ЧЯД. Глава 5. 2

                ЗАТЕРЯННЫЕ В КОСМОСЕ

Новый белок, только что созданный в клетке, сталкивается со многими молекулярными машинами. Некоторые из машин захватывают белок и отправляют его в место, куда ему суждено добраться. Через некоторое время я последую за белком по одному пути от начала до конца. Однако все белковые машины имеют довольно экзотические названия, и многим людям трудно представить эти вещи в своем воображении, если они не привыкли думать о них. Поэтому сначала я воспользуюсь аналогией, которая займет следующие несколько страниц.

Дело в далеком будущем. Человечество пытается исследовать космос из первых рук, но между кометами, магнитными бурями и мародерствующими инопланетянами опасности слишком велики. Потому работа поручена механическим космическим зондам, которые запущены в космос для исследования внешних границ нашей галактики и за ее пределами. Конечно, потребуется некоторое время, чтобы добраться до края галактики, и еще больше, чтобы выйти за ее пределы, поэтому космические зонды построены так, чтобы быть самодостаточными. Они могут садиться на бесплодные планеты и добывать сырье. Они могут изготавливать совершенно новые машины из сырья. И они могут улавливать энергию света звезд и использовать ее для зарядки своих батарей.

Космический зонд – это машина, поэтому он должен выполнять все свои задачи с помощью тщательно проработанных механизмов, а не магии. Одна из задач заключается в утилизации старых батарей. Батареи портятся через некоторое время, поэтому зонд делает новые. Новые батареи изготавливаются путем измельчения старых батарей, восстановления старых компонентов, их расплавления, переработки корпуса и добавления свежих химических веществ. Одна из машин, которая используется в этом процессе, называется «аккумуляторная дробилка».

Космический зонд имеет форму огромной сферы. Внутри сферы находится ряд меньших, автономных сфер, каждая из которых содержит механизмы для выполнения специализированных задач. В самой большой из внутренних сфер – назовем ее «библиотекой» – находятся чертежи для создания всех машин в космическом зонде. Однако это не обычные чертежи. Их можно рассматривать как чертежи выполненные шрифтом Брайля – или, возможно, как ноты для фортепиано – где физические углубления в чертеже заставляют главную машину создавать механизмы, для которых этот чертеж предназначен.

В один прекрасный день космический зонд понимает (с помощью какого-то устройства, который мы проигнорируем), что ему нужно сделать еще одну дробилку для батарей и отправить новоиспеченную машину на работу в комнату для обработки мусора, где она поможет в переработке старых батарей. Итак, процесс для этого запущен: чертеж аккумуляторной дробилки ксерокопируется в библиотеке, и копия чертежа плывет к окну библиотеки (помним, что гравитации нет). По краю чертежа пробиты отверстия по специальному шаблону, который точно соответствует колышкам на механизме сканера на окне. Когда чертеж зацепится за сканер, окно открывается, как затвор фотоаппарата. Чертеж высвобождается из сканера и выплывает из библиотеки в основную область зонда.

В основной зоне находится множество разных машин и деталей машин. Гайки, болты и провода свободно плавают вокруг. Тут содержится много копий так называемых мастер-машин, работа которых заключается в создании других машин. Они делают это, считывая отверстия в чертеже, захватывая гайки, болты и другие детали, проплывающие мимо, и собирают машину по частям.

Чертеж аккумуляторной дробилки, плавающий в основной зоне, соприкасается с главной машиной. Жужжащие, вращающиеся части главной машины берут несколько гаек и болтов и начинают собирать дробилку. Однако перед тем, как собрать корпус дробилки, главная машина сначала делает временный «орнамент», который символизирует дробилку как машину должную покинуть основную зону.

В основной зоне находится еще одна машина, называемая проводник. Форма проводника в точности соответствует «орнаменту», а маленькие магниты на проводнике позволяют надежно прикрепить его. Когда проводник прижимается к орнаменту, он нажимает на переключатель главной машины, в результате чего главная машина останавливает строительство дробилки.

С внешней стороны одной из внутренних сфер (назовем сферу «обрабатывающей комнатой №1») находится приемная площадка, которая имеет форму, соответствующую проводнику и «орнаменту». Когда проводник, орнамент и прикрепленные детали врезаются в эту профилированную секцию, переключатель главной машины снова включается, что приводит к возобновлению строительства дробилки.

Прямо рядом с этой фигурной секцией находится окно. Когда «орнамент» стучит по окну (происходит много толчков), он активирует конвейерную ленту внутри обрабатывающей комнаты, и конвейерная лента тянет новую аккумуляторную дробилку внутрь обрабатывающей комнаты, оставляя главную машину, чертеж и проводник снаружи.

Когда дробилку протаскивали через окно, другая машина удалила ненужный «орнамент». Удивительно, но конструкционные машины, встроенные в гибкие стены обрабатывающей комнаты №1, заставляют часть стены смыкаться и окружать некоторые машины, образуя новую, свободно плавающую подкомнату. Часть стены, которая осталась позади, плавно запечатывается.

Теперь подкомната проплывает на небольшом расстоянии через основную область, прежде чем наткнуться на вторую комнату обработки. Подкомната сливается со стеной и выплескивает свое содержимое в комнату обработки №2. Затем аккумуляторная дробилка проходит через камеры обработки №3 и №4 с помощью механизмов, аналогичных тем, которые доставили ее из комнаты №1 в комнату №2.

Именно в помещениях обработки машины получают метки, которые направляют их к конечным пунктам назначения. Антенна помещается на аккумуляторную дробилку и быстро обрезается, придавая ей особую конфигурацию. Особая форма обрезанной антенны даст команду другим механизмам направить дробилку в комнату для переработки мусора.

В стене последнего технологического помещения расположены машины («тягачи») с формой, дополняющей форму обрезанной антенны аккумуляторной дробилки. Дробилка прилипает к самосвалам, и эта часть стены начинает отщепляться, образуя подкомнату. Снаружи  находится еще одна машина («кодировщик доставки») с формой, которая точно дополняет форму машины («маркер порта»), торчащая из мусороуборочной комнаты. Подкомната подключается к комнате для обработки мусора через две взаимодополняющие машины. Затем мимо проплывает другая машина («шлюз»). Шлюз имеет форму, которая дополняет часть кодировщика доставки и маркера порта. Когда он прилипает к ним, шлюз пробивает небольшое отверстие в комнате для обработки мусора, и транзитная сфера сливается с ним, сбрасывая его содержимое в мусоропровод. Аккумуляторная дробилка способна начать свою работу.

Возможно, к этому моменту книги читатель легко увидит, насколько сложна транспортная система, которая отправила аккумуляторную дробилку к месту назначения. Если какой-либо из ее многочисленных компонентов отсутствует, то дробилка не доставляется в мусороперерабатывающую камеру. Кроме того, необходимо поддерживать хрупкое равновесие системы. Каждый из взаимосвязанных компонентов должен сделать это точно, а затем разъединиться, и каждый должен прибыть и уйти в нужное время. Любая отдельная ошибка приведет к сбою системы.

                ПРОВЕРКА РЕАЛЬНОСТИ

Это научная фантастика, не так ли? Таких сложных вещей не существует в природе, не так ли? Клетка – это «однородная глобула протоплазмы», не так ли? Ну, нет, да и нет.

Все фантастические машины в нашем космическом зонде имеют прямые аналоги в клетке. Сам космический зонд – это клетка, библиотека – это ядро, чертеж – это ДНК, копия чертежа – это РНК, окно библиотеки – ядерная пора, главные машины – это рибосомы, основная область – цитоплазма, орнамент – сигнальная последовательность, аккумуляторная дробилка – лизосомальная гидролаза, проводник – частица распознавания сигнала (SRP)*, принимающий участок – рецептор SRP, обрабатывающая камера 1 – эндоплазматический ретикулум (ER), обрабатывающие камеры  2 - 4 – аппарат Гольджи, антенна – сложный углевод, подкамеры – везикулы, покрытые коатомером или  клатрином, различные белки играют роли триммера,  перевозчика, кодировщика доставки, маркера порта и шлюза. Комната для обработки мусора – это лизосома.

Давайте быстро пробежимся по описанию того, как белок, синтезируемый в цитоплазме, в конечном итоге попадает в лизосому. Это займет всего один абзац. Не волнуйтесь, если вы быстро забудете названия и процедуры клеточного транспорта. Цель состоит в том, чтобы просто дать вам представление о сложности устройства клетки.

W РНК (называемая матричной РНК или просто мРНК) созданная на участке ДНК, кодирующего белок, который работает в мусоропроводе клетки – лизосоме. Назовем этот белок «мусоразой». Матричная РНК образуется в ядре, а затем проходит через ядерную пору. Белки в поре распознают сигнал на мРНК, пора открывается, и мРНК выплывает в цитоплазму. В цитоплазме «главные машины» клетки – рибосомы – начинают вырабатывать мусоразу, используя информацию мРНК. Первая часть растущей белковой цепи содержит сигнальную последовательность, состоящую из аминокислот. Как только сформируется сигнальную последовательность, частица распознавания сигнала (SRP) захватывает её и заставляет рибосому приостановиться. Затем SRP и связанные с ним молекулы плывут к рецептору SRP в мембране эндоплазматического ретикулума (ER) и прикрепляются там. Это одновременно заставляет рибосому возобновить синтез белка и открыть белковый канал в мембране. Когда белок проходит через канал и попадает в ER, фермент отсекает сигнальную последовательность. Попав в ER, мусораза размещает на ней большой сложный углевод. Белки коатомера заставляют каплю ER, содержащую мусоразу плюс другие белки, отщепиться, перейти в аппарат Гольджи и слиться с ним.

Некоторые из белков возвращаются в ER, если они содержат соответствующий сигнал. Это происходит еще два раза, пока белок продвигается через несколько отделов Гольджи. Внутри Гольджи фермент распознает сигнальный участок на мусоразе и помещает на него другую углеводную группу. Второй фермент обрезает свежеприсоединенный углевод, оставляя маннозо-6-фосфат (M6P). В последнем отсеке Гольджи белки клатрина собираются в везикулы и начинают отпочковываться. Внутри клатриновой везикулы находится рецепторный белок, который связывается с M6E. Рецептор M6P захватывает M6P мусоразы и притягивает ее к борту до того, как везикула отделится. На внешней стороне везикулы находится белок v-SNARE, который специфически распознает t-SNARE на лизосоме. После стыковки белки NSF и SNAP сливают везикулу с лизосомой. Теперь мусораза прибыла в пункт назначения и может приступить к работе, для которой она была создана. W

Вымышленный космический зонд настолько сложен, что его еще не создали, даже приблизительно. Подлинная клеточная система уже существует, и каждую секунду каждого дня этот процесс происходит в вашем теле бесчисленные миллиарды раз. Реальность много удивительнее вымысла.

                РАБОЧИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Мусораза преодолевает расстояние около одной десятитысячной дюйма на своем пути от цитоплазмы к лизосоме, но ей требуются услуги десятков различных белков, чтобы обеспечить ее безопасное прибытие. В нашем воображаемом телевизионном фильме вакцина проехала, возможно, тысячу миль от Центров по контролю и профилактике заболеваний до большого города, где она была необходима, – в триллион раз дальше, чем мусораза. Но многие требования для транспортировки вакцины были такими же, как и для доставки фермента из цитоплазмы в лизосому. Требования предъявляются типом задачи, которую необходимо выполнить. Они не зависят от пройденного расстояния, типа используемого транспортного средства или материалов, из которых сделаны знаки.

В современном учебнике выделяются три способа, которые клетка использует для доставки белков в компартменты**. Первый, когда большие ворота открываются или закрываются, чтобы регулировать прохождение белков через мембрану, известен как закрытый или управляемый транспорт. Это механизм, который регулирует поток материала, такого как недавно созданная мРНК, между ядром и цитоплазмой (или, говоря языком космических зондов, поток чертежей из библиотеки в основную область). Второй способ – трансмембранный, через специальные белковые мембранные каналы. Так мусораза транспортировалась из цитоплазмы в эндоплазматический ретикулум.  Третий способ – везикулярный транспорт, когда белковый груз загружается в контейнеры для отправки (везикулы), как это произошло при поездке из аппарата Гольджи (камеры окончательной обработки) в лизосому (комнату для обработки мусора).

Для наших целей первые два метода можно считать одинаковыми: оба они используют порталы в мембране, которые избирательно пропускают белки. В случае закрытого транспорта портал довольно большой, и белки могут проходить через него в свернутом виде. В случае трансмембранного транспорта портал меньше, и белки должны быть продеты через него. Но в принципе нет никаких препятствий для расширения или уменьшения размера портала, поэтому они эквивалентны. Я назову оба этих транспорта закрытым транспортом.

Каковы основные требования к закрытому транспорту? Представьте себе гараж, предназначенный для людей с дипломатическими номерными знаками. Вместо человека в гараже есть сканер, который считывает штрих-код на номерном знаке, и если штрих-код правильный, дверь гаража открывается. Подъезжает машина с дипломатическими номерами, сканер сканирует штрих-код, дверь открывается, и машина въезжает. Не имеет значения, проехал ли автомобиль десять футов до гаража или десять тысяч миль, или является ли транспортное средство грузовиком, джипом или мотоциклом. Если штрих-код есть, он может пройти. Таким образом, для перевозки в гараже требуются три основных компонента: идентификационная бирка, сканер и ворота, которые активируются сканером. Если что-то из этого отсутствует, то либо автомобиль не въезжает, либо гараж больше не является зарезервированной зоной.

Поскольку для функционирования закрытого транспорта требуется как минимум три отдельных компонента, он неупрощаемо сложен. И по этой причине предполагаемая постепенная, дарвиновская эволюция закрытого транспорта в клетке сталкивается с огромными проблемами. Если бы белки не содержали сигнала для транспорта, они бы не были распознаны. Если бы не было рецептора, распознающего сигнал, или канала, через который можно было бы пройти, перенос снова не имел бы места. И если бы канал был открыт для всех белков, то закрытый компартмент ничем не отличался бы от остальной части клетки.

Везикулярный транспорт еще сложнее, чем закрытый транспорт. Предположим теперь, что вместо того, чтобы машины дипломатов въезжали в гараж по одной, все дипломаты должны были въезжать на своих машинах в кузов большого грузовика с прицепом, грузовик въезжал бы в специальный гараж, машины выезжали из грузовика и парковались. Теперь нам нужен способ, с помощью которого грузовик мог бы распознавать нужные автомобили, чтобы гараж мог распознавать грузовик, и чтобы автомобили могли выходить из грузовика в гараже. Такой сценарий требует шести отдельных компонентов:

(1) идентификационная бирка на автомобилях;
(2) грузовик, который может перевозить автомобили;
(3) сканер на грузовике;
(4) идентификационная бирка на грузовике;
(5) сканер в гараже;
(6) активируемые гаражные ворота.

В везикулярной транспортной системе клетки эти компоненты соответствуют маннозо-6-фосфату, пузырьку клатрина, рецептору M6P в везикуле клатрина, белкам v-SNARE, t-SNARE и SNAP/NSF. При отсутствии какой-либо из этих составляющих либо везикулярная транспортировка невозможна, либо нарушается целостность отсека назначения.

Поскольку везикулярный транспорт требует  несколько больше компонентов, чем транспорт через ворота, он не может постепенно развиться из закрытого транспорта. Например, если бы у нас были наклейки со штрих-кодом на машинах дипломатов, размещение автомобилей в грузовике (везикуле для их транспортировки) скрыло бы наклейки, и они не смогли бы въехать в гараж. Или предположим, что у грузовика была та же этикетка, что и у автомобилей, поэтому он мог въехать в гараж. Но нам все равно не хватало механизма, чтобы посадить автомобили на грузовик, поэтому грузовик был бы бесполезен. Если какие-то автомобили случайно въезжали в грузовик, то, опять же, автомобили недипломатов въезжали в гараж. Возвращаясь к миру клетки, если бы везикула просто «случайно образовалась», не было бы механизма идентификации белков, которые должны в нее попасть, и не было бы возможности указать его назначение. Помещение белков, содержащих адресные метки, в немеченую везикулу сделало бы метки недоступными и, следовательно, нанесло бы вред организму, который имел благополучно функционирующую закрытую транспортную систему. Закрытый транспорт и везикулярный транспорт – это два отдельных механизма; ни один из них не помогает понять другой.

В кратком описании требований к транспортировке с закрытыми воротами и везикулярными перевозками в настоящей главе не были учтены многие сложности систем. Но поскольку они только усложняют систему, они не могут уменьшить непреодолимую сложность целевого транспорта.



* SRP (signal recognition particle) – связывается с сигнальной последовательностью недавно синтезированного белка, когда он выходит из рибосомы.

** Компартменты (англ. Compartment – отделение, отсек, ячейка, купе, помещение) – отсеки клеток, покрытые  оболочкой из двойного слоя липидов, в которых локализованы определенные биохимические процессы. Органеллы – лизосома, митохондрия, ядро, аппарат Гольджи – являются компартментами.

Продолжение http://proza.ru/2024/08/12/470