28.03.2019 _ Живая клетка глазами химиков-органиков, В. Г. Костенко, Л. Д. Костенко,

В. Г. Костенко, Л. Д. Костенко, Живая клетка глазами химиков-органиков

Статья опубликована в альманахе МЕТАПАРАДИГМА, выпуск 1, 2013г. _ http://metaparadigma.ru

Ниже представлены выписки из статьи:

 

Мы уже неоднократно отмечали, что для живой клетки необходим гомеостаз по всем параметрам (температура, рН, ионный состав, поступление питательных ве­ществ, давление и т. д.). Обеспечение гомеостаза на уровне организма осуществля­ется с участием витаминов, гормонов, нейрогуморальных процессов и обнаружен­ных в последнее время регуляторных пептидов [30], которые получили название «химического языка». Не ясно только, как происходит согласование действий этих регуляторных систем.

 

Вероятно, наиболее серьезным осложнением для понимания построения и функ­ционирования живой клетки является число белковых молекул и их видов, участ­вующих в образовании клеточных компартментов. Мы уже упоминали, что число молекул белка в клетке составляет 109, а число видов белков превышает 10 тысяч ([31]. С. 5), при этом подавляющее большинство их обладает ферментативной ак­тивностью. Неясно, как осуществляется координация действия ферментов.

 

Не менее сложно понять, как автономно управляется живая клетка, когда время жизни комплексов, возникающих при взаимодействии молекул, присутствующих в клетке, составляет подчас миллиардные доли секунды.

 

Мы уже касались проблемы процесса набухания и выталкивания воды клеткой. Ка­жущаяся простота этого феномена обманчива. Наблюдается зависимость от содер­жания АТФ, ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, гормонов, разобщителей дыхания и т. д. Снова необ­ходим поиск ответа на вопрос, как клетка управляет процессом гомеостаза водного режима, от которого зависит сохранение ее живого состояния.

 

Обсуждая подвижность самих клеток, С. А. Самарин [35] пытается обосновать этот феномен тем, что он обусловлен актином, что можно подтвердить результатами многочисленных работ, проводившихся под руководством Г. М. Франка [36]. Одна­ко остается неясным вопрос, каким образом клетка суммирует внешние сигналы, идущие от рецепторов, чтобы ответить на них направленными изменениями ак­тина в нужном месте и в нужное время. И вновь мы вынуждены думать об иденти­фикации всех звеньев сигнальной цепи, ведущих от рецепторов к белкам-эффекто­рам. Чем больше будет привлекаться рецепторов, эффекторов, белков-посредников и т. д., тем запутаннее будет выглядеть авторегуляторный механизм, тем труднее понять, как в клетке происходит его исполнение.

 

Сложно обстоит дело с представлениями о гибели клеток, их переходе в неживое со­стояние. …авторы не представили никаких данных о химизме этих процессов. Не исключено, что таких данных просто нет.

 

Можно продолжить перечень примеров осложнений, наблюдаемых при попытках экспериментально выяснить авторегуляторные механизмы живой клетки, но уже из приведенных данных ясно, что схемы, с помощью которых мы попытались бы в рамках общепринятых представлений молекулярной биологии дать это объясне­ние, были бы либо запутанными и сложными для понимания, либо вообще нереаль­ными для исполнения самой клеткой.

 

 

Мы уже отмечали, что внутри клетки имеет место плотная упаковка молекул, напо­минающая ситуацию, которая осуществляется в смешанных органических кристал­лах, когда выступы одной молекулы входят в углубления другой, что постулировано в свое время А. И. Китайгородским [39, 40]. Картина напоминает детскую мозаику, только не на плоскости, а в объеме. Отсюда — очень важное свойство внутрикле­точной организации: ее возникновение и сохранение возможно только в строго заданных параметрах молекулярной структуры полимеров, образующих клетку. В таком случае главенствующими силами при образовании клетки были бы валент­ные связи. Но тогда клетка была бы уподоблена чисто механическим устройствам с шатунами, спицами, шарнирами и т. д., что и побудило некоторых авторов именно так и представлять строение «живой клетки»¹.

Но, с другой стороны, валентные связи, обеспечивающие целостность полимерных цепей, имеют важнейшее значение для живой клетки. Не будь этих связей, клетка превратилась бы в смесь мономерных молекул и атомов, и тогда ни о каком живом ее состоянии не могло быть и речи.

Нужно еще раз подчеркнуть, что белок в клетке находится в постоянной динамике. Его стремление к минимуму свободной энергии Гиббса не должно приводить ни к равновесию, аналогично водному раствору белка, ни к кристаллическому состоя­нию. И в том, и в другом случае неминуема гибель клетки.

 

Итак, необходимо понять, какие же силы и связи главенствуют при образовании и функционировании живой клетки. Изложенные ранее факты и гипотезы одно­значно свидетельствуют о том, что процессы жизнеобеспечения базируются на так называемых «слабых взаимодействиях» (водородные, полярные, дисперсионные, вандерваальсовые связи, гидрофобные взаимодействия), а также на образовании комплексов с переносом заряда.

 

Образование ассоциатов белковых молекул, взаимодействующих друг с другом и мономерными молекулами других классов (витамины, гормоны, липиды, углево­ды, ионы металлов), также играют роль в поддержании живого состояния клетки. Необходимо учитывать, что образующиеся в результате этих взаимодействий комп­лексы можно подразделить на два типа:

1) стационарно сохраняющиеся в течение всей жизни клетки компоненты — мем­браны, мембранные системы (аппарат Гольджи, ретикулум), ядра, митохондрии, лизосомы, микротрубочки и т. д.;

2) комплексы, продолжительность жизни которых исчисляется долями секунды.

 

Вряд ли можно представить себе систему, динамически сохраняющую свою целос­тность и функциональность, но не обладающую способностью перестраивать, ис­правлять, удалять компоненты, отработавшие и уже не нужные, а также поступив­шие из окружающей среды вещества, свойства которых неприемлемы для системы. Живая клетка действительно обладает такой способностью, и именуется она мета­болизмом.

Естественно, метаболизм должен быть целенаправленным, и мы видели, что целью химических превращений под действием белков-ферментов является получение так называемых макроэргических соединений и коферментов, содержащих груп­пировки с сильно делокализованными π,π- и n,π-сопряженными связями, разрыв которых сопровождается высвобождением энергии.

Мы подошли к решению вопроса об энергетике живой клетки. Энергия нужна для выполнения работы живым организмом, для перемещения внутриклеточных ком­понентов, для поддержания гомеостаза внутри клетки путем обеспечения энергией активного транспорта и т. д. Можно представлять, что в каждом конкретном случае существует особый механизм преобразования энергии, и тогда для управления эти­ми процессами потребуется полная система датчиков, регуляторов, исполнитель­ных устройств. Вряд ли этот путь реален.

 

Что же можно считать основным свойством живых структур? Несомненно, это спо­собность к самоорганизации белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов. В результате этих процессов возникают клеточные органеллы, перечисленные ранее.

 

По мере развития инструментальных физико-химических методов, взгляды на ка­жущуюся однородность цитоплазмы (такие взгляды были приняты при использо­вании классической световой микроскопии) постоянно изменяются в связи с об­наружением все новых и новых структурных образований. Так или иначе, именно структура определяет функцию, но мы уже видели, что функционирование клеточ­ных структур ведет к образованию компонентов, изменяющих саму структуру. Зна­менитый парадокс «курицы и яйца» в живой клетке заключается в кажущемся па­радоксе структура ↔ функция. Однако в живой клетке имеет место синхронность этих двух составляющих.

Если теперь мы попытались бы изобразить в качестве рисунка обсуждаемую мо­дель клетки, то нам пришлось бы создавать мультфильм, который отражал бы всю динамичность процессов, беспрерывно меняющихся в зависимости от условий ок­ружающей среды. При этом, как мы видели, сдвиги структуры тут же приводят к изменению функций внутриклеточных компонентов, что сразу же ведет либо к воз­врату к исходному неравновесному состоянию, либо к переходу структуры в новое состояние (также неравновесное), соответствующее новым условиям окружающей среды и т. д.

 

Все процессы образования структуры живой клетки идут в направлении уменьше­ния свободной структурной энергии Гиббса. В таком случае величина этой функции для структуры в клетке может достигнуть минимума либо перейдя в равновесие, сходное с водным раствором компонентов клетки, либо в кристаллическое состоя­ние, сходное с «апериодическим кристаллом». И в том, и в другом случае клетка гиб­нет. Чтобы этого не произошло, структура клетки должна обладать чрезвычайно высокой лабильностью, маневрируя между двумя этими состояниями.

 

Поэтому попробу­ем найти объяснение некоторым общеизвестным свойствам живых организмов.

1. Живые системы (в том числе и клетки) требуют для своего существования строго ограниченных диапазонов температурных и других физических и физико-химичес­ких факторов.

В представленной модели авторегуляция может осуществляться только при сохра­нении пространственной структуры клетки. Изменение этой структуры немедлен­но будет вести к изменению функциональных свойств метаболизирующих систем, направленных на получение веществ, устраняющих возникающее отклонение. Это может быть достигнуто только в том случае, если все противоположно направлен­ные процессы будут строго координированны.

2. Все живые организмы при своей жизнедеятельности в обязательном порядке че­редуют периоды активности с периодами покоя.

Известному врачу-физиологу А. С. Залманову ([48]. С. 49–71) при освещении воп­росов, связанных с описанием причинных связей при физиологических проявле­ниях в человеческом организме, пришлось выделить в отдельный раздел изложе­ние причин и течений этих проявлений под названием «Усталость». Согласно его взглядам, если усталость в организме не будет сменена покоем, неминуема гибель живого организма.

Как мы знаем, активность клетки непременно сопровождается некоторым разупо­рядочиванием ее структурных компонентов, что ведет к переходу молекул, состав­ляющих основу живой клетки, в возбужденное состояние с повышенным уровнем свободной энергии Гиббса. Если клетка не сможет вернуться в исходное упорядо­ченное состояние с минимальной величиной энергии, наступит ее перевозбужде­ние, и она погибнет.

3. Живые организмы не всегда в состоянии устранить те или иные нарушения, воз­никающие, как правило, в результате экстремальных воздействий окружающей среды. Мы пытаемся помочь организму устранить эти нарушения, применяя те или иные лекарственные вещества. Но так как (согласно модели) любое лекарство име­ет в своем составе те же лабильные системы (например, π,π- и n,π-сопряженные группировки), а в клетке имеют место статистически согласованные сети химиче­ских реакций, неизбежны сбои этой согласованности. В случае, если это касается нервных клеток, возникает боль, которую мы (опять же с помощью лекарств) снова пытаемся устранить. К сожалению, этот процесс иногда приводит к гибели орга­низма.

***

Не считаясь с этим фактом, человечество, научившись создавать новые лекарствен­ные препараты, увлеклось сначала тем, что получало их из природных источни­ков, а затем — с помощью оргсинтеза. К чему это привело, можно узнать из труда О. А. Мазура ([49]. С. 7): «По подсчетам специалистов, в XVII–XVIII веках за каждые 20 лет в мире появлялось в среднем одно новое эффективное лекарство за 2 года. В конце XIX века появлялось 3 лекарства за 2 года. В конце XIX столетия на нашей планете создавалось 8–10 принципиально новых лекарственных средства… Неко­торые специалисты приводят еще более устрашающие меня, как врача-натуропата, цифры, подчеркивающие неудержимый рост числа лекарственных веществ, потре­бляемых современным человечеством. Они пишут, что в 30-х годах XX века в мире применялось около 30 000 медикаментов, а к 70-м годам их насчитывалось свыше 200 000.

Статистические данные говорят, что современное человечество за один год при­нимает миллионы тонн различных лекарственных химиопрепаратов. В США, на­пример, население принимает только аспирина 20–30 тонн в день, то есть более 10 000 000 килограмм в год».

Комментарии к этому излишни. Ну а результат? Обратимся снова к трудам А. С. За­лманова ([48]. С. 187). Вот что он пишет:

«В США, где специализация врачей дошла до крайнего предела, где беспрестанно растет количество новых медикаментов, где хирурги заменяют органы искусст­венными субстанциями, президент академии питания в Нью-Йорке М. К. Мартин опубликовал отчет о количестве больных за 1958 год.

Вот эти цифры: 20 миллионов людей с аллергическими заболеваниями, 300 000 сле­пых, 1 миллион больных глаукомой, 16 миллионов больных психозом, 3 миллиона слабоумных (дебилы, олигофрены), 10 миллионов больных атеросклерозом и с на­рушением сердечной деятельности, 4 миллиона человек страдают от последствий алкогольной интоксикации и 32 миллиона от ожирения. В этом отчете отсутству­ет число людей, страдающих заболеванием печени, желчных путей, простатитом, гипертонией и др. Как далека реальность от неоправданной эйфории академиков! 120 миллионов больных на население в 170 миллионов!»

Думается, что аналогичная картина будет наблюдаться для большинства цивилизованных стран. Не избежать этой участи и России, стремящейся идти по западному образцу.

Отсюда следует вывод, что необходимо искать пути мягкого воздействия на клет­ки организма. В работе уже отмечалось, что самый эффективный способ — это ис­пользование лекарственных растений, содержащих в ничтожных концентрациях вещества, родственные регуляторным соединениям, вырабатываемым самим орга­низмом.

В этом случае (согласно предлагаемой модели) в живой клетке будут сохраняться условия для неизменности жизнеспособной структуры.

 

Известный принцип Ле-Шателье требует от химической системы, что­бы она сохраняла равновесное состояние. Однако мы уже видели, что равновесие смертельно для живой клетки.

 

В конечном счете, хотим мы этого или нет, следует согласиться с тем, что жи­вая клетка не могла возникнуть самопроизвольно из неживой материи в ре­зультате несуществующей «химической эволюции». Сторонникам эволюцион­ного возникновения живой клетки следует признать, что их представления об эволюционном происхождении живого базируются на их собственной вере, но не в Творца, а в несуществующую «эволюцию».

 

В живую клетку гениально вложено, с одной стороны, стремление к упорядоченно­му расположению плотно упакованных структур с минимальной свободной энерги­ей Гиббса, с другой стороны, флуктуации микросостояний белковых молекул обес­печивают максимальную величину энтропийной составляющей этой энергии.

Не менее захватывающую картину мы наблюдаем, когда рассматриваем соотноше­ние структуры и функции в живой клетке. Известно, что ни одна неживая система не обладает способностью синхронного изменения этих свойств. Изменение жи­вой структуры не может не сопровождаться функциональным переходом, и в то же время функциональный сдвиг неизбежно ведет к перестройке структуры. Следует учесть, что эти переходы осуществляются в миллиардные доли секунды.

 

В результате живая клетка немедленно реагирует на воздействия окружающей сре­ды, настраиваясь и приспосабливаясь к ним непрерывно и постоянно. Именно в этом смысл единства живой системы и внешней среды.

На основе стремления к образованию упорядоченного состояния («апериодический кристалл») основано еще одно фундаментальное свойство живого — образовывать структуры, в которых замирают биохимические процессы, способные сохранять, а затем воспроизводить исходную клетку.

 

А. В. Фомин [61] составил подробный перечень представлений ученых разных вре­мен, доказывающих невозможность возникновения жизни без участия Творца Все­ленной. Приведем небольшую выдержку из его труда, которая больше всего касает­ся нашей работы (С. 84): «…“случайное” образование клетки невозможно, и несом­ненно, что она создана кем-то.

Главной причиной необъяснимости случайного возникновения клетки теорией эволюции является “неупрощаемая комплексность” клетки. Живая клетка функ­ционирует благодаря гармоничной деятельности множества составляющих ее час­тиц. И отсутствие хотя бы одной из этих частиц разрушает клетку. Клетка не может ждать, пока такие бессознательные процессы, как естественный отбор и мутация, усовершенствуют ее. Следовательно, первая клетка, возникшая на Земле, должна сразу состоять из всех необходимых для ее жизнеспособности частиц и обладать соответствующими функциями, то есть быть полноценной. Что, несомненно, озна­чает Сотворение».

61. Фомин А. В. // Доказательства существования Бога. М.: Новая мысль, 2008.

Назад к списку