут быть подразделены на две функциональные группы: белки-рецепторы и белки-эффекторы.
ИМБ-рецепторы — это органы чувств клетки, эквивалент наших глаз, ушей, носа и т. д. Они действуют как молекулярные «наноантенны», настроенные на восприятие определенных сигналов внешнего окружения. Одни ИМБ-рецепторы погружены внутрь клетки и отслеживают состояние ее внутренней среды; другие же ИМБ-рецепторы выведены наружу и улавливают сигналы извне.
Как и все прочие белки, о строении которых мы говорили выше, ИМБ-рецепторы переходят от неактивной к активной конформации, когда меняется их электрический заряд. Когда белок-рецептор связывается с сигналом внешней среды, возникающее в результате перераспределение электрического заряда заставляет белковую цепочку свернуться по-новому, и она принимает «активную» конформацию.
У клетки имеются нужным образом настроенные белки-рецепторы для всех внешних сигналов, которые необходимо улавливать. Некоторые белки-рецепторы реагируют на сигналы физического характера, — например, эстрогенный рецептор, устройство которого в точности соответствует конфигурации и заряду молекулы белка эстрогена (аналогичным образом, гистаминные рецепторы по своей конфигурации соответствуют молекулам гистамина, инсулиновые рецепторы — молекулам инсулина и т. д.). Когда молекула эстрогена оказывается рядом с эстрогенным рецептором, он надежно сцепляется с ней, подходя, как ключ к замку. Как только это происходит, электрический заряд эстрогенного рецептора перераспределяется и он переключается в свою активную конформацию.
«Наноантенны» белков-рецепторов также способны улавливать колебания энергетических полей, таких, как свет, звук и радиоволны. Такие «антенны» вибрируют наподобие камертона, и если колебания энергии во внешней среде оказываются в резонансе с антенной белка-рецептора, в нем происходит перераспределение заряда и он изменяет свою конфигурацию [Tsong 1989]. Я остановлюсь на этом более подробно в следующей главе, а сейчас хочу подчеркнуть вот что: коль скоро белки-рецепторы могут воспринимать энергетические поля, нам необходимо отказаться от представления, что на физиологические процессы в клетке могут влиять только молекулы того или иного вещества. Поведение клетки может быть обусловлено незримыми силами, такими, как мысль, в не меньшей степени, чем пенициллином. Вот надежный научный фундамент для нефармацевтической, энергетической медицины.
После того как белки-рецепторы проинформируют клетку о внешних сигналах, ей надлежит предпринять адекватные ответные действия, направленные на поддержание своей жизнедеятельности. Это задача белков-эффекторов. В целом тандем рецепторов и эффекторов можно назвать коммутатором. Он функционирует по типу «раздражение — отклик», наподобие той рефлекторной реакции, которую невропатологи проверяют во время медосмотра. Когда врач ударяет вас по колену молоточком, ваш сенсорный нерв получает сигнал и тут же передает информацию моторному нерву, который и заставляет ногу дергаться. По своим функциям белки-рецепторы клеточной мембраны эквивалентны сенсорным нервам, а белки-эффекторы — моторным нервам, вызывающим действие.
Поскольку клетке для обеспечения ее нормального функционирования требуется решать целый ряд задач, существует множество разновидностей белков-эффекторов. Операция белкового транспорта требует участия обширного семейства так называемых канальных белков, переносящих молекулы и информацию с одной стороны мембранного барьера на другую. В связи с этим нам настало время вспомнить о душистом перце из нашей «бутербродной» модели. Многие канальные белки имеют форму туго смотанного клубка и напоминают фаршированные душистым перцем оливки. Когда электрический заряд канального белка меняется, он изменяет форму — так, что возникает открытый канал, проходящий сквозь сердцевину его клубка. Канальный белок — это, по существу, одна и та же, единая в двух лицах, «оливка», меняющая свой облик в зависимости от электрического заряда. В активном состоянии его структура напоминает пустотелую оливку, открывающую свободный проход. В неактивном состоянии он похож на фаршированную, наглухо закрытую от внешнего мира оливку.
Особого внимания с нашей стороны заслуживает деятельность такого канального белка, как натрий- калиевая АТФаза. В мембране каждой клетки их насчитываются тысячи. На совокупную деятельность натрий-калиевых АТФаз приходится едва ли не половина той энергии, которую ежедневно потребляет наш организм, поскольку они открываются и закрываются как вращающиеся двери большого универмага в день распродажи. С каждым оборотом натрий-калиевая АТФаза выпускает наружу из цитоплазмы три положительно заряженных иона натрия и одновременно впускает внутрь два положительно заряженных иона калия из окружающей среды. Однако она не только потребляет большое количество энергии, но и поставляет энергию ничуть не хуже привычных нам батареек — и даже лучше, так как благодаря ей клетка превращается в постоянно перезаряжаемый источник энергии.
Этот свой трюк натрий-калиевая АТФаза проделывает следующим образом. При каждом своем обороте она выбрасывает наружу больший положительный заряд, чем впускает внутрь. Таких молекул в каждой клетке тысячи, и каждая из них совершает по несколько сотен циклов в секунду. В результате внутреннее пространство клетки имеет отрицательный заряд, а внешнее — положительный. Об отрицательном заряде на внутренней поверхности мембраны говорят как о мембранном потенциале. Само собой, липидный («масляный») слой мембраны не позволяет электрически заряженным атомам (ионам) пройти сквозь ее барьер, так что общий заряд внутри клетки всегда остается отрицательным. Положительно заряженная снаружи и отрицательно заряженная внутри, клетка, по сути, превращается в самозаряжающуюся «батарейку», энергия которой используется для обеспечения различных биологических процессов.
Другая разновидность белков-эффекторов — цитоскелетные белки. Они управляют формой и подвижностью клетки. Еще одна разновидность белков-эффекторов — ферменты, способствующие расщеплению и синтезу различных молекул — именно поэтому ферменты входят в состав пищевых добавок, которые продаются в магазинах здорового питания. Будучи активированными, все виды белков-эффекторов — канальные белки, цитоскелетные белки, ферменты и их производные — в свою очередь могут активировать гены.
Значение интегральных мембранных белков ученые осознали только в последние годы, и сегодня исследования обеспечиваемой ими трансдукции сигналов в клетке быстро превратились в целое научное направление. Ученые стараются классифицировать сотни сложнейших информационных путей между восприятием клеточной мембраной сигналов окружающей среды и активацией белков, отвечающих за поведение клетки. Исследования трансдукции сигналов выводят клеточную мембрану на авансцену науки — вслед за изучаемыми эпигенетикой хромосомными белками.
Итак, вопреки расхожим представлениям, гены не управляют собственной активностью. Это делают интегральные мембранные белки и их производные, от которых зависит связывание хромосомных
