мера1

ss69100


К чему стадам дары свободы...

Восстановление смыслов


Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Четыре фундаментальных свойства клетки
мера1
ss69100

Порядок в наши дни есть обычно там,
где ничего нет.
Он указывает на бедность.

Бертольт Брехт

Когда берешь в руки эту книгу, невольно вспоминаются строки из Маяковского о чувствах некоего буржуазного чиновника, взявшего в руки "краснокожую паспортину":
"Берет - как бомбу, берет - как ежа, как бритву обоюдоострую..." и т.д.

Да, приблизительно с такими чувствами должен брать в руки книгу Линга всякий, кто глубоко убежден, что в физиологии клетки царит полный порядок.

В самом деле, какие еще чувства может испытывать специалист, когда узнает, что мембранные насосы - это всего лишь сомнительная гипотеза, а не реальность? Что плазматическая мембрана полупроницаема не благодаря системе отверстий в непроницаемой стене билипидного слоя, а совсем по другим причинам?

Что в основе распределения между клеткой и средой кислорода, K+, аминокислот, углеводов и многого другого лежат не разные, а один и тот же механизм - сорбция на внутриклеточных структурах?

Все это выглядит как попрание устоев, как кощунство над современным знанием. (Впрочем, есть мнение, высказанное Б. Шоу, что многие великие истины были вначале кощунством). Поэтому моя задача рассказчика особенно трудна.


Излагая "вздорные" идеи, невозможно просто козырять фактами, пусть голыми и упрямыми. Факты услужливы в любом виде и качестве. По этой причине, чтобы не пасть жертвой "фактического" лицемерия, необходимо начать с нескольких слов...


ПРОТИВ МЕТОДОЛОГИЧЕСКОГО ПРИНУЖДЕНИЯ

Научный метод - это совокупность правил, управляющих деятельностью науки. Если работа исследователя осуществляется в соответствии с этими правилами, то она научна, если нет - ненаучна.

Эта видимая простота осложняется тем проклятым обстоятельством, что критерии научности не всегда формулируются явно. Конкретная практика науки настолько богата и многообразна, что возникает потребность интерпретировать требования научного метода применительно к каждому конкретному случаю. А там, где интерпретация - без интуиции не обойтись.

Из этой размытости понятия "научного метода" и рождается неистребимая гидра методологического принуждения, наиболее страшная метаморфоза которой - господствующее в науке общественное мнение.

Тираническая природа общепринятых представлений состоит в том, что на деле теории всегда давлеют над фактами, и в истории науки еще ни одному самому очевидному факту не удалось легко и просто развалить теорию, которой он противоречил самым вопиющим образом.

Верить легче, чем анализировать. Вера в определенные ценности принуждает нас самих по-своему трактовать совокупность правил, громко именуемых научной методологией. В итоге, ученый не только является жертвой методологического принуждения, но и сам всегда готов выступить в роли безжалостного палача, ревностного хранителя чистоты науки (помните: не стать драконом - вот проблема!).

Наиболее эффективный метод борьбы с методологическим принуждением, как мне кажется, есть сознательное стремление каждого ученого к пониманию и владению не одной, а несколькими взаимоисключающими теориями (см. "Химию и жизнь" № 7 за 1988 г.). Когда понимаешь альтернативу, труднее быть фанатиком моноидеи, приобретаешь объемное видение проблемы.

Итак, пусть каждый из вас, прочтя эту статью, лично, наедине с самим собой, оценит меру своего методологического порабощения, способность противостоять ему, осваивая язык иного способа мышления.


ЧЕТЫРЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ СВОЙСТВА КЛЕТКИ

Какую бы сторону жизнедеятельности клетки вы не объясняли, в ваши рассуждения так или иначе обязательно включены представления о том,
(1) почему одни вещества легко проникают в клетку, другие труднее, третьи практически в нее не проникают (свойство полупроницаемости);
(2) почему вещества, например, ионы K+ и Na+, распределяются между клеткой и средой неравномерно: одних больше в клетке, чем в среде, других - наоборот меньше (свойство избирательности);
(3) каким образом клетки генерируют электрические потенциалы (свойство генерировать разность потенциалов); и
(4) каким образом клетке удается поддерживать осмотическое равновесие со средой (осмотические свойства).

В зависимости от того, как вы объясняете эти свойства, коренным образом зависит вся система ваших представлений о клетке.


ОСНОВНОЙ ВОПРОС ФИЗИОЛОГИИ КЛЕТКИ

Как это ни покажется странным, но основной вопрос состоит в том, в каком состоянии находится внутриклеточный K+: в свободном (растворенном в воде цитоплазмы) или связанном? В зависимости от варианта ответа на этот вопрос, вы будете вынуждены диаметрально противоположным образом выстраивать объяснения фундаментальных свойств клетки.

В самом деле, если K+ действительно свободен, то избирательность клетки к нему можно объяснить только особыми свойствами поверхностной мембраны - специально созданными в ней для калия каналами и насосами (закачивающими K+внутрь клетки). Если же исходить из того, что K+ связан, тогда избирательность клетки к K+ и ее способность аккумулировать его в себе объясняется уже свойствами соответствующих центров связывания.

При таком понимании нет очевидной необходимости в мембранном калиевом насосе.

Другие фундаментальные свойства также объясняются диаметрально противоположным образом в зависимости от ответа на основной вопрос. Так, если K+ связан, то рушится представление о трансмембранном потенциале, возникающим благодаря разности в концентрациях свободных K+ и Na+ по обе стороны поверхностной мембраны клетки: ведь свободным K+ остается только вне клетки.

Осмотическая стабильность клетки, согласно традиционному подходу, также зиждется на свободе внутриклеточного K+ - основного противовеса осмотически активным компонентам среды. А если этой свободы нет - значит традиция несостоятельна.

В этой проблеме важно отметить, что историю экспериментальных исследований состояния K+ внутри клетки можно разделить на два периода - косвенных и прямых методов.

Работы первого периода (до 60-х годов), использовавшие в основном электрометрические методы, однозначно свидетельствуют о свободе клеточного K+: его активность и подвижность были такими же, как и в соответствующих водных растворах.

Правда, были данные и о том, что активность и подвижность клеточного K+ могут почему-то значительно превышать таковые в водном растворе, но эти работы так и остались незамеченными, поскольку не поддавались логическому объяснению.

В последующий затем период, когда были привлечены более технологически сложные прямые методы (на основе микроскопической и электронно-микроскопической техники), воочию (в буквальном смысле) предстала связанность K+ с внутриклеточными структурами. Причем, исследования этого второго периода развивались в основном независимыми от представлений Линга исследователями.


ПРЕДСКАЗАТЕЛЬНАЯ СИЛА ТЕОРИИ или А-ДИСКИ ПРОТИВ МЕМБРАН

Одна из центральных посылок теории Линга состоит в том, что клеточный K+ связан внутриклеточными структурами и вся физиология клетки должна строится именно на этом основании. Будучи катионом, он взаимодействует с фиксированными отрицательными зарядами, представляющими собой, главным образом, свободные карбоксильные группы остатков бикарбоновых аминокислот (аспарагиновой и глютаминовой), входящих в состав белков.

Анализ показал, например, что 60% всех свободных карбоксильных групп поперечно-полосатой мышечной клетки, способных взаимодействовать с K+, расположены в А-дисках миофибрилл, основным компонентом которых является сократительный белок миозин.

Следовательно, не менее 60% внутриклеточного K+ должно быть локализовано, согласно теории Линга, именно в миозиновых А-дисках.

Дореволюционный подход дает прямо противоположное предсказание: поскольку внутриклеточный K+ свободен, т.е. растворен в воде, то калия должно быть больше в тех частях клетки, где больше воды, а воды больше в I-дисках миофибрилл [1], основным компонентом которых является другой сократительный белок - актин.

Чтобы не быть обвиненным в том, что я сам приписываю K+ слишком большую свободу, играющую такую принципиальную роль, сошлюсь на сугубо научную литературу:

"...Неорганические ионы внутри клетки находятся в основном в свободном состоянии и их накопление или выведение не может быть обусловлено избирательным связыванием ионов внутриклеточными структурами..."
(П.Г. Костюк. Электрические явления на поверхностной мембране при активном транспорте ионов. В кн.: Структура и функции биологических мембран. М.: Наука, 1975, с.183-196).

Еще одна выдержка:

"Для мембранной теории биопотенциалов исключительно важное значение (выделено мной - В.М.) имело установление того факта, что большая часть ионов K+ в протоплазме находится в свободном состоянии, т.е. что протоплазма в соответствии с исходным предположением Бернштейна представляет собой свободный раствор этих ионов"
(Ходоров Б.И. Общая физиология возбудимых мембран. М.: Наука, 1975, с. 8).

Итак, кто же оказался прав? Где K+ больше - в А- или I-дисках?

Вопреки авторитетным заявлениям, революционные ожидания подтвердились самым блестящим образом.

Методы тонкого внутриклеточного осаждения K+, авторадиографические методы с применением нестабильного изотопа K+, рентгеновский микроанализ (когда очень тонкий рентгеновский луч просвечивает отдельные части клетки), методы, основанные на выжигании лазерным лучом тех или иных клеточных структур, все эти методы прямо, без дополнительной интерпретации, свидетельствовали о том, что одним только миозином связывается не менее 60% внутриклеточного K+.

Связанность K+ делает понятным и такой факт: при контакте с 85%-ым глицерином мышца в течение часа теряет 80% воды и только 10% (!) калия [2], и это при том, что соли калия (в частности, KCl) хорошо растворимы в глицерине.

Приходится констатировать, что консервативный подход потерпел на этом участке фронта тяжкое поражение.

Таким образом, теория Линга удовлетворяет одному из требований научного метода - она способна давать принципиально важные предсказания, поддающиеся экспериментальной проверке. Кроме того, проверка проведена многократно, различными и независимыми группами исследователей, т.е. удовлетворено и другое ключевое требование научной методологии - экспериментальный результат воспроизводится в разных руках и в различных точках земного шара.

Как бы мы ни оценивали теорию Линга, факт локализации большей части K+ на миозиновых структурах мышечной клетки - самый твердый камень в ее основании.


ЭЛЕМЕНТАРНАЯ СТРУКТУРНАЯ ЯЧЕЙКА КЛЕТКИ

Согласно Лингу, элементарной структурной ячейкой клетки является ионо-водо-белковый комплекс. Хотя белок и упомянут последним, именно он является ядром комплекса и определяет все его основные свойства.

Три структурные особенности белковой молекулы являются ключевыми: наличие свободных карбоксильных групп, необходимых для связывания катионов; геометрически правильное чередование пептидных связей, обладающих дипольным моментом; и центры связывания для так называемых управляющих лигандов: АТФ, Са2+, гормонов и пр.

Молекула белка линейной формы с геометрически правильным чередованием диполей пептидных связей (кислород - отрицательный диполь, азот - положительный) является идеальной матрицей, благодаря которой внутриклеточная вода структурируется. Дипольные заряды всех его пептидных связей, взаимодействуя с дипольными молекулами воды, ориентируют их в пространстве и ограничивают подвижность.

Первый слой ориентированных и связанных белком молекул воды является, в свою очередь, матрицей для следующего водного слоя и т. д. В результате, вокруг белка образуется многослойная водная шуба. Чем больше доля пептидных связей данной белковой молекулы доступна воде (что зависит от конформационного состояния), тем эффективней такой белок структурирует воду.

Рассмотрим некоторые свойства ионо-водо-белкового комплекса, постулируемые теорией Линга.

Управляющие лиганды обладают способностью изменять электронную плотность на различных функциональных группах белка (белок обретает черты сходства с молекулярным компьютером).

При связывании, например, АТФ, электронная плотность на карбоксильных группах меняется таким образом, что у них повышается сродство к K+. K+ начинает аккумулироваться ионо-водо-белковыми комплексами клетки и в результате клетка в целом оказывается способной накапливать этот катион. Сам белок при этом "распрямляется", больше его пептидных связей начинают взаимодействовать с водой, образуя вокруг белковой молекулы более обширный водный кокон.

Соседние коконы сливаются в единую систему и, как следствие, содержание связанной воды в клетке резко возрастает.

В такой структурированной водной среде могут оставаться только молекулы и ионы достаточно малых размеров, которые легко вписываются в "кристаллическую" решетку многослойной системы ориентированных молекул воды. Na+ в эту систему вписывается плохо из-за слишком большой гидратной оболочки и потому покидает сначала объем, занятый ионо-водо-белковым комплексом, а затем, по мере сливания комплексов, и клетку.

Если АТФ расщепляется, то события приобретают противоположную направленность: K+ и вода сбрасываются, значительная часть пептидных связей белка уходит от контакта с водой, Na+ замещает K+ в центрах его связывания.

Такие циклы связывания-расщепления АТФ и соответствующие этому изменения в структуре и свойствах ионо-водо-белкового комплекса (вместе с вкладами других управляющих лигандов) лежат, согласно Лингу, в основе функционирования отдельных белков, белковых комплексов, клеточных структур (в том числе мембран), органелл и клетки в целом.


ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА КЛЕТКИ С РЕВОЛЮЦИОННЫХ ПОЗИЦИЙ

Свойство № 1. Клетка полупроницаема не потому, что полупроницаема ее поверхностная мембрана с гипотетической системой отверстий разного калибра (теория сита), а потому что структурированная клеточная вода (где бы она ни была - и в мембране, и в цитоплазме) является хорошим растворителем для одних веществ (легко проникают в клетку) и плохим для других (плохо или совсем не проникают в клетку).

Свойство № 2. В клетке аккумулируются только те вещества, для которых в ней имеется достаточное количество центров связывания. Чем больше таких центров и чем выше их сродство (избирательность) к данному веществу (иону), тем больше разница между внутри- и внеклеточной концентрациями данного соединения (иона).

Свойство № 3. Электрический потенциал покоящейся клетки является адсорбционным потенциалом - результатом связывания ионов с белками микроскопически тонкого поверхностного слоя клетки, непосредственно контактирующего с внешней средой. Величина потенциала определяется сорбционными свойствами белков пограничного слоя: плотностью фиксированных зарядов, их избирательностью и сродством к противоионам.

Свойство № 4. Осмотическое равновесие клетки со средой поддерживается не за счет взаимодействия свободной внутриклеточной воды со свободным K+, а в результате связывания воды с белками. Осмотическая активность белка определяется величиной доли пептидных связей, доступной для взаимодействия с водой.


ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИНАКОМЫСЛИЕ

Начиная с 50-х годов представление о роли АТФ, как универсального источника энергии для биологических процессов, не изменилось. Однако изменилась оценка того количества энергии, которое эта молекула способна дать: с 10-12 ккал/моль тогда, она снизилась до 3-5 ккал/моль в 70-е годы.

Девальвация АТФ ставит вопрос об энергетическом крахе клетки, если смотреть на ее энергетику с консервативных позиций. Даже если верна первоначальная оценка калорийной ценности АТФ, то для обслуживания только натриевого насоса (учитывая реально наблюдаемую интенсивность обмена Na+ между клеткой и средой) необходимо в 30 раз больше АТФ, чем клетка способна синтезировать.

Линг полагает, что энергия, используемая клеткой для своих нужд, содержится не в отдельно взятой химической связи, а в целой системе взаимодействий в рамках АТФ-ионо-водо-белкового комплекса.

При распаде этого комплекса энтропия системы возрастает (в основном за счет разупорядочивания ранее связанной и структурированной воды), что и служит источником свободной энергии для биологической работы. Для поддержания метастабильного состояния АТФ-ионо-водо-белкового комплекса не требуется непрерывного притока энергии. Энергетика клетки, по Лингу, чрезвычайно экономна.


ИМЕЮТ ЛИ ТЕОРИИ ПРАВО НА ИСКЛЮЧЕНИЯ?

Когда универсализм основных положений теории исчерпан и уже не может служить логической основой для объяснения всей совокупности явлений, появляются объяснения специальные, предназначенные только для данного, единичного, случая и непригодные для других частных случаев - гипотезы ad hoc.

Ну, например, если утверждается, что различие в концентрации того или иного вещества внутри и вне клетки может поддерживаться только за счет деятельности специального мембранного насоса, то как быть с таким исключением, как кислород?

В самом деле, с одной стороны существует универсальное правило:
"Если вещество нейтрально, то вопрос о том, нужен ли насос в поверхностной мембране для перекачки данного вещества, решается очень просто: раз концентрация отличается, значит, нужен насос"
(Е. А.Либерман. Живая клетка. М.: Наука, 1982, с.101).

С другой стороны,концентрация кислорода в эритроците в 100 раз превышает его содержание в плазме крови, а каких либо кислородных насосов в мембране красной клетки нет. Универсализм нарушен!

В примере с кислородом всем нам повезло - доказано, что кислород связывается с гемоглобином. А если бы не было доказательств этому? Тогда бы не избежать нам кислородной помпы! А вот обратная ситуация: все, кто заглядывал в электронный микроскоп, знают, что большая часть K+ мышечной клетки связана с миозином. Тем не менее, калиевый насос продолжает существовать (видимо тем, кто работает с микроскопом, нет дела до насосов, а "насосники" не смотрят в микроскоп).

В полном соответствии с универсальным правилом мембранной теории, пришлось придумать множество разных насосов. Всякий раз, когда обнаруживается, что какое-то вещество распределяется между клеткой и средой неравномерно, сразу же постулируется специальная мембранная помпа, даже если клетка сталкивается с этим веществом впервые в своей непростой эволюционной судьбе.

Уже насчитывается более 25 (!) разновидностей насосов (работа каждого из которых требует опять же непрерывного притока энергии) и этот список открыт для новых членов. Когда число систем активного транспорта перевалит за 1000, может быть тогда станет очевидной абсурдность такого способа мышления?

Но абсурдность видна и в другом. Вот один из примеров. Если лимфоциты человека охладить до 0o C в среде с нормальным соотношением K+ и Na+ (5 и 145 мМ соответственно), то концентрации Na+ внутри и вне клетки выравниваются.

Как это объяснить с консервативных позиций? Довольно просто: натриевый насос, который постоянно требует для своей работы энергию в виде АТФ, перестает работать при 0o, т.к. теплолюбивые лимфоциты при такой низкой температуре перестают синтезировать этот универсальный носитель энергии. Поскольку энергии становится недостаточно для эффективной работы насоса, концентрации Na+ по обе стороны мембраны выравниваются. Все гладко, не так ли?

Однако стоит уменьшить содержание Na+ в среде до 19 мМ (изоосмотичность среды поддерживалась при этом сахарозой), как наши лифоциты начинают вести себя весьма странно: при той же нулевой температуре в клетке начинают одновременно накапливаться и Na+, и K+: их становится в клетке в 6 и 10 раз больше, чем в среде, соответственно [3].

Во-первых, получается, вопреки священному постулату, что натриевый насос "смонтирован" в мембране не жестко. На самом деле он может "качать" свой катион куда захочется ему, а не теории, его породившей.

Во-вторых, выходит, что Na,K-насос транспортирует свои катионы не в разные, как это всегда было, а в одну и ту же сторону по отношению к мембране (не слишком ли?).

Наконец - энергия. Раз уж мы договорились, что при 0o С метаболизм прекращается, то тогда за счет какого источника энергии осуществляется поддержание пусть "уродливого", но градиента - когда и K+ и Na+ скапливаются по одну и ту же сторону мембраны?

Уже на одном этом примере мы сталкиваемся с впечатляющими противоречиями трем фундаментальным положениям консервативной парадигмы: монтаж насоса не жесткий, а произвольный; K+ и Na+ качаются в одну, а не в разные стороны; энергии нет, а градиент есть!

Есть и другие несуразности. Каждому, кто интересуется физиологией и биофизикой клетки, известно, как чувствительны клетки к осмотическому давлению среды: в гипотонических растворах клетки начинают набухать, в гипертонических - наоборот, их объем начинает уменьшаться, клетки съеживаются.

Почему? В любом учебнике вы найдете объяснение, что всему причиной полупроницаемая мембрана, разделяющая два одинаковых по сути водных раствора: внутри- и внеклеточный.

Но как тогда быть с тем, что мышечные волокна, лишенные мембраны все равно обладают осмочувствительностью [4].

А микросферы и родственные им коацерваты, прототипы древнейших одноклеточных организмов, не "нюхавшие" липидов и лишенные тем самым удовольствия иметь на своей поверхности бислойную липидную полупроницаемую мембрану? Эти безмембранные протоклетки осмочувствительны [5]!

Значит, остается признать: наличие полупроницаемой мембраны не является критическим.

Очень некрасивый номер выкинули амебы: в эксперименте их лишили святая святых консервативной клеточной физиологии - все той же мембраны. Но несмотря на эту утрату и вопреки ей, они продолжали себе ползать как ни в чем ни бывало [6].

Мембраны нет, значит нет ни полупрницаемости, ни ионных насосов, ни биопотенциалов, ни особого внутриклеточного состава, но "раздетая" клетка, несмотря ни на что, продолжает демонстрировать нам одно из ярчайших проявлений жизни - движение. Так все-таки, нужна или нет поверхностная мембрана?

Сторонники общепринятых представлений так и не попытались дать последовательного, СОГЛАСОВАННОГО объяснения ВСЕХ основных вопросов клеточной физиологии. Нарастание числа гипотез ad hoc - свидетельство кризиса теории, ее неспособности на последовательную реализацию своих центральных идей в силу их несовершенства или ложности.

Ну, а когда обнаруживаются явления и вовсе не поддающиеся как-либо трактовке, как в случае особо показательного примера с лимфоцитами, то на ум приходит горькая ирония Томаса Генри Гексли: "Трагедия науки: прекрасная гипотеза, убитая маленьким уродливым фактом".

Революционность Линга в том, что он сделал серьезную попытку предложить такие постулаты, которые, логически развертываясь, объединяют всю систему физиологических явлений в единую, стройную систему без грубых аномалий. Взгляды Линга являются попыткой создать подлинную теорию в классическом смысле, а не набор удобных частных правил, которые в любой момент разрешается менять на новые, еще более удобные.


ЛИТЕРАТУРА

1. Huxley A.F. and Niedergerke R. Measurement of the striations of isolated muscle fibers with the interference microscope. J. Physiology., 144: 403-425, 1958.

2. Hummel Z. The effect of different alkali metal ions on the release of muscle potassium during glycerol treatment. Physiol. Chem. Phys. Med NMR, 15(2): 177-180, 1983.

3. Negendank W. and Shaller C. Simultaneous net accumulation of both K+ and Na+ by lymphocytes at 0o C. Bioc. Biop. Acta, 640: 368-373, 1981.

4. Elliott G.F. Donnan and osmotic effects in muscle fibres without membranes. J. Mechanochem. Cell Motil. 2: 83-89, 1973.

5. Фокс С. и Дозе К. Молекулярная эволюция и возникновение жизни. М.: Мир, 1975, с.220.

6. Pollard T.D. and Ito S. Cytoplasmic filaments of Amoeba proteus. I. The role of filaments in consistency changes and movement. J. Cell. Biol., 46: 267-289, 1964.



В. В. Матвеев


***


Источник.

*

Удивительная сложность клетки





  • 1
(Анонимно)
Брехт никогда не брехал, факт.

  • 1
?

Log in

No account? Create an account