Your SlideShare is downloading. ×
Cell report
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×
Saving this for later? Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime – even offline.
Text the download link to your phone
Standard text messaging rates apply

Cell report

3,805

Published on

"Клетка с точки зрения химика-органика" - Кандидат хим. наук, Костенко В.Г. Общество православных врачей СПб www.opvspb.ru

"Клетка с точки зрения химика-органика" - Кандидат хим. наук, Костенко В.Г. Общество православных врачей СПб www.opvspb.ru

Published in: Health & Medicine
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
3,805
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1
Actions
Shares
0
Downloads
13
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. В. Г. Кос тен ко Ж и в ая к л е т к а гл а з а м и х и м и к а-о р гани к а Санкт-Петербург 2009Живая клетка.indb 1 27.10.2009 11:40:00
  • 2. Рецензенты: доктор химических наук, профессор Хими- ческого факультета ЛГУ Л. Л. Родина; доктор химических наук, профессор Химического факультета ЛГУ А. А. Белю- стин Костенко В. Г. Живая клетка глазами химика-органика. — СПб. — С. 376. Предлагаемая издательством книга канд. хим. наук В. Г. Костенко является плодом многолетних наблюдений и размышлений автора над сложнейшей проблемой: как по- строена и функционирует живая клетка. Решение этой про- блемы всегда было и остается важнейшей задачей иссле- дователей: биологов, химиков, физиков, медиков и других смежных специалистов. Опираясь на знания органической химии, проводя собственные эксперимены, используя науч- ные данные, полученые за последние 50–80 лет в рамках мо- лекулярной биологии, автор изложил свой взгляд на струк- туру и функциональное поведение живой клетки. Согласно взглядам автора, живая клетка не могла воз- никнуть в результате химической, а затем биологической эволюции. Физические и химические законы не обладают свойством «целесообразности», а значит «химическая эво- люция» невозможна. Остается только один вывод: живая клетка создана Творцом. © Костенко В. Г., 2009 г.Живая клетка.indb 2 27.10.2009 11:40:03
  • 3. Предис ло вие Трудно найти столь же неразрешимую проблему, кото- рая издавна привлекала и продолжает привлекать внимание человечества, вызывая острейшие дискуссии, как проблема возникновения жизни. К вопросу, что такое жизнь и как она возникла, пытались подойти с двух противоположных по- зиций: на базе религии — идеализма и на базе материализ- ма — вначале примитивного, базирующегося на интуиции мыслителей (Аристотель и др.), а впоследствии прочно опи- рающегося на научные исследования. Что касается религии, то ее взгляды веками сохранялись и сохраняются практически в неизменном виде — признается роль Творца при возникновении жизни. Примитивный материализм возникновение жизни сводил вначале к самозарождению живых существ, а после того как Пастер [1] доказал несостоятельность этой идеи, стал опи- раться на идеи эволюционного развития как при возникнове- нии жизни, так и при ее совершенствовании. Вершиной этих идей следует признать теорию, созданную в XX в. Опариным с сотрудниками [2]. Суть этой теории заключается в том, что развитие мате- рии в целом основывается сначала на эволюции химических веществ, усложняющихся с образованием сравнительно крупных молекул, затем идет образование капель «коацерва- тов», окруженных мембраной, вернее пленкой, напоминаю- щей мембрану, и после этого эволюция приводит к образо- ванию живых систем, вновь эволюционирующих к сложным организмам, венцом которых является человек. Все эти построения, однако, мало обоснованы, особенно на первом «химическом» этапе, так как не известен ни один 3Живая клетка.indb 3 27.10.2009 11:40:03
  • 4. Предисловие закон, который направлял бы эволюцию химических веществ в сторону самопроизвольного образования и накопления органических соединений, обладающих заранее заданными свойствами. Ни миллионы, ни миллиарды лет не обеспе- чили бы появление упорядоченных структур, имеющих все свойства живых организмов, способных к самовоспроизве- дению, обладали бы приспосабливаемостью к окружающей среде, раздражимостью, способностью перемещаться, воз- буждаться и т. д. Кроме того при отсутствии упорядоченных структур, которые способны к направленному метаболизму, процессы предполагаемой химической эволюции неизбежно должны были бы идти с нарушением фундаментальных зако- нов термодинамики, в частности ее второго начала. Не вдаваясь сейчас в детали предполагаемой эволюции, как химической, так и биологической, попробуем опреде- лить, что же такое живое вещество. Известное изречение Энгельса [3]: «Жизнь есть способ существования белковых тел», — отражало уровень знаний, присущих человечеству в середине XIX в. Сейчас стало ясно, что определение жизни как способа существования одного или нескольких химических соединений практически ничего не проясняет и не соответствует действительности. Для живой структуры важны нуклеиновые кислоты, вода, ионы металлов, витами- ны, гормоны — все сложно перечесть. А если все это есть — это уже живая структура? Вряд ли сейчас кто-то так думает. Чтобы понять, что же представляет собой живое вещество, нужно определить элементарную единицу живого. Несо- мненно, что такой элементарной единицей в мире живого является клетка. Естественно, что тогда необходимо понять принципы построения клеточных структур и их функцио- нирование, понять характер взаимодействия этих структур с окружающей средой. Нужно знать, как клетка сохраняет жи- вое состояние, какие силы удерживают ее в этом состоянии. Эти знания показывают, какой путь может привести к воз- никновению живых структур из неживого вещества. 4Живая клетка.indb 4 27.10.2009 11:40:03
  • 5. Предисловие Эта проблема чрезвычайно сложная, и осветить все ее сто- роны одному человеку просто невозможно. Наукой накоплен необозримый фактический материал, но в этом материале то- нут общие закономерности поведения и построения живого. Однако, не поняв эти закономерности, не удастся решить мно- гие задачи, имеющие значение для медицины, фармакологии, сельского хозяйства, биологии в целом. Насколько возможно прояснить хотя бы крупицу этой проблемы, будет ясно после изложения моего скромного взгляда химика-органика. Как же будет построено изложение этого взгляда? По- видимому, ни в коем случае нельзя игнорировать теории и гипотезы, которые высказывались в те времена, когда экс- периментальные факты были получены с использованием еще слишком несовершенных методов. Дело в том, что чрез- вычайно большое количество экспериментальных фактов, часто противоречивых, осложняет их обобщение. В результа- те авторы ограничиваются либо констатацией своих наблю- дений, либо выдвигают спекулятивные гипотезы, которые запутывают понимание этой сложнейшей проблемы. Поста- раемся во всех случаях начинать изложение любого вопро- са, не опуская и не игнорируя наиболее важные воззрения и представления исследователей всех времен, в том числе и современных. После того как будет показано, что основой всего живого является клетка, перейдем к изложению материалов, проли- вающих свет на то, как она построена и каким образом это построение обеспечивает сохранение живого состояния в не- прерывно меняющейся окружающей среде. Думаю, что вряд ли нужно обосновывать тезис о чрезвычайной сложности объекта, именуемого клеткой. Всем известно, что одной из элементарных частиц окру- жающего нас мира является электрон. Но даже для его опи- сания пришлось привлекать теории, объясняющие поведение его и как частицы, и как волны. Поэтому мы не можем ожи- дать, что построение и поведение бесконечно более сложно- 5Живая клетка.indb 5 27.10.2009 11:40:03
  • 6. Предисловие го образования, каким является клетка, удастся изложить просто и однозначно. В действительности мы столкнемся с большим числом гипотез и представлений, направленных на решение проблемы познания структуры и функций живой клетки. Начнем со знакомства с химической структурой белка в растворе и изменений этой структуры при агрегации. По- стараемся представить себе, как осуществляется белок–белок взаимодействие, какова роль низкомолекулярных веществ при образовании различного рода комплексов, обладаю- щих определенными функциональными свойствами. Слож- нее всего при этом уловить и объяснить разницу в поведе- нии функционирующих соединений и их комплексов in vitro и in vivo. К сожалению для того, чтобы изучить свойства какого-либо соединения, приходится клетку умертвлять, вы- делять его, очищать и в результате иметь дело с «мертвыми» молекулами, свойства которых не полностью совпадают со свойствами этих же молекул в составе тех или иных комплек- сов, органелл (компартментов) и в конечном счете живой клетке. Изложив взгляды, представления и результаты экспери- ментов в цитируемых работах, мы, в качестве обобщения, сформулируем постулаты, которые помогут нам подойти к основной задаче данного труда — построение качественной модели живой клетки. Как это ни прискорбно, далеко не всегда исследователи учитывают особенности поведения физиологически актив- ных соединений (ФАС), участвующих в построении клеточ- ных структур, в клетке и вне ее. По этой причине химические формулы, представленные в работе, изображены таким об- разом, чтобы в наибольшей степени отразить динамичность свойств ФАС. Мы не пользовались данными, демонстрирующими ве- личину дробных зарядов или остаточных валентностей ато- мов. Дело в том, что практически все органические молекулы 6Живая клетка.indb 6 27.10.2009 11:40:03
  • 7. Предисловие клетки при взаимодействии друг с другом способны менять физико-химические параметры в доли секунды при смене их контактов друг с другом. В настоящее время общепринятым подходом к изучению обсуждаемого объекта является «молекулярный», несмотря на многочисленные заявления: «На молекулярном уровне жизни нет». Согласившись с последним утверждением, неиз- бежно приходим к выводу, что необходимо изменить обще- принятые представления и сосредоточить внимание на опи- сании модели, учитывающей целостность структуры живой клетки. К сожалению, практически все экспериментальные дан- ные получены в рамках «молекулярной биологии». Нам не оставалось ничего другого, кроме выбора литературного ма- териала, который позволял бы приблизиться к решению по- ставленной задачи. Нам надо решить, как строится структура, обладающая способностью целенаправленно функционировать, сохраняя заданное строение, при этом настраиваясь на непрерывно меняющиеся условия окружающей среды. Давно известно, что обсуждая любую точку зрения на специфику живого состояния, нельзя обходить вниманием проблему происхождения жизни. Подходы к решению дан- ной проблемы будут представлены в последней главе. Обсуждаемые темы могут вызвать неоднозначную реак- цию физиков, химиков и, конечно, биологов. Поэтому я буду очень благодарен всем, кто обратит внимание на данную ра- боту и выскажет конструктивные критические замечания. Очень важно определить, для какого рода специалистов данная работа может представлять интерес. Хотелось бы на- деяться, что она будет полезна тем, кто пытается решать про- блемы структурного и функционального состояния живой клетки. Это биологи, медики, растениеводы, а также специа- листы, интересующиеся происхождением и возникновением живой субстанции. Возможно, она будет интересна и хими- 7Живая клетка.indb 7 27.10.2009 11:40:03
  • 8. Предисловие кам, синтезирующим физиологически активные соединения, а также физикам, разрабатывающим общую физическую и математическую модели живого состояния клетки. Выражаю глубокую благодарность всем, кто принял ак- тивное участие в подготовке данной монографии. Особая благодарность настоятелю храма Державной ико- ны Божией Матери, доктору медицинских наук, кандидату богословия протоирею Сергию (Филимонову), длительное время проявлявшего внимание к процессу написания моно- графии и оказавшему огромную моральную и духовную под- держку моему скромному труду. Искреннюю благодарность хотелось бы выразить Влади- миру Владимировичу Брюсу, сумевшему изобразить много- численные химические формулы, отражающие подвижность электронов и конформационные изменения компонентов клетки, а также взявшему на себя труд внимательного и кри- тически комментирующего читателя. Огромная благодарность сотрудникам Санкт-Петер- бургского Государственного Университета: докторам хими- ческих наук, профессорам Людмиле Леонидовне Родиной и Анатолию Александровичу Белюстину, внимательно изучив- шим рукопись монографии и сделавшим ценные замечания. Моя благодарность внуку Станиславу Дмитриевичу Про- тасову, выполнившему сканирование и ксерокопирование рисунков и схем из литературных источников. Благодарю всю мою семью за поддержку, терпение и по- стоянную помощь, мою жену Ларису Дмитриевну Костенко, вдохновлявшую меня и помогавшую в подготовке данного труда в течение сорока лет. В. Костенко 8Живая клетка.indb 8 27.10.2009 11:40:03
  • 9. Рецен зия На работ у В. Г. К ос тенко « Ж и в а я к ле т к а гла з а м и х и м и к а - о р га н и к а » Проблема жизни всегда была в центре внимания мысли- телей всех времен и народов. Несмотря на все усилия понять, что такое живая материя, до сих пор нельзя считать, что мы знаем все о живом, как устроена единица живого — клетка, как она возникла или как создана. По этой причине любые подходы к освещению той или иной стороны построения и функционирования живой клетки представляют несомнен- ный интерес. Это касается прежде всего попыток обобщения информации, получаемой при исследовании структуры вну- триклеточных органелл. Автор работы в сжатой форме излагает взгляд на струк- туру живого вещества, начиная с элементарных частиц (электроны, протоны, нейтроны) и кончая целостной живой клеткой. При этом делается упор на клетку как элементарную еденицу живого. Начав с построения белковых молекул из аминокислот, сворачивания этих молекул в растворе воды, автор переходит к коплексообразованию белка с витамина- ми, гормонами, липидами. Далее разбирает характер белок– белок взаимодействий; рассматривает, как ионы металлов влияют на образование надмолекулярных образований; что происходит с молекулой белка, когда она встраивается в эти образования; как меняется при этом конформация и конфи- гурация молекул белка. Рассматривая динамику этих процес- сов, можно представить не только поведение белка в раство- ре, но и в самой клетке. 9Живая клетка.indb 9 27.10.2009 11:40:03
  • 10. В конечном счете автором постулировано представление о целостной структуре клетки. Имеющиеся литературные данные позволяют сделать вывод о синхронности изменений структуры и функционального поведения клетки, сохраняю- щей живое состояние, которое устойчиво, не смотря на не- равновестность и беспрерывно протекающие метаболиче- ские превращения веществ, поступающих из окружающей среды, постоянно изменяющейся. Предлагаемая качественная модель живой клетки, безу- словно, может помочь понять механизм сохранения жизне- способности, динамической стабильности клетки. Рассма- тривая эту же модель, можно прийти к выводу, что объяснить возникновение живой клетки путем длительной эволюции невозможно, так как не могут целенаправленно протекать химические изменения под воздействием химических и фи- зических законов, не обладающих целенаправленностью. В то же время сейчас уже никто не сомневается в том, что в мире живого нет особых физических и химических законов. Так или иначе мы должны согласится, что возникновение живо- го могло произойти только при участии Творца, имело место Сотворение. Представленная В. Г. Костенко работа может быть реко- мендована к опубликованию в открытой печати. Она может представлять интерес для всех, кто интересуется и пытается понять, как устроена и функционирует живая клетка. Доктор химических наук, профессор Химического факультета ЛГУ Л. Л. Родина 10Живая клетка.indb 10 27.10.2009 11:40:03
  • 11. О т зыв на книг у В. Г. Ко с тенко « Ж и в а я к ле т к а гла з а м и х и м и к а - о р га н и к а » Мыслящее существо — человек — не мог обойти своим вниманием вопрос о происхождении и функционировании живой субстанции. Веками длились дискуссии, споры, борь- ба мнений, когда предпринимались попытки узнать, что же такое живая материя, как она возникла, как функционирует, как управляется. Эти вопросы, естественно, порождают но- вые: как регулировать, предотвращать отрицательные послед- ствия, устранять повреждения, т. е. как лечить человеческий организм. Эта проблема, не смотря на многовековой опыт, не решена окончательно и на сегодняшний день. Наверное она останется с человеком всегда, пока он будет присутствовать в этом мире. Автор книги поставил перед собой задачу в меру своих сил вникнуть в данную проблему, поставив во главу угла представление о живой клетке, начиная с элементарных ча- стиц (электроны, нейтроны, протоны), простых веществ (вода, ионы металлов, анионы), более сложных мономерных молекул (углеводы, аминокислоты, гормоны, липиды, ма- кроэрги), полимерных молекул (полипентиды, нуклеиновые кислоты) и, наконец, заканчивая органеллами (компарммен- тами), функционирующими и составляющими основу струк- туры клетки в целом. Естественно автору пришлось затро- нуть физико-химические законы, управляющие процессами внутри клетки, обеспечивающие ее жизнестойкость и рабо- тоспособность. 11Живая клетка.indb 11 27.10.2009 11:40:03
  • 12. С самого начала автор внимательно изучал работы, опу- бликованные и выполненные в те времена, когда экспери- ментальная база была еще не совершенна. В этом плане несо- мненный интерес представляют работы Э. С. Бауера, который сформулировал закон, лежащий в основе существования жи- вой субстанции. Этот закон гласит: «Все живые системы ни- когда не бывают в равновесии и постоянно исполняют за счет своей свободной энергии работу против равновесия, требуе- мого законами физики и химии, при существующих внешних условиях». В данной монографии после ознакомления чита- теля с принципами построения и функционирования живых стуктур, изложенных в работах последних лет, объясняется, каким образом выполняется этот закон без противоречия известным принципам Ле-Шантелье. Опираясь на литературные данные и результаты своих исследований, автор сформулировал 10 постулатов, в полной мере отражающих его точку зрения на возникновение и су- ществование живой клетки. Используемая в работе литера- тура (470 источников) достаточно полно охватывает вопросы затрагиваемые автором. Считаю что представленная В. Г. Костенко рукопись кни- ги может быть опубликована в открытой печати. Она может быть полезна всем специалистам (физикам, химикам, био- логам, медикам), интересующимся или занимающимся ре- шением вопросов, связанных с расшифровкой тайн живого, существующего на земле. Доктор химических наук, профессор Химического факультета ЛГУ А. А. Белюстин 12Живая клетка.indb 12 27.10.2009 11:40:03
  • 13. Введение Прежде чем начать изложение материалов о живом веще- стве, попробуем хотя бы поверхностно вникнуть в построе- ние окружающего нас мира в той мере, в какой это потребует- ся для изложения свойств живого. Основой всего построения, как известно, является атом. Четкое определение атома и мо- лекул, построенных из атомов, было окончательно принято в 1860 г. на съезде химиков в Карлсруэ, хотя гипотеза о том, что все вещества состоят из мельчайших неделимых частиц- атомов, возникла еще в Древней Греции в V–III вв. до  н. э. Роберт Бойль в XVII в. обосновывал все химические изме- нения соединением и разъединением атомов. Последующее накопление знаний о химических и физических свойствах атомов (элементов), а также установление периодического за- кона Д. И. Менделеева в 1869 г. явилось базой для разработки учения о строении атома. В центре атома, диаметр которого ~10-8 см, располагается ядро с диаметром ~10-12 см, состоящее из протонов и нейтро- нов, масса которых одинакова (для удобства принятая за еди- ницу, но с различными зарядами — у протона +1, а у нейтро- на 0). Строение атома в целом, а соответственно и его свой- ства прежде всего определяются ядром, хотя во всех хими- ческих превращениях ядра атомов остаются неизменными. Образование и разрушение химических связей, возможности связывания (валентность) элемента, число связываемых дру- гих элементов зависят от оболочки, окружающей ядро. Эта оболочка состоит из еще более мелких частиц — электронов, масса которых в 1840 раз меньше массы протона, а заряд ра- вен –1. В итоге число электронов равно числу протонов, поэ- тому в неионизированном состоянии атом нейтрален. 13Живая клетка.indb 13 27.10.2009 11:40:03
  • 14. Введение Если рассматривать электрон как материальную частицу, движущуюся по законам классической механики вокруг ядра и удерживаемую ядром благодаря кулоновским электроста- тическим силам, то движение электрона должно происходить с ускорением. Атом при этом будет терять энергию в виде электромагнитного излучения. В таком случае атом был бы неустойчивой системой. В действительности же атом устой- чив. Значит, законы классической механики неприменимы для объяснения поведения микромира. Огромный экспериментальный материал, накопленный атомной физикой, позволил Бору постулировать два основ- ных положения: 1. Атом является устойчивым лишь в некоторых стацио- нарных состояниях, соответствующих определенным значе- ниям внутренней энергии. Любое изменение этой энергии связано с переходом атома из одного стационарного состоя- ния в другое. Стационарное состояние атома с наименьшей энергией (Е1) называется основным или нормальным. Все остальные состояния с большей энергией (Еi) являются воз- бужденными состояниями i = 2, 3, 4, 5... Для перевода атома из нормального состояния в возбуж- денное, необходимо ему сообщить энергию: Еi – Е1. 2. Переходы атома из одного состояния в другое подчиня- ются квантовым законам, т. д. носят дискретный характер. Энергия испускается или поглощается за счет электромаг- нитного излучения и минимальной ее величиной обладает фотон. Его энергия обозначается буквой h и носит название постоянной Планка. Тогда переход из стационарного состоя- ния с энергией Еi в другое стационарное состояние Е будет подчиняться соотношению где ν — частота электромагнитного излучения. В основном состоянии атомы могут только поглощать фо- тоны, тогда как в возбужденном состоянии атомы поглоща- 14Живая клетка.indb 14 27.10.2009 11:40:03
  • 15. Введение ют и испускают электромагнитное излучение. Время жизни атома водорода в возбужденном состоянии порядка 10-8 сек. Атомы каждого элемента поглощают и испускают свет в со- ответствии с энергией, которой обладают их электроны. Как правило, это валентные электроны. Спектр поглощения и ис- пускания простейшего атома водорода, как и других атомов, дискретен и состоит из отдельных линий, которые позволяют судить о строении исследуемых атомов, что стало возмож- ным в начале XX в. после появления спектральных методов исследования. Представления об электроне как частице, движущейся в атоме по круговым орбитам, согласно ньютоновской механи- ке, необходимо теперь заменить на квантово-механические представления. Наряду со свойствами электрона, как части- цы, согласно этим представлениям, учитываются его волно- вые свойства. Тогда длина волны λ, соответствующая движе- нию электрона со скоростью v будет: Соотношение было введено де-Бройлем и волна назва- на его именем. Для электрона в атоме ее величина оказы- вается равной размеру атома (10-8 см). Согласно квантово- механическим представлениям, электрон в атоме распределен в пространстве вокруг ядра с некоторой плотностью, образуя так называемое «электронное облако». В таком случае описа- ние электрона сводится к использованию волновой функции Э. Шредингера [27] ψ(x,y,z), являющейся функцией коорди- нат электрона x,y,z. Тогда электронная плотность определяет- ся квадратом модуля волновой функции [ψ(x,y,z)]2, которая дает вероятность нахождения электрона (если мы его рассма- триваем как частицу) в данной точке с координатами x,y,z. Полный интеграл по всему пространству: 15Живая клетка.indb 15 27.10.2009 11:40:03
  • 16. Введение будет равен, естественно, единице, что соответствует вероят- ности нахождения электрона, где бы он ни был. Это условие нормировки. Базируясь на расчетах одноэлектронной системы атома водорода и переходя к более сложным атомам, квантовая ме- ханика вводит четыре квантовых числа, позволяющих рас- считать форму электронных облаков в многоэлектронной системе: 1. Главное квантовое число n, которое обозначает номер электронного слоя; чем меньше n, тем меньше расстояние электрона от ядра, тем прочнее электрон связан с ядром. 2. Орбитальное квантовое число l, принимающее n значе- ний 3. Магнитное квантовое число mι, принимающее 2l + 1 значений 4. Спиновое квантовое число — спин электрона — харак- теризует электрон как частицу и означает вращение электро- на вокруг своей оси (по- или против часовой стрелки), это квантовое число ms принимает значения +1/2 и –1/2. Орбитали с квантовым числом l, принимающим значения 0,1,2,3,4,5… принято обозначать буквами s, p, d, f, g. Принимая определенные значения n, l и m, получают рас- пределение электронной плотности вокруг ядра, т. е. форму соответствующих орбиталей. В простейшем случае с n = 1, l = 0, ml = 0 имеет место сферическое распределение электрон- ной плотности. Иными являются форма и пространственная направленность электронных облаков с другими значениями квантовых чисел. Например, 3p-орбитали имеют форму трех гантелей, направленных перпендикулярно друг к другу. Чтобы представить обобщенную картину строения ато- ма, нужно учитывать принцип Паули: в системе электронов в атоме не может быть двух электронов в одинаковых кван- 16Живая клетка.indb 16 27.10.2009 11:40:03
  • 17. Введение товых состояниях, что для сложных атомов приводит к об- разованию электронных оболочек, заполняющихся строго определенным количеством электронов. Для электронной оболочки любые два электрона должны отличаться хотя бы одним из четырех квантовых чисел: n, l, mι , ms . Не углубляясь далее в подробности строения атома (читатели найдут изложение данного вопроса в любом из учебников по общей химии, например [4], см. также [5, 9]), остановимся вкратце на способности атомов образовывать связи друг с другом. Простейшим случаем является молекула водорода. Допустим, что имеем два атома водорода, электронная конфигурация которых: у первого — n = 1, l = 0, ml = 0 и ms = 1/2; у второго — n = 1, l = 0, ml = 0 и ms = –1/2. Тогда при сближении этих атомов может возникнуть дву- ядерная система (рис. 1). 1 2 3 Рис. 1. S-электронные облака атома водорода (1) и образование дву- ядерной системы (2, 3). Это простейший тип ковалентной σ-связи. Легко видеть, что при сближении облаков двух атомов водорода между двумя ядрами возникает более уплотненная 17Живая клетка.indb 17 27.10.2009 11:40:03
  • 18. Введение электронная область. Два атома как бы связываются друг с другом. На самом деле возникает система обобщенных элек- тронных облаков, единое облако для двуядерной системы. Разделить теперь образовавшуюся двуядерную систему на два атома водорода можно, затратив энергию, необходимую для разрыва химической связи в молекуле H2. В данном слу- чае ковалентной связи H—H. В общем случае в образовании ковалентных связей участвуют внешние электроны, образуя так называемые валентные пары — пары электронов с анти- параллельными спинами (ms +1/2 и –1/2). При этом суще- ственно чтобы атом, вступающий в соединение с другим ато- мом, имел внешние электроны, спины которых параллельны, т. е. не спарены. Атом углерода, представляющий особый интерес при изучении живой субстанции, имеет на внешней электронной оболочке один s-электрон (2s) и три p-электрона (2p3). Сле- довательно, он мог бы образовать одну связь за счет одного 2s-электрона и три связи за счет 2p-электронов. В действи- тельности все четыре связи в молекуле метана одинаковы и направлены под углом 109°28 к вершинам тетраэдра. В таком случае, согласно квантово-механическим пред- ставлениям, говорят о гибридизации одного s-электрона и трех p-электронов, т. е. о так называемой sp3-гибридизации. Таким образом, соответствующая двухэлектронная система по каждой связи будет образована s-электроном водорода и гибридизованным sp3-электроном углерода. Возникающая при этом ковалентная связь называется σ-связью. Между двумя углеродными атомами может возникнуть одна σ-связь, но не более, так как в противном случае в двуядерной системе будет четыре электрона, т. е. две пары электронов будут с оди- наковыми четырьмя квантовыми числами, что противоречит принципу Паули. Однако общеизвестно, что кратные связи в органической химии существуют. Тогда вводится понятие об sp2-гибридизации, т. е. один р-электрон оказывается не- гибридизованным и вторая связь между атомами углерода 18Живая клетка.indb 18 27.10.2009 11:40:03
  • 19. Введение будет образована за счет перекрывания двух р-электронов. Такая связь называется π-связью, например, в молекуле эти- лена. В молекуле ацетилена имеет место уже sp-гибридизация, и две π-связи располагаются перпендикулярно друг другу (рис. 2). Электроны σ-связи локализованы по оси, связывающей атомы углерода и их разрыв затруднен, т. е. реакционноспо- собность соединений с σ-связями будет низкой. 1 2 Рис. 2. Электронные облака в молекулах этилена (1) и ацетилена (2). Локализация электронов, участвующих в образовании π-связей, будет меньшей, т. е. они будут частично делокали- зованы, соответственно π-связи будут более реакционноспо- собны. В общем случае увеличение делокализации электро- нов будет приводить к возрастанию реакционноспособности. Наглядным примером может служить реакционноспособ- ность бутадиена и бензола. π-орбиты этих соединений при- ведены на рис. 3. 1 2 Рис. 3. Электронные облака в молекулах бензола (1) и бутадиена (2). 19Живая клетка.indb 19 27.10.2009 11:40:03
  • 20. Введение Как видно из рисунка, четыре р-электрона бутадиена об- разуют общее электронное облако вокруг четырех атомов углерода. Реагент, атакующий молекулу бутадиена и в той или иной степени обладающий зарядом, легко сдвигает элек- тронное облако, что делает это соединение очень реакцион- носпособным. В молекуле бензола, где электронное облако шести π-электронов замкнуто, разрушить связи бензольного коль- ца гораздо труднее. Кроме того в молекуле бензола все шесть атомов водорода находятся в одной плоскости. В целом мо- лекула является жесткой и никакие повороты невозможны. Иное дело молекула бутадиена, где вокруг σ-связи между двумя π-связями возможны повороты: 1 2 Если в первом случае сопряжение между двумя π-связями возникает, то во втором — оно полностью исчезает, так как π-связи находятся не в одной плоскости. Можно представить себе образование и существование многоядерных сопряженных систем, где сопряжение рас- пространяется по системе сопряженных связей. Не вдаваясь сейчас в глубину эффектов, создаваемых возникновением по- лисопряжения в молекулярных системах, отметим только то, что значимость этого феномена для объяснения специфики живого состояния клетки трудно переоценить. Все приведенные примеры молекул и связей в них сим- метричны и заряды в них отсутствуют, так как сродство к электрону у связываемых атомов одинаково. Иная картина будет тогда, когда связь возникает между атомами, сродство к электрону у которых различно, например, между кислородом и водородом или углеродом. 20Живая клетка.indb 20 27.10.2009 11:40:03
  • 21. Введение Смещение электронных облаков к более электроотрица- тельному атому (т. е. атому с большим сродством к электро- ну) приводит к появлению дробных зарядов на связанных атомах. В этом случае мы имеем дело с полярными σ- или π-связями. Если сродство к электрону у связываемых атомов разли- чается так, что электроны полностью захватывается одним из атомов (например, натрий теряет электрон, а хлор приоб- ретает), возникает ионная связь, где атомы удерживаются в связанном состоянии за счет электростатических (кулонов- ских) сил: Na+ Cl- Наглядно это представлено на рис. 4, приведенном в уже цитированной работе [4]. 1 2 3 Рис. 4. Распределение электронных облаков по различным типам свя- зей: неполярной ковалентной связи (1); полярной ковалентной связи (2); ионной или электростатической связи (3) [4]. В перечисленных случаях химические связи образуются за счет неспаренных электронов внешней оболочки. Однако у атомов, представляющих интерес с точки зрения построе- ния биологических структур (N, O, S, Р), имеются так назы- ваемые неподеленные электронные пары, т. е. электроны, не участвующие в образовании связи. 21Живая клетка.indb 21 27.10.2009 11:40:03
  • 22. Введение При сближении молекул с атомами, имеющими такие пары, с атомами молекул, имеющими вакантные места, где могут разместиться неподеленные электроны, возникает хи- мическая связь, именуемая донорно-акцепторной или коор- динационной. Простейшим случаем такой связи является образование оксония или аммония: Электронные облака связей N—H или O—H достаточно сильно смещены к электроотрицательным атомам, в резуль- тате полярность связей столь высока, что между соответству- ющими молекулами также возникает связь, именуемая «во- дородной»: В воде число протонов равно числу неподеленных электронных пар. Это позво- ляет воде создавать систему объемных водородных связей, осуществляемую при образо- вании кристаллической струк- туры льда. Здесь — протон, — атом кислорода. Здесь и далее мы не будем больше обозначать электрон- ные пары по линии связи. Общепринято, еще со времени 22Живая клетка.indb 22 27.10.2009 11:40:04
  • 23. Введение Бутлерова, что черточка «—» между атомами означает ва- лентную связь между ними, т. е. по современным представ- лениям они связаны двумя спаренными электронами с анти- параллельными спинами, образующими общее электронное облако. Нельзя не остановиться на пространственном расположе- нии атомов в органических молекулах. Ранее уже упомина- лось о том, что четыре σ-связи в атоме углерода в состоянии sp3–гибридизации направлены по углам правильного тетра- эдра. И в этом случае перекрывание электронных облаков σ-связи происходит по линии, связывающей центры двух атомов. Поворот вокруг этой связи не требует затраты энер- гии, и два атома углерода, связанные σ-связью, могут свобод- но поворачиваться вокруг этой связи: Однако при наличии заместителей у атомов углерода, вступает в силу взаимодействие между этими заместителями. Даже в случае, когда этими заместителями являются атомы водорода (молекула этана), возможно как минимум возник- новение двух форм: Заторможенная Заслоненная Получаем два изомера с разным расположением замести- телей в молекуле этана. Чтобы не путать эту изомерию с клас- сической изомерией, принятой в органической химии, Хеуорс в 1929 г. предложил именовать такие изомеры «конформе- рами» (цитир. по [7], с. 99). В случае этана взаимодействие 23Живая клетка.indb 23 27.10.2009 11:40:04
  • 24. Введение (отталкивание) между атомами водорода столь ничтожно, что говорить о преимуществе какой-то из конформаций не имеет смысла, так как тепловая энергия среды превышает энергию, необходимую для поворота вокруг σ-связи (в этане 2,8 ккал⋅моль-1 ([7], с. 111). Для более сложных циклических систем конформацион- ные переходы имеют более высокий энергетический барьер и невозбужденные молекулы могут принимать конформа- цию энергетически более выгодную. Например, циклогексан может существовать в двух циклических формах: «кресла» и «ванны» (1 и 2). 1 2 Дв е конф ормации цик логекс ана могу т пер ехо- дить друг в друга. Энергетический барьер этого перехода ~10  ккал⋅моль-  1. Аналогичная картина имеет место в пира- нозных циклах (встречаемых в молекулах углеводов): Здесь возможны две формы «кресла» и шесть форм «ван- ны». Какая из конформаций окажется энергетически более выгодной, будет зависеть от заместителей при углеродных атомах. Особое внимание необходимо обращать на положение заместителей, находящихся либо в экваториальном (е), либо аксиальном (а) положении. Хотя переходы между конформа- циями циклических структур и достигают 5–10  ккал⋅моль-1, тепловое движение не позволяет выделять конформеры в чи- стом изолированном виде. Особо следует подчеркнуть, что к конформерам относятся такие формы молекул, которые переходят друг в друга толь- 24Живая клетка.indb 24 27.10.2009 11:40:04
  • 25. Введение ко за счет поворота вокруг ординарных σ-связей. Переходы, связанные с образованием и разрывом тех или иных межмо- лекулярных связей, относятся не к конформационным, а к конфигурационным изомерам. Нельзя не остановиться на вопросах, связанных с симме- трией и асимметрией молекул. Выше уже упоминалось, что направленность электронных облаков атомов, а следователь- но и будущих химических связей строго симметрична. Про- стейшей симметричной молекулой, имеющей неоценимое значение для построения живых структур, является молеку- ла воды. Направленность двух связей кислорода с водородом, такова, что угол между ними составляет 105°03. Свободные же электронные пары, участвующие в образовании водород- ных связей, расположены так, что все четыре связи направ- лены по углам тетраэдра и угол между ними имеет величину около 109,5°. Симметрия молекул воды, естественно, приво- дит к склонности ее к кристаллизации. Известно, что симметрия молекул является основой для симметрии кристаллов [8]. Если теперь обратимся к атому углерода, то столкнемся также с симметричным расположе- нием четырех гибридизованных связей в простейшей моле- куле метана. И здесь связи направлены по углам правильного тетраэдра с углами между ними 109°28. Когда вместо водоро- да по вершинам тетраэдра располагаются другие заместите- ли, правильный тетраэдр искажается. До тех пор пока в орга- нической молекуле у атома углерода имеется два одинаковых заместителя, молекула будет иметь хотя бы один из элемен- тов симметрии (центр симметрии, плоскость симметрии, ось симметрии). Атом углерода, у которого все четыре замести- теля разные, становится полностью асимметричным и воз- никает так называемая оптическая изомерия, за счет асимме- тричности молекулы в целом. Оптические изомеры вращают плоскость поляризованного луча один вправо, другой — вле- во. С этим явлением мы также столкнемся при построении структуры живой клетки. 25Живая клетка.indb 25 27.10.2009 11:40:04
  • 26. Введение Несколько иначе выглядит молекула аммиака. Здесь связи азота с водородом направлены по углам правильного треу- гольника в основании. Азот находится в вершине пирамиды. Углы между связями N—H составляют ~108°. Но в молекуле аммония азот оказывается опять же в центре правильного те- траэдра. В основе пространственной структуры кислородных производных фосфора также лежит неправильный тетраэдр ([9], с. 340–342), так как атом фосфора расположен в центре тетраэдра и связан с атомами кислорода, которые находятся в различных состояниях. Это касается и атома серы (там же, с. 362). Заканчивая предварительное знакомство с основами хи- мических знаний, которые понадобятся в будущем при из- ложении строения живой субстанции, необходимо остано- виться на законах, которые управляют происходящими в ней химическими превращениями. Сейчас уже можно без всяких сомнений принять утверждение, что никаких особых зако- нов, присущих только живому, не существует. Согласно утверждению физика Блюменфельда ([12], с.  11–12): «Для полного описания и понимания строения и функционирования всех существующих биологических си- стем в принципе достаточно известных нам основных за- конов физики». В примечании утверждается, что это можно сказать и о химии. Символом веры Блюменфельда, как он утверждает, является то, что не нужно формулировать новые постулаты и вводить мировые постоянные. Что касается фи- зики, то, естественно, физику виднее. Что касается химии, то позволим себе с этим не согласиться и в процессе изложения сформулируем постулаты, которые, по нашему мнению, сде- лают более понятными принципы построения и функциони- рования живой клетки, хотя, действительно, никаких «миро- вых постоянных» на основании наших постулатов вводить не требуется. Что касается законов термодинамики, то следует сказать следующее: первое начало термодинамики о сохранении и 26Живая клетка.indb 26 27.10.2009 11:40:04
  • 27. Введение превращении энергии не может не выполняться, так как речь идет о выполнении всеобщего закона о сохранении вещества и энергии, открытого еще в позапрошлом веке М. В. Ломоно- совым. Выполнение второго начала термодинамики означа- ет, что некая система не может быть вечным двигателем 1-го рода, т. е. она не может черпать энергию от тела с более низ- кой температурой и передавать ее телу с более высокой тем- пературой. Изменение внутренней энергии системы равно разности между количеством теплоты, полученной системой из среды, и количеством работы, произведенной системой над средой. Не имея возможности более подробно останавливаться на вопросах превращения и сохранения энергии как функции состояния, отсылаем читателя к прекрасным монографиям Певзнера [10] и Пригожина, Кондепуди [11], в которых эта проблема изложена достаточно строго и доступно для пони- мания слабо подготовленного читателя. Химические реакции всегда сопровождаются либо погло- щением, либо выделением тепла, и тогда для удобства расче- тов была введена функция состояния, называемая энтальпи- ей (Н). В таком случае тепловой эффект химической реакции (Qр) будет равен: ⋅ Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзо- термическими (ΔН < 0), а с его поглощением — эндотермиче- скими (ΔН > 0). Согласно закону Лавуазье—Лапласа, тепло- вые эффекты реакций, протекающих в прямом и обратном направлениях, равны по величине и противоположны по знаку. Самопроизвольно могут протекать реакции, идущие с выделением тепла, т. е. с уменьшением внутренней энергии системы. Однако на практике мы можем наблюдать и процес- сы, которые сопровождаются поглощением тепла, правда за счет его поглощения из внешней среды (например, плавление льда). Значит, должна существовать еще функция состояния, которая объясняла бы самопроизвольность протекания это- 27Живая клетка.indb 27 27.10.2009 11:40:04
  • 28. Введение го процесса. Эта функция состояния получила название эн- тропии. Наиболее просто суть этой функции вытекает из ее определения как меры неупорядоченности системы. Химические проблемы удобнее решать, используя опреде- ление энтропии, данное Больцманом: энтропия системы (S) пропорциональна логарифму термодинамической вероятно- сти (W) состояния системы, где k — постоянная Больцмана (k = 1,38·10-16 эрг·град-1), а тер- модинамическая вероятность W определяется числом микро- состояний, которым может осуществляться рассматриваемое макросостояние. Важность этого определения неоценима для объясне- ния построений в живой клетке. Функцию состояния, свя- зывающую энтальпию и энтропию, ввел Дж. Гиббс (цитир. по [4], с. 139). В термодинамике ее называют свободной энергией (G): или ее изменение: Согласно термодинамике, в закрытой системе при посто- янном давлении и температуре самопроизвольный процесс должен протекать только в сторону уменьшения свободной энергии системы. Будет ли иметь место такой процесс в суще- ственном количественном отношении, зависит еще и от его энергии активации. Как известно, наука, изучающая скорости и механизмы химических реакций, называется кинетикой, экспериментальной основой которой является измерение скоростей химических реакций в зависимости от температу- ры, давления, природы растворителей, наличия катализато- ров или ингибиторов и т. д. Для живых систем следует признать важнейшими фак- торами температуру и участие в реакциях катализаторов и 28Живая клетка.indb 28 27.10.2009 11:40:04
  • 29. Введение ингибиторов. Вант-Гофф в позапрошлом веке сформировал эмпирическое правило, согласно которому скорость реакции возрастает не менее чем в 2–4 раза при повышении темпера- туры на 10 градусов. Почему это происходит? Дело в том, что между двумя молекулами может иметь место реакция только тогда, когда молекулы сблизятся настолько, что их электрон- ные облака смогут перекрыться. Но при сближении молеку- лы начинают действовать силы отталкивания — ведь на по- верхности каждого атома, входящего в состав и той и другой молекулы, находятся электроны. Значит, поверхность атомов заряжена отрицательно, что и приводит к отталкиванию од- ноименных зарядов. Для преодоления этого отталкивания кинетическая энергия сталкивающихся молекул должна быть достаточно высокой. Рост кинетической энергии с повышением температуры носит сложный характер (см. рис. 5). Рис. 5. Распределение частиц газа по кинетической энергии при раз- личных температурах: 1 — Т1 ; 2 — Т2 ; 3 — Т3 ; Т1 < Т2 < Т3. Из рисунка видно, что число частиц с энергией Еа растет с повышением температуры. Если Еа есть энергия, достаточ- ная для протекания химической реакции, то скорость реак- ции (ее константа k) связана с температурой уравнением, вве- денным С. Аррениусом: , 29Живая клетка.indb 29 27.10.2009 11:40:04
  • 30. Введение где k — константа скорости; R — газовая постоянная; Т — температура; Еа — энергия активации, ниже которой реакции не идут; А — постоянная, характеризующая каждую реакцию. Еще одно существенное замечание — не все столкнове- ния, энергия которых достигает величины Еа, будут при- водить к возникновению химического превращения, если сталкивающиеся молекулы будут развернуты «неудобным» образом, тогда отсутствует возможность перекрывания соот- ветствующих электронных облаков. В этом случае неоцени- мую помощь оказывают вещества, способные образовывать промежуточный комплекс хотя бы с одной из реагирующих молекул: . Такой процесс именуется катализом, а вещество, образую- щее промежуточный комплекс и остающееся после реакции в неизменном виде, называется катализатором. Роль катализа- тора сводится к снижению энергии активации Еа, что ускоря- ет ход химической реакции (рис. 6). Рис. 6. Энергетическая схема реакций: 1 — без катализатора, ей со- ответствует большая энергия активации Еа ; 2 — реакция в при- сутствии катализатора — ей соответствует пониженная энергия активации Еа (кат) [4]. 30Живая клетка.indb 30 27.10.2009 11:40:04
  • 31. Введение Практически все реакции, имеющие место в живых си- стемах, протекают в присутствии катализаторов, именуемых в биохимии ферментами. Итак, мы познакомились в кратчайшей форме с основ- ными химическими понятиями, которые нам понадобятся при изложении взгляда автора этой книги на суть процессов в живой клетке. Данная работа не является обзором, охва- тывающим всю литературу, опубликованную к настоящему времени. Читатели при желании могут воспользоваться при- веденным списком литературы, чтобы представить себе весь объем информации по данному вопросу. Вспомним Козьму Пруткова: «Нельзя объять необъят- ное», а ведь именно информация о живом (эксперименталь- ные и описательные факты) превратилась сейчас в необъят- ное море, в котором можно утонуть. Поэтому необходимо ограничить круг вопросов, которые мы будем обсуждать. Центральным вопросом нашего изложения будет проблема построения структуры живого вещества, специфики этого построения, взаимосвязь структуры живого с окружающей средой и его функциональным состоянием. При этом не бу- дем подробно обсуждать биосинтез белка и нуклеиновых кислот. Эту информацию читатель без труда найдет в обзо- рах, также приведенных в списке литературы Заранее приношу извинения у читателей за неизбежные «повторы» в изложении экспериментальных фактов. Напри- мер, нельзя, описывая структуру и состояние белковой мо- лекулы в клетке, не затрагивать ее функциональных свойств (чаще всего ферментативных). В то же время, знакомясь с поведением ферментов в клетке, нельзя обойти вниманием вопросы структуры белка. Таких примеров можно привести множество. 31Живая клетка.indb 31 27.10.2009 11:40:04
  • 32. Глава 1 Клетка — элементарная единица живого Мы уже констатировали, что элементарной единицей жи- вой субстанции является клетка. Что это означает? Науке в настоящее время неизвестен ни один живой организм, по- строенный не из клеток. По-видимому, существовать в зем- ных условиях внеклеточная форма жизни не смогла бы, так как такая живая субстанция немедленно была бы поглощена более приспособленной и более устойчивой клеточной, ныне существующей, формой жизни ([13], с. 45). Вирусы и бакте- риофаги вряд ли можно считать живыми, так как вне клеток они существовать и размножаться не могут. Иерархия построения материального мира и место клетки в этой иерархии представлены схемой 1.1. Как видно из схе- мы, для решения вопросов построения и функционирования живой клетки необходимо опираться и использовать данные физики и химии. В то же время нельзя понять, как устроен и функционирует многоклеточный организм, если мы не знаем все о живой клетке, т. е. мы имеем дело с многоуровневым по- строением живой субстанции ([13], с. 18). Что из этого следует? Если мы сможем понять, как устро- ена и функционирует живая клетка, будет легче познать за- кономерности и законы, управляющие поведением живых организмов. Нельзя не согласиться с утверждением С. Е. Брес- лера ([14], с. 5): «Клетка не может быть уподоблена сосуду, в котором попросту перемешаны в растворе все метаболиты и ферменты — она разделена на множество органелл, защи- щенных белковыми, часто липопротеиновыми мембранами, наделенными ферментативной активностью, препятствую- 32Живая клетка.indb 32 27.10.2009 11:40:04
  • 33. Клетка — элементарная единица живого щими свободному проникновению растворенных веществ». Уже из этого утверждения следует, что клетка представляет собой структурное образование, наделенное свойствами, которыми обладает живая субстанция. Естественно, что мы можем ожидать существования особых законов и закономер- ностей, присущих живым клеткам, если из них построена эта субстанция. Однако эти законы не могут нарушать законы физик и и химиии и противоречить им. В 1935 г. Э. С. Бауэр [15] впервые попытался, анализируя поведение живых организмов и структуру некоторых орга- нов и тканей, вывести эти законы. Учитывая то, что он опере- дил свое время на десятилетия и что до настоящего времени никому так и не удалось создать цельную теорию живого, по- пробуем подробнее остановиться на его взглядах, несмотря на то, что по мнению некоторых исследователей эти взгляды не являются общепризнанными. Общий закон биологии по Бауэру гласит: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и постоянно исполняют за счет своей свободной энергии работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при суще- ствующих внешних условиях». Известно, что равновесие в неживых системах стремится вернуться к исходному состоянию при существующих внеш- них условиях и воздействию извне. Живые системы также стремятся сохранить свое неравновесное состояние при воз- действии на них извне. Это свойство принадлежит только живым системам, так как неизвестно ни одной неживой си- стемы, которая сохраняла бы устойчивость в неравновесном состоянии (конечно при условии, что эта система обладала бы и другими признаками живых систем, о чем речь пойдет ниже). Далее Бауэр считает, что живые системы выполняют ра- боту за счет структурной свободной энергии. При этом за- трачиваемая свободная энергия живой системы расходуется либо на совершение внешней работы, либо на сопротивле- 33Живая клетка.indb 33 27.10.2009 11:40:04
  • 34. Клетка — элементарная единица живого Схема 1.1 Иерархия построения материального мира и др. 34Живая клетка.indb 34 27.10.2009 11:40:04
  • 35. Клетка — элементарная единица живого ние системы сдвигу в направлении равновесия. В последнем случае энергия расходуется на сохранение структуры, ко- торая сохраняет неравновесное состояние. В этом отноше- нии возникает ощущение, что мы имеем дело с принципом Ле-Шателье, но это ощущение ложное. Если, согласно прин- ципу Ле-Шателье, при воздействии на равновесную систему какого-либо из факторов внешней среды в системе проис- ходят изменения, способствующие сохранению равновесия, то в живой системе воздействие внешних факторов будет вы- зывать изменения, способствующие сохранению неравновес- ного состояния. Каким способом это достигается, обсудим позднее. По Бауэру, живая материя обладает структурной свобод- ной энергией, которая может уменьшаться или увеличивать- ся в каждый данный момент при существующих внешних условиях, и тогда всякая работа внутри или вне живой си- стемы может производиться только за счет этой структурной энергии. Принцип устойчивого неравновесия в приложении к живой структуре означает, что в живой системе действу- ют системные силы, сохраняющие неравновесное состояние системы в целом. Бауэр утверждает: «Живые системы не яв- ляются ни термодинамическими, ни хемодинамическими машинами. Они вообще не являются машинами в обычном смысле этого слова; они подчинены особым своеобразным законам, которыми отличаются от машин и неживых систем. Законы термодинамики сохраняют при этом свое значение, но проявляются в совершенно иной форме и не могут быть применены к живым системам непосредственно без учета этих особых законов и особого состояния и строения живой материи». Вряд ли можно возразить против этого утверж- дения. Приняв все перечисленные выше положения, можно ожи- дать, что выполняя работу, живая система будет изменять свое структурное состояние. Это показано на примере му- скульной ткани при съемке ее в поляризованном свете. По- 35Живая клетка.indb 35 27.10.2009 11:40:04
  • 36. Клетка — элементарная единица живого перечнополосатые мышцы частично теряют поперечную по- лосатость и переходят в более или менее гомогенизированное состояние после того, как подвергнутся нагрузке (рис. 7). 1 2 3 Рис. 7. Изменение во времени поперечной исчерченности растянутой мышцы: 1 — в момент растягивания; 2 — через 2 часа от начала рас- тягивания; 3 — через 4 часа [15]. Сразу следует обратить внимание на то, что изменения наблюдаемой исчерченности поперечнополосатой мышцы носят неспецифический характер. Сходная картина наблю- дается и при воздействии яда — монойодуксусной кислоты (рис. 8), при раздражении и просто при отмирании мышцы (рис. 9). Следует отметить, что с неспецифичностью мы столкнем- ся и далее при рассмотрении других примеров. Наблюдая за изменениями мускульной ткани при ее умирании, Бауэр дела- ет выводы о форме мицелл ткани и форме молекул этой тка- ни, считая, что последние обладают продолговатой формой, соответствующей неравновесному состоянию. По-видимому, выводы о форме молекул тогда были преждевременными. Несомненный интерес представляют данные Бауэра о переходе тканей и клеток из живого состояния к мертвому. При этом происходит выделение теплоты или излучения, т. е. клетка, умирая, теряет структурную энергию: где Ει — обозначает энергию в живом состоянии и Εt— в мертвом; h — постоянная Планка, ν ─ обозначает частоту колебаний ис- пускаемых лучей; т. е. энергия выделяется при переходе клеточ- 36Живая клетка.indb 36 27.10.2009 11:40:05
  • 37. Клетка — элементарная единица живого ной системы из неравновесного в равновесное состояние ([16], с. 107–111). 1 2 Рис. 8. Поперечная исчерченность растянутой мышцы, отравленной монойодуксусной кислотой: 1 — в момент растягивания; 2 — через 1 час 40 минут после начала растягивания [15]. 1 2 Рис. 9. Изменение поперечной исчерченности нормальной мышцы: 1 — до раздражения; 2 — после 15-минутного раздражения [15]. Если теперь перейти к свободной энергии F, то матема- тическое выражение для изменения (интегрального) этой функции состояния при переходе из живого неравновесного в мертвое (равновесное) состояние будет: , 37Живая клетка.indb 37 27.10.2009 11:40:05
  • 38. Клетка — элементарная единица живого где F — свободная энергия неживой (равновесной) систе- мы, F — то же для живой (неравновесной) системы, Х и Х — суммарная работа, которая может быть выполнена живой си- стемой, dx, dx — работа за минимальный промежуток вре- мени dt. Когда живая система не выполняет внешней работы, вся работа будет направлена на сохранение неравновесного со- стояния живой системы. Что это означает и за счет каких структурных факторов выполняется это соотношение, рас- смотрим позднее. Был период в изучении жизненных явлений, когда для их объяснения привлекались представления о «живом бел- ке». Бауэр убедительно доказывает, что «живой белок» не существует. Для того чтобы понять эти явления, необходимо привлекать физические и физико-химические науки. Он пи- шет: «Итак, если до развития физической химии нельзя было создать теорию живой материи, то применение этой науки, в конце концов, доказало, что без углубленного познания особенностей состояния живой материи непосредственно- го применения физикохимии также недостаточно для объ- яснения жизненных явлений». Отсюда следует, что объяс- нить жизненные явления можно только тогда, когда сможем понять, каково состояние молекул, из которых построено живое. Несмотря на то, что работы Бауэра были незаслуженно за- быты на долгие годы, периодически можно найти серьезную интерпретацию его взглядов. Наверное, наиболее глубоко это осознал Токин [16] через 30 лет после выхода в свет книги Ба- уэра. Токин не только подробно изложил суть взглядов Бауэ- ра, но и, по возможности, учел достижения в физике и химии, происшедшие за этот период времени. В частности, заслу- живает внимания взгляд Токина на объяснения неравно- весного состояния в живой системе. Он пишет: «Отсутствие равновесия в живых системах обусловлено возбужденным состоянием белковых молекул протоплазмы. Поддержание 38Живая клетка.indb 38 27.10.2009 11:40:05
  • 39. Клетка — элементарная единица живого этого состояния обеспечивается процессом обмена веществ, столкновениями второго рода между молекулами пищевых веществ, ведущими к активации последних, а их химическая энергия, освобождающаяся в реакции, используется для под- держания активного, возбужденного состояния молекул жи- вого вещества». Прошло еще 28 лет. В 1993 г. к 100-летию со дня рождения Бауэра был выпущен сборник научных трудов, посвященных современным взглядам на его «Теоретическую биологию». К сожалению, некоторые авторы оказались озабочены не раз- витием закона, провозглашенного Бауэром, а поиском взгля- дов и фактов, якобы противоречащих ему. Шноль [17] пишет: «Вполне вероятно, что сам Э. С. Бауэр, дожив до 60-х гг., отказался бы от излишне ригористическо- го толкования своего принципа, увидев его иллюстрацию в асимметричном, неравновесном, устойчиво поддерживаемом распределении ионов в системе клетка—среда». Во-первых, Бауэр формулирует не принцип, а закон. Сле- довательно, закон должен либо выполняться, либо нет, но тогда (в случае невыполнения) это не закон. Очень сомни- тельно, чтобы Бауэр отказался от сформулированного им за- кона. Скорее он нашел бы объяснения тем сотням фактов о распределении ионов в системе клетка—среда. Далее Шноль «отвергает» положение, что «сущность жиз- ни» определяется особым физическим состоянием молекул: белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, метаболи- тов и т. д. Удивляет категоричность утверждений автора: «особо- го энергетического состояния молекул нет». Он считает, что «все эти свойства более или менее выраженные, присущи и заведомо небиогенным молекулам, структурам, системам». Не стоит дальше вступать в полемику со Шнолем, тем более, что заканчивает он свою статью пожеланием, чтобы новые поколения исследователей обратили свое внимание на твор- чество Бауэра. 39Живая клетка.indb 39 27.10.2009 11:40:05
  • 40. Клетка — элементарная единица живого Хотелось бы вспомнить ситуацию с периодическим за- коном, открытым Д. И. Менделеевым. Когда он открыл свой закон, еще не было даже намека на сложную структуру ато- ма. И то что периодичность определяется не величиной ато- марной массы, а электронными орбиталями, квантованными состояниями электронных облаков, энергетикой валентных электронов стало известно более чем на полвека позже. Но закон-то существует без умаления роли и значения, какое ему придавал Дмитрий Иванович. Это свойство любого закона. Еще один пример: закон Бойля—Мариотта для идеальных газов, который гласит, что при постоянной температуре объ- ем данной массы газа обратно пропорционален давлению, т. е. pV = const. Мы знаем, что при сжатии или расширении это соотношение будет неумолимо выполняться и ни у кого не возникает сомнений, что сжатый газ, после снятия давления, будет расширяться, а не сжиматься самопроизвольно. Таковы свойства законов. Таким образом, приняв закон, сформули- рованный Бауэром, в качестве основного биологического за- кона, мы должны найти правила построения структур живой клетки, как элементарной частицы живой субстанции. Белоусов [18] хотя и критически относится к некото- рым идеям Бауэра, в конечном счете, заявляет: «Все ска- занное означает, что внутренний потенциал идей Бауэра о структурно-конфигурационной неравновесности структур живых систем отнюдь не исчерпан; более того, мы лишь се- годня, и то ощупью, учимся его использовать, и видим, что без него структурообразование в живых системах вряд ли может быть понято». Кондрашова [19], рассматривая энергетику рабочего акта живой системы на примере энергетических состояний мито- хондрий, считает, что энергетические состояния в них свя- заны со структурной организацией мембран. Она считает, что кинетические и структурные процессы в митохондриях осуществляются благодаря тому, что сама органелла струк- турно организована как физическое тело, т. е. представления 40Живая клетка.indb 40 27.10.2009 11:40:05
  • 41. Клетка — элементарная единица живого о биохимических системах эволюционируют от растворов к состоянию кристаллоподобных структур. Цикл трикарбоновых кислот протекает в едином кон- вейере, перерабатывающем дикарбоновые кислоты. Этот конвейер получил название — метаболон. Все реакции цикла осуществляются единым комплексом ферментов, осущест- вляющим одновременно и реакции переаминирования. Этот цикл получил название «быстрого цикла», в отличие от тех же реакций, протекающих в препаратах, когда ткани повреж- дены и ферменты перешли в раствор. Показано, что нативное состояние митохондрий обеспечивает наибольшую скорость протекающих в них ферментативных реакций. Нельзя не остановиться на термодинамике живых орга- низмов в соответствии с взглядами Бауэра. Провозглашая постоянное сохранение живой системой неравновесного со- стояния, Бауэр может считаться основоположником новой области знания, которое в наши дни известно под названием биологической неравновесной термодинамики, как считает Аршавский [20]. Общепринятым является утверждение, что второй закон термодинамики выполняется благодаря тому, что снижение энтропии при образовании живых структур компенсируется за счет того, что живые системы, будучи открытыми, увели- чивают энтропию окружающей среды. Однако Бауэр считал, что органические молекулы, в особенности молекулы белков, находятся в ином состоянии, будучи встроенными в структу- ру живой системы (например, клетки), чем тогда, когда они находятся в изолированном виде (например, в растворе). Аршавский пишет: «Данные наших исследований по- зволили обратить внимание на истинную природу того, что следует связывать с понятием структурной энергии, за счет обратимой диссипации которой и осуществляется функция, специфическая для той или иной клетки. Она не осуществля- ется, как принято считать, непосредственно за счет энергии расщепляющегося АТФ. Основная энергия АТФ затрачивает- 41Живая клетка.indb 41 27.10.2009 11:40:05
  • 42. Клетка — элементарная единица живого ся, прежде всего, на создание и поддержание соответствую- щей структуры, специфической для той или иной клетки». Не повторяя далее выводов, к которым приходит Аршав- ский, обсуждая закон, выведенный Бауэром, обратим внима- ние еще на одно специфическое свойство живого — это асим- метричность как в его молекулярно-структурном выражении, так и в функциональном выражении — функция определяет структуру, но не наоборот. Насколько это правильно, попро- буем разобраться позднее. Что можно сказать еще о предложении Бауэра, видевше- го причину сохранения неравновесного состояния живой системы в неравновесном «упругом» деформированном со- стоянии макромолекул белка. Согласно современным представлениям, молекулы «жи- вого» функционального белка структурно (конформацион- но) неравновесны. Как пишет Блюменфельд [21]: «За счет избыточной «структурной» свободной энергии этих молекул производит- ся (обеспечивается) мышечное сокращение, преодолевается потенциальный барьер в ходе биохимических превращений, идут энергоакцепторные реакции. Умирание сопровождает- ся диссипацией структурной энергии белка. Следует иметь в виду, что это было написано задолго до начала эксперимен- тальных и теоретических исследований конформационных изменений биополимеров». Чизмаджев и Блюменфельд излагают концепцию о кон- формационной релаксации фермент–субстратных комплек- сов [22]. На роль связывающих сил в процессах фермен- тативных превращений молекул впервые указал в 1939 г. Фейнман [23]. Участие конформационно-неравновесных состояний ферментов доказано и при биоэнергетических процессах, со- провождающих синтез АТФ [24]. Если рассматривать клетку как целое, следует остановить- ся на временной организации клеточной структуры. Наибо- 42Живая клетка.indb 42 27.10.2009 11:40:05
  • 43. Клетка — элементарная единица живого лее полно этот вопрос изучен Гудвином [25]. Он пришел к следующему выводу (стр. 28): «Крупнейшими достижениями в этой области является обнаружение часового механизма в одиночной клетке и получение данных, свидетельствующих о том, что существование часов или механизма отсчета вре- мени, как универсального свойства клеточной организации, является весьма вероятным». Далее отмечается, что участники построения структуры живой клетки не могут находиться в стационарном состоя- нии даже тогда, когда клетка находится в покое, т. е. не растет, не делится, не дифференцируется. Вещества клетки распада- ются и вновь синтезируются. Возникает ситуация, когда не- избежны колебания в системе. Гудвин даже считает, что для клетки необходимо рассматривать не вообще температуру, давление и т. д., а так называемые «таландические» (колеба- тельные) температуру и давление. Даже если это не так, коле- бательный характер процессов в живой клетке не подлежит отрицанию [25, 26]. Нельзя не обратить внимания на удивительную упоря- доченность биологических структур клетки, естественно, и всей живой субстанции. Именно этот феномен позволил Шредингеру [27] говорить о живом, как об «апериодиче- ском кристалле». Если действительно наблюдать за процес- сами, протекающими в биологических структурах, таких как клеточное деление, морфогенез и филогенез, можно видеть пространственную и временную упорядоченность всех про- цессов. Но степень упорядоченности — это не что иное, как энтропия системы и структура ее составных частей. Пытаясь объяснить наблюдаемую упорядоченность, стали говорить об «антиэнтропийных тенденциях» живой материи. Это, естественно, не могло не вызывать возражений физиков по- следующих поколений ([12], с. 19). Все изложенное позволяет сформулировать первый по- стулат: 43Живая клетка.indb 43 27.10.2009 11:40:05
  • 44. Клетка — элементарная единица живого Живая клетка является неравновесной, высокострукту- рированной, чрезвычайно динамичной элементарной едини- цей живой субстанции. Вне клетки жизни нет. Что же кроется за несомненной упорядоченностью био- логических структур? Прежде всего, то, что биологическая упорядоченность осмысленна. Как пишет Блюменфельд ([12], с. 27): «Упорядоченность живой материи, информация, в ней содержащаяся, имеют смысл. Смысл есть понятие телеоло- гическое, осмысленно то, что имеет цель. Мышечные, нерв- ные и другие клетки сердца расположены упорядоченно для того, чтобы сердце могло функционировать так, а не иначе. Молекулы различных белков и фосфолипидов в мембранах митохондрий расположены упорядоченно для того, чтобы в этих мембранах могли с высокой эффективностью протекать процессы электронного транспорта и аккумуляции энергии». Посмотрим, как же выглядит клетка при наблюдении ее с помощью современных электронных микроскопов. На рис. 10 изображена обобщенная животная клетка, а на рис. 11 также обобщенная растительная клетка ([28], с. 78). Легко видеть, что это не «кристалл», как мы его представляем, но и не бес- форменный раствор. Не ставя перед собой цель рассмотреть функции каждой органеллы клетки (это не входит в нашу задачу, тем более что на рисунках указаны их наименования, а функции достаточно полно изложены в цитируемой работе), обратим внимание на наиболее упорядоченные органеллы. Прежде всего это ядро и ядрышко. Здесь же можно ожидать (и это действительно так) наибольшую кристалличность, поскольку структурные блоки ядра построены из нуклеиновых кислот, элементарные звенья которых, благодаря водородным связям, образуют либо сдвоенные спиральные молекулы ДНК, либо одноните- вые макромолекулы РНК, участвующие в биосинтезе белка [12–14, 29–32], хотя согласно Коммонеру, это не единствен- ный путь биосинтеза [33]. 44Живая клетка.indb 44 27.10.2009 11:40:05
  • 45. Живая клетка.indb 45 45 Рис. 10. Ультраструктура обобщенной животной клетки, выявляемая при по- мощи электронного микроскопа [28]. Клетка — элементарная единица живого27.10.2009 11:40:05
  • 46. Живая клетка.indb 46 46 Клетка — элементарная единица живого Рис. 11. Ультраструктура обобщенной растительной клетки, выявляется при помощи электронного микроскопа [28].27.10.2009 11:40:05
  • 47. Клетка — элементарная единица живого На рис. 12 приведено изображение митохондрии на осно- вании данных, также полученных с помощью электронного микроскопа ([37] с. 48, 49). Обращают на себя внимание факты, полученные Кондра- шовой [36], по выделению в принятых условиях нативных митохондрий. В этом случае митохондрии представляют со- бой смесь одиночных гранул, сильно отличающихся от со- стояния митохондрий в интактной клетке, где они образуют либо ассоциаты, либо нитевидные образования. Это установ- лено как начальными микроскопическими наблюдениями, так и современной микроскопией с использованием флуо- ресцирующих красителей, а также реконструкцией серийных электронно-микроскопических срезов. Переходы из состояния ассоциатов (агрегатов) в грану- лы имеют место при переходе клетки из состояния покоя в состояния возбуждения, а при заболеваниях наблюдается распад агрегатов на мелкие гранулы. При этом естественно будет неизбежно меняться структурное состояние и самих митохондрий, ведущих превращения ди- и трикарбоновых кислот. При возбуждении, как известно, стимулируется в митохондриях энергетический метаболизм, являющий- ся основной функцией этих частиц  [35]. Нарушая натив- ную структуру митохондрий, мы сразу же нарушаем взаи- модействие переаминирования и дыхания, т. е. здесь, как и в многочисленных данных, приводимых в других рабо- тах, четко просматривается связь структуры и функции в живой клетке. М. Кальвин [34] приводит предполагаемую и обнаружи- ваемую с помощью электронного микроскопа структуру мем- бран хлоропластов растений. На рис. 13 (с. 50) изображена модель мембраны, состоящей из агрегатов субъединиц. Как считает Кальвин, такая модель является типичной для мем- бран митохондрий, эритроцитов, нейронов и других объек- тов растительного и животного происхождения. 47Живая клетка.indb 47 27.10.2009 11:40:05
  • 48. Клетка — элементарная единица живого 1 2 3 4 Рис. 12. Строение митохондрии [37]: 1 — митохондрия в целом на- поминает наполненный жидкостью сосуд с заходящими внутрь стенками; 2 — стенка митохондрии состоит из двойной мембра- ны, причем складки внутренней заходят внутрь, образуя кристы; 3 — Каждая мембрана, по-видимому, состоит из ряда молекул белка (белые кружки), за которыми располагается двойной слой липидных молекул (черные кружки с отростками); 4 — переносчики электронов и ферменты, входящие в дыхательную цепь (черные кружки), стро- го упорядоченно распределены в мономолекулярном слое белка; «ма- трикс» имеет жидкую консистенцию. 48Живая клетка.indb 48 27.10.2009 11:40:05
  • 49. Клетка — элементарная единица живого Необходимо остановиться, хотя бы кратко, на строении мембран клетки. По мере совершенствования и развития ме- тодов микроскопии, в том числе электронной, к настоящему времени основные черты строения этих органелл клетки до- статочно подробно изучены. Уже на приводившихся ранее рисунках видно, что мембраны образованы липидными мо- лекулами в виде прежде всего бислойных блоков, в которые вмонтированы белковые и гликолипидные молекулы, уча- ствующие в диффузном, как принято называть «активном», транспорте органических и неорганических веществ к тем или иным компартментам клетки. Еще в позапрошлом веке была высказана идея о том, что клетка в целом окружена липидной оболочкой. При этом ока- залось, что липиды спонтанно образуют в воде протяженные нити, в которых неполярные части липидных молекул обра- щены внутрь бислоя, образуя как бы жидкую гидрофобную область. Полярные же группы располагаются на поверх- ности, образуя гидрофильные слои, которые контактируют с водой [54, 55]. На рис. 14 (с. 51) изображена структура жидкостно- мозаичной модели мембраны. Аналогичные представления развивает Каприэлянц с сотр. [56], считающий, что мембрана представляет собой двумерную жидкость, компоненты кото- рой способны к тепловой диффузии. Очень важно оценить диффузные возможности также белковых компонентов мем- браны, что связано с динамичностью мембраны и с ее функ- циональными возможностями, так как дыхательная цепь, располагающаяся в мембранах, приобретает дополнительную возможность устойчивого функционирования при переносе электронов, обеспечивая синтез энергосберегающих соеди- нений [57]. Говоря о связи между АДФ и конформационными изме- нениями в субмитохонриальных частицах, Сакс с сотрудни- ками [58] констатируют, что внутренняя часть митохондри- альной мембраны меняется с изменением функционального 49Живая клетка.indb 49 27.10.2009 11:40:05
  • 50. Клетка — элементарная единица живого Рис. 13. Структура мембраны хлоропластов ([34], с. 125). 50Живая клетка.indb 50 27.10.2009 11:40:05
  • 51. Живая клетка.indb 51 51 Рис. 14. Трехмерное изображение жидкостно-мозаичной модели мембраны [28]. Глико- протеины и гликолипиды связаны только с наружной поверхностью мембраны. Клетка — элементарная единица живого27.10.2009 11:40:05
  • 52. Клетка — элементарная единица живого состояния системы окислительного фосфорилирования [59, 60]. Этот факт послужил основой для предположения о конформационно-конфигурационном механизме преобра- зования энергии [61]. Это предположение может быть под- тверждено данными электронной микроскопии, исследо- ванием светорассеяния и дисперсии оптического вращения суспензии митохондрий, находящихся в разных метаболиче- ских состояниях [60]. Важная информация об изменениях в структуре мито- хондриальных мембран получена при регистрации флуо- ресценции [52] или сигналов электронного парамагнитного резонанса [46] ряда специфических соединений, которые ад- сорбируются на мембранах. Эти методы позволяют судить об изменении надмолекулярной организации мембран в целом. Благодаря столь сложному строению мембран осущест- вляется их участие в регуляции процессов, протекающих в живой клетке, в том числе в митохондриях. Интересные результаты были получены Кондрашо- вой [35, 36] при изучении циклов превращений различных субстратов: углеводов, липидов белков. Все эти соединения в митохондриях проходят через универсальную последова- тельность превращений дикарбоновых кислот. Если мито- хондрии сохраняют свою нативную структуру, имеет место взаимодействие переаминирования и дыхания. Это взаимо- действие утрачивается, если происходит повреждение мито- хондрий. В последнее время быстрыми темпами накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что фундаментальную роль в регуляции внутриклеточных про- цессов играют мембраны, разделяющие клетку на изолиро- ванные отделы, выполняющие специфические функции. При этом мембранам приписывается роль в создании различных градиентов Н+ , Na+, Cа++. Шабадаш [38] отмечает кроме того, что существует тесная связь между структурными и функциональными изменения- 52Живая клетка.indb 52 27.10.2009 11:40:06
  • 53. Клетка — элементарная единица живого ми митохондрий с общеклеточными реакциями, при этом имеет место ясно выраженная автономность и авторегуля- торность самих митохондрий. Наиболее полно и обстоятельно этот вопрос изложен Скулачевым [39]. Все это было бы прекрасно, если бы не один вопрос, на который фактически в монографии Скулачева нет ответа — каков механизм и каким образом управляются мем- браны, создавая нужные для клетки потенциалы? Близко к решению этого вопроса на основании экспери- ментальных данных подошел А. Ленинджер [40], считающий, что проницаемость мембран и их изменения связаны с кон- формационными изменениями митохондриальных мембран. При этом «механохимические» (как он их называет) измене- ния митохондриальных мембран при поглощении и вытал- кивании воды митохондриями тесно связаны с образованием АТФ при окислительном фосфорилировании. Казалось бы простой процесс — набухание и выталки- вание воды. В действительности же он носит сложный ха- рактер и зависит от содержания АТФ, ионов Са++, Мg++, гормонов, разобщителей дыхания, типа динитрофенола, ти- роксина и др. Еще дальше в своих исследованиях идет П. Мит- челл [41], согласно которому не только изменения в обмене веществ могут вызвать изменения в процессах переноса, но и перенос в свою очередь влияет на обмен веществ, если про- цесс переноса ионов и обмен веществ представляют собой цепь последовательных реакций и изменений. На примере митохондрий показано [45], что процесс набу- хания связан с перестройкой конформационного состояния компонентов, изменением структуры самих митохондрий, потерей их упорядоченности при участии солей щелочных металлов и сопровождался гидролизом АТФ. На различных стадиях набухания обнаруживалось влияние антибиотиков типа грамицидина D. В конечном счете, мы так или иначе наблюдаем различные аспекты одного и того же процесса — направленного обмена 53Живая клетка.indb 53 27.10.2009 11:40:06
  • 54. Клетка — элементарная единица живого веществ. Остается найти механизм, управляющий этим про- цессом. Нельзя не упомянуть о работе, проведенной А. Б. Рубиным с сотр. [42], посвященной модификации конформационного состояния макромолекул и мембранных комплексов из хлоро- пластов высших растений. Если провести мягкую фиксацию низкими концентрациями глутарового альдегида, образую- щего меж- и внутримолекулярные сшивки за счет взаимодей- ствия с аминогруппами боковых цепей лизина, SH-группами цистеина, что соответственно приводило к снижению кон- формационной подвижности мембранных структур, то при этом наблюдается подавление всех процессов, связанных с трансформацией энергии. Ни один процесс, связанный со структурными перестрой- ками, сохранением структуры, перемещением веществ из клетки в клетку или из клетки в окружающую среду и в об- ратном направлении, не обходится без АТФ. Рубин отмечает, что высокоэффективный направленный транспорт электронов сопряжен с колебательными и конфор- мационными изменениями в белковой матрице. Отмечается также то, что прочность и число водородных связей влияют на скорость конформационных перестроек в белках, в их ре- акционных центрах. Это неизбежно меняет скорость пере- носа электронов. Так или иначе мы сталкиваемся с фактами взаимного влияния структурных (чаще всего конформаци- онных и конфигурационных изменений) с функциональной деятельностью клеток и их органелл. Микельсааром [43] предложена гипотетическая модель мембраны, согласно которой основная часть мембраны пред- ставлена сложными с химической точки зрения сферически- ми протеиновыми глобулами. Эти белковые частицы имеют гидрофобный полюс, благодаря которому они агрегируются через ди-, три- и тетрамеры в бислойную липидную мембра- ну. Отмечается, что глобулы собраны в тетраэдры с общими гидрофобными зонами. 54Живая клетка.indb 54 27.10.2009 11:40:06
  • 55. Клетка — элементарная единица живого 1 2 3 Рис. 15. Различные типы организации мембранных белков [43]: 1 — белок почти полностью погружен в мембрану. Полипептидная цепь пресекает мембрану несколько раз, образуя α-спиральные колон- ны; 2 — сравнительно небольшая гидрофобная часть белка погруже- на в мембрану, пересекая всю ее толщину. Большая (гидрофильная) часть белка экспонирована в воду; 3 — гидрофобный «якорь» белка проникает только на расстояние фосфолипидного монослоя. Изучая процесс переноса электронов в дыхательной цепи, В. Н. Лузиков, В. А. Сакс [44] наряду с другими авто- рами установили, что этот процесс сопровождается конфи- гурационными изменениями митохондральных мембран, что так и данными, полученными при регистрации светорас- сеяния и дисперсии оптического вращения суспензии ми- тохондрий [62], находящихся в разных метаболических со- стояниях. Ценную информацию об изменениях в структуре митохондрий дает регистрация флуоресцентных спектров или сигналов электронного парамагнитного резонанса [46]. 55Живая клетка.indb 55 27.10.2009 11:40:06
  • 56. Клетка — элементарная единица живого Говоря о важности стерического фактора в общем ком- плексе факторов, обеспечивающих связь отдельных ком- понентов дыхательной цепи, Микельсаар отмечает, что те- траэдрическое расположение компонентов специфической дыхательной цепи обеспечивает теснейшие контакты между простетическими группами переносчиков электронов. Вопрос о функциях и строении мембран прекрасно из- ложен в монографии С. А. Нейфаха [47] с использованием экспериментальных данных, накопленных в литературе уже к концу 60-х гг. прошлого столетия. Обращает на себя вни- мание подробное изложение принципов построения мем- бранных структур. Во-первых, мембраны — это трехслой- ные белково-липидные образования мицелярной природы. Липидно-протеидные комплексы отделены друг от друга бел- ком, при этом белковые слои непосредственно соприкасают- ся друг с другом с образованием электростатических, поля- ризационных и гидрофобных связей. Если в структуре имеет место максимальное число связей между белком и липидом, то такая структура наиболее устойчива. Нейфах пишет: «Белковый состав мембраны является основой для данной мембраны. Однако и белковая органи- зация мембран несет на себе черты, свойственные всем мем- бранам. Все клеточные мембраны имеют в своем составе си- стемы, обеспечивающие транспорт веществ через мембрану. Энзиматическая природа этих систем в настоящее время не подлежит сомнению». Мембранный механизм переноса веществ основан на не- посредственном перемещении тех или иных соединений при участии ферментов самих мембран при обязательной подаче энергии. С помощью этого механизма перемещаются незаря- женные молекулы, а также органические и неорганические ионы, несущие те или иные заряды. Мембранный транс- порт является направленным, т. е. вещества перемещаются в нужном направлении для достижения определенной цели. В конечном счете происходит направленное перераспределе- 56Живая клетка.indb 56 27.10.2009 11:40:06
  • 57. Клетка — элементарная единица живого ние веществ. Это достигается путем «выталкивания» веществ одними органоидами и поглощение их другими. Оба процес- са, возможно, направлены на регулирование какого-либо определенного превращения, например, на нормализацию уровня АТФ в клетке ([47], стр. 49). Эти акты должны быть согласованы и совпадать во времени. Каким же образом органоиды «узнают», следует ли им выталкивать или поглощать те или иные вещества? Если мы допустим существование в клетке своеобразной системы управления, то тогда мы должны признать существование целой цепи элементов: чувствительный элемент на входе на- чала связи, исполнительный элемент на выходе, запоминаю- щее устройство и т. д. Напоминаем, что все эти процессы и элементы должны обладать свойством авторегуляторности. Заслуживает внимания представление Нейфаха ([47], с. 20) о надмолекулярных комплексах. Он пишет: «Надмоле- кулярная организация — это не приходящее искусственно полученное состояние, а закономерная категория, характе- ризующая строение вещества живых организмов. Подобно молекулам и атомам, надмолекулярные комплексы имеют по- стоянный размер и состав, их масса характеризуется посто- янной величиной молекулярного веса, их структура удержи- вается определенными силами взаимодействия». Предполагается, что надмолекулярные комплексы обла- дают энзиматической активностью и ферменты, расположен- ные в них, представляют собой мультиэнзимные комплексы ([47], с. 27). В качестве примера приводится состав пируватдегидроге- назы, куда входят 16 молекул декарбоксилазы (молекулярный вес 1,8·105 к.e.), 64 молекулы редуктазы — трансацетилазы (молекулярный вес 1,1·105 к.e.), липоевая кислота (12 ммкМ), флавин (3 ммк на 1 мг белка). Молекулярный вес комплекса приблизительно 5 млн единиц. Фернандес-Морган и Рид с сотр. [48], учитывая совокуп- ность экспериментальных данных, предложили структуру 57Живая клетка.indb 57 27.10.2009 11:40:06
  • 58. Клетка — элементарная единица живого надмолекулярной организации комплекса пируватдегидроге- назы (рис. 16). С одной стороны, такой комплекс позволяет плотно упаковывать ферменты, ведущие взаимосвязанные превращения субстратов, и осуществлять принцип плотной упаковки органических молекул, о чем речь пойдет ниже. Аналогичным образом построены и митохондриальные мем- браны, где локализуется пируватдегидрогеназный комплекс. В целом белковые, липидные и другие молекулы расположе- ны в мембранах регулярно и удерживаются несколькими ти- пами в основном слабых связей, которые придают мембранам определенную устойчивую конфигурацию. Рис. 16. Модель надмолекулярной организации пируватдегидрогеназы: 64 протомера редуктазы-трансацетилазы липоевой кислоты образу- ют центральный тетраэдр, состоящий из маленьких сферических тел; вокруг нее расположены в виде двух колец (одно над другим) 16 протоме- ров декарбоксилазы пирувата (большие сферы) и 8 протомеров дегидро- геназы дигидролипата (средние сферы) [48]. Исследование светорассеяния изолированных митохон- дрий показало, что структурные блоки остаются неизмен- ными — они претерпевают обратимые конформационные превращения-осциляции. Пэкер установил [49], что такого рода осцилляции имеют место при небольшом изменении со- става среды. При этом осциллирует как митохондрия в целом (набухание—сокращение), так и их функциональное состоя- ние (перенос электронов, окислительное фосфорилирование, аккумулирование ионов [57, 58,59]). 58Живая клетка.indb 58 27.10.2009 11:40:06
  • 59. Клетка — элементарная единица живого Наблюдаемые осцилляции, возникнув, постепенно за- тухают. Это, как считает Нейфах ([47], с. 61), связано с тем, что сдвиги в системе под воздействием внешних факторов (рН, осмотический фактор, ионный состав, кислород, АТФ) приводят к изменениям всей ферментативной системы, даже если начинаются изменения с воздействия на один фермент, т. е. система отвечает кооперативно. Имеет место неспецифи- ческий ответ системы, аналогичный ответу по Насонову и Александрову [50]. Но в конечном счете регулирование всей клеточной системы так или иначе связано со специфически- ми надмолекулярными комплексами. Наглядная картина (рис. 17, 18), характеризующая изме- нения в митохондриях при изменении метаболических со- стояний, была получена Чансом [53]. Оказалось, что при пе- реходе из состояния покоя в активное состояние имеет место критический переход, сопровождающийся глубокими пере- стройками всей структуры митохондрий, которые переходят к активному дыханию, благодаря добавлению к среде АДФ — при этом внутренняя мембрана митохондрий сокращается, становится более «электронноплотной». Рис. 17. Электронно-микро- скопическое изображение пе- ченочных митохондрий после 15-минутной инкубации в условиях метаболического со- стояния [53]. В данном случае видно, что конформационное и конфи- гурационное превращения дыхательных переносчиков бла- годаря дальнодействию,быстро распространяется и превра- щается в сложный механохимический акт, изменяющий всю структуру митохондрии. И здесь мы наблюдаем взаимосвязь структуры и функции органелл клетки (см. также [60,62]). 59Живая клетка.indb 59 27.10.2009 11:40:06
  • 60. Клетка — элементарная единица живого Рис. 18. Такой же образец митохондрий, как и на рис. 17, фиксиро- ванный через 35 секунд после того, как были переведены добавле- нием АДФ из состояния покоя в активное состояние [53]. Видна глубокая перестройка внутренней структуры — внутренняя мем- брана резко сокращена, уплотнена, матрикс конденсирован, слился с гребнями (Х 50000). Заканчивая изложение известных экспериментальных фактов, характеризующих организацию и функционирова- ние живых клеток и составляющих их блоков, надмолеку- лярных образований и органелл, остановимся еще на одной органелле — лизосоме, которая обнаруживается с помощью электронного микроскопа в животных клетках (см. рис. 19). Наиболее обстоятельно описание лизосомы приведено в работах де Дюва [63]. По его представлениям, лизосомы вы- глядят как крошечные мешочки, содержащие ферменты, спо- собные «переваривать» вещества или частицы, попадающие внутрь мешочков. По аналогии со сложными организмами роль лизосом сводится к расщеплению полимерных молекул и мономеров и включению их в обменные процессы, осущест- вляемые другими органеллами клетки, т. е. лизосомы являют- ся своего рода пищеварительным трактом клетки. Лизосомы наделены специфической мембраной, на которую ферменты, содержащиеся в лизосомальной жидкости, не действуют. Если мембрана будет разрушена, то ферменты лизосом в со- стоянии переварить всю клетку. Знаменательно, что лизосо- мы особенно многочисленны в таких клетках, как макрофаги 60Живая клетка.indb 60 27.10.2009 11:40:06
  • 61. Клетка — элементарная единица живого и лейкоциты, которые предназначены для переваривания по- сторонних включений. Схема поэтапного функционирова- ния лизосомы и градация лизосом представлены на рис. 19. В подписи к рисунку приведено описание процесса «пере- варивания», как это представляется де Дюву ([63], с. 212–213). Некоторые клетки способны выделять ферменты лизосом наружу, что приводит к разрушению соседних структур. На- пример клетки, способные разрушать костную ткань (остео- класты), вместе с клетками, образующими костную ткань, ведут перестройку костной ткани. Даже в процессе оплодо- творения предполагается участие лизосом в разрушении не- которых структур, окружающих яйцеклетку и в конце концов способствующих перестройке внутриобменных процессов в яйцеклетке, обеспечивая развитие и дифференцировку. Кроме того у многоклеточных организмов возможны по- вреждение и гибель клетки под действием лизосом, что по- зволяет организму избавляться от мертвых клеток. В общем и целом, лизосомы клеткам необходимы, чтобы поддержи- вать устойчивое функционирование в здоровом состоянии и участвовать в удалении мешающих компонентов при па- тологических процессах. Вполне возможно, что для защиты от лизосомальных ферментов в клетках имеется система, состоящая из убихитина-протеосомы, защищающая клетку от гибели [64, 65]. Возвращаясь к вопросу о равновесности- неравновесности живого состояния, видимо, следует при- знать, что лизосома, в отличие от других органелл, находится в равновесном состоянии, по крайней мере, ее жидкая часть. Пора сформулировать второй постулат, характеризую- щий живое состояние клетки: Структурные блоки (надмолекулярные образования) об- ладают многофункциональностью за счет входящих в их со- став специфических катализаторов — ферментов. Каждый из блоков может выполнять две-три и возможно более функ- ций, структурно связанных между собой настолько тесно, 61Живая клетка.indb 61 27.10.2009 11:40:06
  • 62. Живая клетка.indb 62 62 Клетка — элементарная единица живого Рис. 19. Типы лизосом и их функционирование [63]. Лизосомы различным образом участвуют во внутриклеточном переваривании. Следует различать четыре вида лизосом: «запасающие гранулы, пищеварительные вакуоли, остаточные тельца и аутотрофирующие вакуоли». Запасающая гранула — это исходная форма лизосомы, содержащиеся в ней ферменты образуются, видимо, в рибосомах, связанных с эндоплазматической сетью. Когда клетка заглатывает вещества, обра- зуется фагосома. Запасающая гранула или другая лизосома сливается с фагосомой, образуя пищеваритель- ную вакуоль. Продукты переваривания диффундируют через мембрану в клетку. Пищеварительная вакуоль продолжает функционировать, постепенно накапливая неперевариваемые вещества, пока не превратится в остаточное тельце, которое исчезает при слиянии с клеточной мембраной.27.10.2009 11:40:06
  • 63. Клетка — элементарная единица живого что любое воздействие из внешней среды приводит к неспец- ифическому ответу клетки в целом. Итак, мы столкнулись с ситуацией, когда специфические процессы в живых клетках так или иначе связаны с неспеци- фическим ответом клетки на повреждающие воздействия. Остановимся теперь на нашей работе, проведенной в кон- це 1960-х и начале 1970-х гг. [66, 67], посвященной изучению поведения эритроцитов мышей под воздействием специфи- ческих повреждающих воздействий, в качестве каковых были выбраны повреждающие действия ионов ртути и кадмия, а также йодуксусной кислоты. Было решено фиксировать изменения в эритроцитах по нескольким направлениям. Известно, что в присутствии двухвалентных ионов ртути осмотическая резистентность эритроцитов снижается [68, 69]. Причиной гемолиза являет- ся, видимо, связывание ионами ртути SН-групп клеток [70, 71]. В то же время показано, что под действием гемолитиков лизису предшествуют изменения формы эритроцитов типа диск-сфера [72]. Уже тогда было показано, что изменения формы эритроцитов связаны с содержанием АТФ (аденозин- трифосфорной кислоты), точнее с ресинтезом и распадом этого соединения [74, 75]. Одновременно следует заметить, что от уровня АТФ зависит сродство гемоглобина эритроци- тов к кислороду, т. е. функциональная активность эритроци- тов [76]. Учитывая то, что низкие концентрации ионов двухва- лентной ртути ингибируют гликолитический распад глюко- зы [77, 78], было целесообразно как можно более полно ис- следовать воздействие ионов ртути на эритроциты. Это было осуществлено нами, хотя не было возможности произвести измерение содержания АТФ при действии этого яда. Так как самым близким по положению в периодической системе Д. И. Менделеева является кадмий, можно было сопоставить действие ионов ртути и кадмия на эритроциты. Мы восполь- 63Живая клетка.indb 63 27.10.2009 11:40:06
  • 64. Клетка — элементарная единица живого зовались методикой, предложенной Накао с сотр. [74], что- бы перевести морфологические изменения эритроцитов на количественную основу. Суть методики заключается в том, что каждой форме, наблюдаемой на микрофотографиях в фазово-контрастном микроскопе, придается определенное численное значение (рис. 20). 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Рис. 20. Микрозарисовки эритроцитов мышей в процессе их превра- щений «диск—сфера» [66]. Цифры внизу — принятые коэффициен- ты для расчета морфологического индекса. Первый ряд — вид сверху; второй — вид сбоку. Не вдаваясь далее в подробности экспериментов, рассмо- трим полученные результаты. На рис. 21 представлены дан- ные по изучению влияния ионов ртути и кадмия на выход гемоглобина из эритроцитов в изотонической среде. Прежде всего видно, что эритроциты, не подвергавшиеся дополни- тельным повреждающим воздействиям (хранение на холоде, центрифугирование), значительно более чувствительны к ио- нам ртути, чем к ионам кадмия. 64Живая клетка.indb 64 27.10.2009 11:40:06
  • 65. Клетка — элементарная единица живого Пороговая концентрация для ионов ртути составляла примерно 5·10-5 М, хотя в зависимости от исходного состоя- ния эритроцитов эта концентрация существенно менялась. Ионы кадмия вызывали аналогичный эффект при концен- трации в 100 раз большей. Рис. 21. Кривые изменений морфологического индекса (1), гемолиза (2 и 3) и оседания эритроцитов (4) под действием ртути (а) и кадмия (б) в течение 1 часа [67]. По оси абсцисс — концентрация (в М) ртути (а) и кадмия (б); По оси ординат — изменения (в %) морфологического индекса (1); количество гемоглобина, вышедшего из эритроцитов (2); количество эритроцитов, полностью потерявших гемоглобин (3), и оседание эритро- цитов (4). Гемоглобин определяли спектрофотометрически. Наблюдаемые различия видимо объясняются различиями физических и химических свойств этих двух элементов. Хотя оба элемента заключают вставные декады 5-го и 6-го перио- дов таблицы Менделеева и имеют завершенные d и s элек- тронные слои, соответственно, по ряду свойств достаточно они близки между собой. Однако имеются и различия в их поведении. В данном случае наиболее существенным является то, что в соединениях связь Εl—Нg менее лабильна, чем Εl—Сd (в качестве El чаще всего выступает атом серы). Различно также поведение ионов ртути и кадмия в водных растворах. Так, с помощью спектров комбинационного рассеяния света было показано [80], что аквакатион ртути слабее взаимодей- ствует с ионами гидроксония, чем аквакатион кадмия. 65Живая клетка.indb 65 27.10.2009 11:40:06
  • 66. Клетка — элементарная единица живого Помимо количественных отличий в действии ионов этих двух металлов, следует обратить внимание на то, что процесс гемолиза вообще протекает по-разному. Так, если в присут- ствии ионов кадмия под микроскопом видны обрывки стро- мы, бесформенные скопления оболочек эритроцитов, иногда даже «разламывающиеся» эритроциты, то в присутствии ио- нов ртути тени эритроцитов оставались сферическими, без видимых (под обычном микроскопом) нарушений их целост- ности. Эти наблюдения позволяют прийти к выводу, что под дей- ствием ионов ртути в мембранах, сохраняющихся в целом, поры, через которые гемоглобин выходит в окружающую среду, расширяются, тогда как под действием ионов кадмия мембраны эритроцитов становятся, по-видимому, жесткими и легко разрушаются, что и сопровождается выходом гемо- глобина. Причиной расширения пор в мембранах под действием ионов ртути, возможно, является активация гидролаз, имею- щихся в эритроцитах. Основанием для такого предположе- ния служит то, что двухвалентная ртуть активирует некото- рые лизосомальные гидролазы [81]. При этом оптимальный эффект достигается при концентрации ионов ртути 3·10-5 М, что по порядку величины совпадает с гемолитическими поро- говыми концентрациями, найденными в нашей работе. Кро- ме этого, активацию гидролаз предотвращают такие соеди- нения, как метатион, β-меркатоэтаноламин, α-цистеин, т. е. те же соединения, которые снижают гемолиз под действием ионов ртути, что подтверждается и нашими наблюдениями. Выше мы уже отмечали, что форма эритроцитов зависит от ресинтеза и распада АТФ [78]. Таким образом активация фосфатаз, а значит и распад АТФ неизбежно приведут к сни- жению содержания этого соединения и к изменению формы эритроцитов из дискоидных в сферические. Отсутствие ла- тентного периода (см.рис. 21) при действии ионов ртути в пороговых концентрациях является дополнительным под- 66Живая клетка.indb 66 27.10.2009 11:40:06
  • 67. Клетка — элементарная единица живого тверждением того, что в данном случае ионы ртути влияют либо на ресинтез АТФ, либо на распад этого макроэрга [76]. Увеличение степени гемолиза под действием низких кон- центраций ионов ртути (10-6–10-5 М) на эритроциты, мор- фологический индекс которых снижен под действием таких неспецифических воздействий, как центрифугирование или хранение на холоде, можно объяснить тем, что названные факторы сами по себе меняют проницаемость мембран эри- троцитов. Уже давно было показано [82], что трехкратное центрифугирование приводит к потере около 15% внутриэ- ритроцетарного калия. Не исключено, что действие ионов ртути в низких концентрациях обусловлено в первую очередь замедлением синтеза АТФ, так как в данном случае изменение формы эритроцитов и их гемолиз протекает с определенным латентным периодом (1–2 часа). Чем вызвано столь подробное ознакомление с изучением поведения эритроцитов? Дело в том, что эритроцит являет- ся идеальной экспериментальной моделью для изучения по- вреждающих воздействий на живую клетку. Во-первых, он со- храняет свое живое состояние, свою структуру и форму, свой метаболический обмен, функциональное состояние длитель- ное время при соблюдении определенных внешних условиях, что нетрудно реализовать. Известно, что кровь для перелива- ния может храниться не один десяток дней при оптимальных условиях хранения. По-видимому, не последнюю роль в под- держании уровня АТФ, также как и других пуриновых произ- водных, в эритроцитах человека играют процессы не только синтеза, но и ресинтеза. Путь метаболизма, в том числе ресинтеза и катаболизма, подробнейшим образом исследован польскими учеными в самое последнее время [83]. К сожалению, авторы не связы- вали процесс метаболизма эритроцитов с их формой, отра- жающей общее состояние клеток (в данном случае эритроци- тов). Какие выводы можно сделать из наших экспериментов и литературных данных? 67Живая клетка.indb 67 27.10.2009 11:40:06
  • 68. Клетка — элементарная единица живого 1. Сохранение формы (дискоидной) живых эритроцитов зависит в первую очередь от метаболизма клеток, от синтеза, ресинтеза АТФ, значит, от концентрации этого соединения. 2. Повреждающие специфические воздействия (дей- ствие ядов) и неспецифические (центрифугирование, хране- ние на холоду) ведут к переходу эритроцитов из дискоидных в сферические. 3. Изменение формы «диск—сфера» через промежуточ- ные «искаженные» кренированные формы сопровождается выходом гемоглобина из эритроцитов, т. е. повреждающие воздействия нарушают одновременно и проницаемость мем- бран клеток и форму клеток. При этом ртуть и кадмий дей- ствуют неодинаково. Сферические эритроциты лишены ге- моглобина. Они равновесны и мертвы. В последнее время появились работы [84, 85] по иссле- дованию деформируемости эритроцитов путем фильтрации их через никелевые сита с величиной пор 4,59 мкм. Наблю- дается снижение деформируемости (увеличение жесткости мембран эритроцитов) при воздействии на клетки карбонил- содержащих соединений (DL-глицеральдегида, глиоксаля, гликольальдегида, 3-дезоксиглюкозона и D-глюкозы). Наи- больший эффект — при воздействии первых двух соедине- ний. Эти же соединения наиболее интенсивно реагируют с гемоглобином. Авторы делают вывод, что снижение дефор- мируемости вызывается взаимодействием карбонилсодержа- щих соединений с белками, т. е. и в этом случае имеет место неспецифический ответ клетки на воздействие окружающей среды. Обнаруженные факты интересны с медицинской точ- ки зрения, так как снижение деформируемости наблюдается при патологических состояниях, например при диабете. Методами спиновых зондов и сканирующей электронной микроскопии рядом авторов [86] изучалось влияние синте- тических антиоксидантов и биорегуляторов — производных 5-гидроксибензимидизола (5-ГБИ) на структуру мембран эритроцитов и морфологию эритроцитов. Анализируя спек- 68Живая клетка.indb 68 27.10.2009 11:40:06
  • 69. Клетка — элементарная единица живого тры ЭПР и электронные микрофотографии, авторы уста- новили, что производные, содержащие боковые заместите- ли, различающиеся по гидрофобным свойствам, способны оказывать концентрационно-зависимое модифицирующее действие на структурную организацию плазматической мембраны эритроцитов и одновременно менять их форму. В интервале концентраций 10-7–10-3 М (обратите внимание на действующие концентрации ионов ртути и кадмия) все из- ученные соединения проявляют эхиноцитогенное действие (так авторы называют кренирующее действие соединений). Наиболее четко последний эффект наблюдается у соедине- ния, содержащего в качестве боковых заместителей в поло- жении 2 и 5 бензильную и этоксигруппу соответственно. Рис. 22. Электронные микрофотографии эритроцитов крови крыс в присутствии 2-бензил-5-гидроксибензимидазола в концентра- ции 1⋅10 -3 М [86]. Увеличение умножить на 1000 и умножить на 3000 для левой и правой частей снимка соответственно. Результаты проведенных авторами экспериментов свиде- тельствуют о том, что при проникновении в эритроцитарную мембрану наиболее гидрофобных производных 5ГБИ, струк- тура мембраны модифицируется, а это приводит к еще более интенсивному проникновению этого соединения во внутри- мембранное пространство. Это позволило предположить, что такое проникновение приводило к изменению морфоло- гии эритроцитов. На рис. 22 представлены эритроциты после воздействия на них 5-гидрокси-2-бензилимидазола в концентрации 69Живая клетка.indb 69 27.10.2009 11:40:06
  • 70. Клетка — элементарная единица живого 1⋅10-3  М. Четко просматриваются эритроциты, форма кото- рых ничем не отличается от наблюдавшихся нами крениро- ванных эритроцитов под действием тяжелых металлов. Не вдаваясь далее в механизм сохранения и изменения формы эритроцитов, отметим еще раз неспецифичность процесса перехода их от дискоидных к кренированным формам. Обсуждая свойства, структуру и функционирование жи- вых клеток, нельзя не остановиться еще на одном их свойст- ве — непрерывном движении внутреннего содержимого клетки. Сказать лучше, чем Франк и Астахова ([87], с. 19), вряд ли возможно: «Клетки беспрерывно меняют очертания, структуру на разных уровнях своей организации. Иногда подвижность клеток производит впечатление непрерывно- го кипения. Протоплазма движется, резко меняя скорость, и даже приостанавливается при раздражении. Маленькие митохондрии, видимые в обычном микроскопе в виде зер- нышек или палочек, проделывают змееобразные движения и меняют объем. Изменяет свой объем и ядро — оно пульсиру- ет, то сжимаясь, то расширяясь». Обстоятельно этот вопрос рассмотрен в монографии Камии [88]∗. Прежде всего автор проводит следующую классификацию типов движения: Колебательные движения, этот тип движения наименее упорядочен, хотя и наиболее распространен. Встречаются у других авторов и другие наименования: «скользящее дви- жение», «отклоняющееся движение», «беспорядочное дви- жение». При этом типе движения протоплазмы некоторые частицы находятся в покое, некоторые скользят по направле- нию к центру клетки, другие — к периферии. Движение имеет неустойчивый и случайный характер. Однако это движение не настолько беспорядочно, как броуновское движение, и в его основе лежат совершенно различные причины — броу- новское движение обусловлено тепловым колебанием моле- ∗ Ссылки на оригинальные работы по этому вопросу читатель найдет в цитируемой монографии. 70Живая клетка.indb 70 27.10.2009 11:40:06
  • 71. Клетка — элементарная единица живого кул, тогда как колебательное движение протоплазмы вызы- вается энергией, освобождающейся в процессе метаболизма. Частички при этом скользят в 2 раза дальше, чем при броу- новском движении, хотя совершенно ясно, что вязкость про- топлазмы выше, чем вязкость любого раствора. Циркуляционное движение характерно для клеток, имеющих протоплазматические тяжи, пересекающие цен- тральную вакуоль. Кюстер (цитир. по [88], с. 14), изучая цир- куляционное движение, описал поведение гранул, которые находятся либо внутри, либо на поверхности протоплазма- тического слоя, прилегающего к клеточной стенке, а также в тяжах, пересекающих вакуоль. Например, диаметр зерен крахмала, движущихся по протоплазматическим тяжам, в противоположном направлении может быть больше диаме- тра тяжей, тогда при столкновении либо одно зерно начинает двигаться назад, либо оно «уступает дорогу» другому. Мел- кие гранулы «микросомы» разных размеров, даже находясь в непосредственной близости друг от друга, движутся с раз- ной скоростью и в разных направлениях, что свидетельству- ет о большой сложности движения протоплазмы. Частицы, движущиеся с разной скоростью, при встрече продолжают двигаться каждая со своей скоростью. При циркуляционном движении и тяжи, пересекающие вакуоль, также непрерывно изменяют свой вид — они могут перемещаться, разделяться на несколько более тонких тяжей, сливаться, исчезать или возникать заново. Движение протоплазмы в пристенном слое клеточной мембраны также меняется. Можно с уверен- ностью сказать, что циркуляционное движение протоплазмы не повторяется на протяжении жизни клетки. Направление движения не остается постоянным в течение длительного времени, через некоторое время оно меняется на обратное, т. е. движение носит периодический характер. Ротационное движение — протоплазма движется только по периферии клетки. При ротационном движении, в отли- чие от циркуляционного, очертания протоплазмы остаются 71Живая клетка.indb 71 27.10.2009 11:40:06
  • 72. Клетка — элементарная единица живого неизменными благодаря тому, что движение носит более или менее постоянный упорядоченный характер. Фонтанирующее движение — промежуточный тип дви- жения между циркуляционным и ротационным движением. В этом случае протоплазма в толстом центральном тяже дви- жется к вершине или основанию клетки, а пристенный слой движется в обратном направлении. Движение протоплазмы по определенным направле- ниям — в слое протоплазмы, прилегающем к клеточной стенке, наблюдаются часто длинные и узкие бороздки, вдоль которых движутся протоплазма и хлоропласты. Эти направ- ляющие бороздки изолированы друг от друга зонами непод- вижной протоплазмы и образуют на протоплазматическом геле полосатость. Наблюдаются и другие типы движений в отдельных особых клетках. Типы движения не являются раз и навсегда постоянными. Они изменяются, переходят друг в друга и т. д. На рис. 23 показаны примеры различных типов движения протоплазмы. Чем же обусловлено движение протоплазмы? Какие силы вызывают движение и его поддерживают? Ответить на эти вопросы пытались в течение 100 лет, наконец Зейцфрицем был сделан обзор всех теорий, которые он разделил на 11 ка- тегорий (цитир. по [88], с. 259) в зависимости от причин, ко- торыми пытались объяснить этот феномен: 4) поверхностное натяжение; 5) оводнение; 6) осмос; 7) обратимый переход золь-гель; 8) миелиновые процессы; 9) коацервация; 10) самостоятельное движение частиц; 11) кинетическая энергия; 12) действие магнитных сил; 13) действие электрических сил; 14) сократимость. 72Живая клетка.indb 72 27.10.2009 11:40:06
  • 73. Клетка — элементарная единица живого Рис. 23. В пыльцевых зернах и молодых пыльцевых трубках Lilium annatum обнаруживается колебательное, циркуляционное и рота- ционное движение протоплазмы [88]. Вблизи кончика (к) растущей пыльцевой трубки движение протоплазмы имеет характер обратно фонтанирующего движения: 1 — колебательное движение; 2 — цирку- ляционное движение; 3, 4 — ротационное движение. Одни теории были отброшены временем и новыми факта- ми, а другие показывают направление, в котором необходимо двигаться, но ни одна из теорий не смогла зарекомендовать себя достаточно обоснованной и общепринятой. Камия [88] считает, что для объяснения движения протоплазмы должны быть известны как динамическая «организация протоплаз- матической системы», так и «природа энергии», обеспечи- вающей это движение. Что можно сказать по этому поводу? Во-первых, мы уже могли убедиться, что построение и функционирование клет- ки столь сложно и многообразно, что ожидать создания некой единой теории, объясняющей все стороны этого феномена, маловероятно. Необходимо шаг за шагом пытаться вникнуть в суть этих процессов и, по возможности, объяснить хотя бы некоторые вопросы. По-видимому, нам не обойтись без привлечения некото- рых моделей, взятых из неживой природы. Нужно только до- говориться, чтобы, привлекая ту или иную модель для объ- яснения какого-либо явления, обнаруживаемого в живой 73Живая клетка.indb 73 27.10.2009 11:40:06
  • 74. Клетка — элементарная единица живого клетке, мы ни в коем случае не выходили бы за рамки этого явления и не требовали от модели, чтобы она обладала бы всеми свойствами живого. Во-вторых, раз и навсегда необходимо договориться о том, что все модели, призванные объяснять поведение живой клетки, не должны базироваться на сопоставлении их с ме- ханическими устройствами: машинами, заводами, конвейе- рами, часовыми механизмами, сообщающимися сосудами и т. д., как это делают многие авторы. Это не корректно и по сути дела ничего не проясняет, только запутывает сущность того или иного явления, направляя процесс выяснения меха- низма явления в ложную сторону. Прежде всего следует сказать о характере сил, вызываю- щих перемещение частей протоплазмы. Простейшей моде- лью, наглядно проливающей свет на это явление, наверное, является функционирование лампадки, заправляемой специ- альным маслом. Вспомним, что она собой представляет — смоченный маслом фитилек, опускается в емкость с маслом. Первоначально мы имеем равновесную систему, где никакого поступательного движения нет. Но вот мы зажгли фитилек, возникло пламя и вверх по фитильку началось перемещение масла к кончику фитилька, где молекулы масла окисляются кислородом и исчезают, улетая в виде воды и углекислого газа. Почему это происходит? В месте горения возникает не- равновесие, которое, естественно, должно быть устранено. Молекулы масла, соседствовавшие со сгорающими молекула- ми, устремляются на их место в силу обычных и капилляр- ных сил. Это приводит в движение следующие слои молекул и, в конечном счете, возникает перемещение масла по всей длине фитилька. Таким образом, мы имеем следующее: неравновесная си- стема, возникающая из равновесной, стремится вернуться, как ей и положено, в равновесное состояние, что и произой- дет, если пламя погаснет. Это происходит потому, что сво- бодная энергия равновесной системы (F1) меньше свободной 74Живая клетка.indb 74 27.10.2009 11:40:06
  • 75. Клетка — элементарная единица живого энергии неравновесной системы (F2). В результате в неравно- весной системе возникает сила, перемещающая части систе- мы к минимуму энергии: Гораздо более сложной моделью, поясняющей движение внутри системы, является поверхность Земли с прилегающей к ней атмосферой. Здесь мы можем найти все типы движе- ний, имеющих место в клетке. Вряд ли у кого-либо возник- нет мысль пытаться объяснить все эти движения одной и той же причиной. Реки текут под действием силы тяжести. Вода испаряется и ее молекулы улетают вверх потому, что солнеч- ная энергия придает им тепловую кинетическую энергию большую, чем та, которая у них была, когда они сохранялись в жидком виде. В верхних же слоях атмосферы, охлаждаясь и снова переходя в жидкое состояние, они теряют энергию, конденсируются и падают вниз под действием той же силы тяжести и т. д. Но и здесь мы будем иметь стремление систе- мы в целом уйти от неравновесного состояния к равновесно- му, где свободная энергия будет минимальной. Метаболизирующая живая клетка, находящаяся в не- равновесном состоянии согласно закону Бауэра, также неиз- бежно будет стремиться к минимуму свободной энергии. Но этого не случится, пока клетка будет оставаться живой. Как клетка сохраняет живое состояние нам предстоит познако- миться в следующих главах. Итак, мы познакомились с поведением живых систем, главным образом живой клетки, на том уровне, на котором все эти факты воспринимает биолог. Можно продолжить приводить новые многочисленные факты, но это не прибавит познаний для понимания механизмов поведения живой суб- станции, а следовательно, и живой клетки. В 1950-е, 60-е и 70-е гг. шло бурное развитие техники, давшей биологам мощнейшие инструменты, позволившие 75Живая клетка.indb 75 27.10.2009 11:40:06
  • 76. Клетка — элементарная единица живого глубже заглянуть в суть биологических процессов. Электрон- ная микроскопия, спектрофотометрия, флуоресцентная и люминесцентная микроскопия, ультрацентрифугирование, газовая и жидкостная хроматография, автоматические сек- венсоры для синтеза и изучения белковых молекул и другие методы исследования создали предпосылки для возникнове- ния новой отрасли науки — «молекулярной биологии». Не- смотря на неудачное название (на уровне молекул биологии нет), были достигнуты столь выдающиеся результаты, что возникло ощущение, что осталось совсем немного и все про- блемы живого будут решены. Это позволило Г. М. Франку [87] заявить, что дверь к познанию живого уже открылась, и еще немного усилий — и дверь распахнется во всю ширь. Но факты накапливались, а создание общей теории живого отодвигалось и отодвигается все дальше и дальше. Отвечая на одни вопросы, ученые стал- кивались с другими вопросами, еще более сложными и запу- танными. Естественно, что решение на любых проблем, свя- занных с расшифровкой механизмов жизненных процессов, может быть найдено только на базе физических и химических законов. Как ведут себя молекулы в живой клетке? Каким за- кономерностям подчиняются? Как построена динамическая структура живой клетки? Вот те вопросы, ответы на кото- рые мы попытаемся получить на базе химических знаний. Базируясь на дискуссиях, длящихся не одно столетие, и на фактах, полученных к настоящему времени, можно сформу- лировать третий постулат, характеризующий живое состоя- ние клетки : В живой клетке нет и не может быть никаких элемен- тов, соединений, надмолекулярных образований, построен- ных или созданных только для обеспечения живого состояния и не подчиняющихся общим законам физики и химии. Любая молекула или ассоциаты молекул в живой клетке находятся 76Живая клетка.indb 76 27.10.2009 11:40:06
  • 77. Клетка — элементарная единица живого в состоянии, которое определяется их физико-химическими свойствами и свойствами окружающих их соседей. Нашей задачей далее будет выяснение путей, которые приводят к возникновению особых биологических законов и закономерностей. При этом основным будет объяснение и обоснование закона Бауэра. Решая эту задачу, можно идти двумя путями — первый пD