В некоторых случаях, например при регулировании уровня натрия, действует только один гормон без антагониста. В случае нежелательного снижения концентрации натрия мозг дает надпочечникам команду усилить производство гормона альдостерона, который уменьшает абсорбцию натрия клетками почек, сужает сосуды, повышает давление крови и тем самым повышает концентрацию натрия в крови. В процессе эволюции млекопитающие всегда имели избыток калия, поедая содержащую его растительную пищу, и недостаток натрия. Поэтому эволюционно выработался только один механизм, направленный на повышение концентрации натрия. Именно по этой причине сейчас, при изобилии соли (NaCl) в пище у людей, так распространено повышенное давление. Фактически нам приходится восполнять отсутствие гормона-антагониста лекарствами от гипертензии.
Некоторые особенно точные балансы мозг регулирует, используя вместо гормональных команд гораздо более быстрые нервные сигналы. Так, чрезвычайно точный и важный баланс кислотности крови и межклеточной жидкости, которые должны иметь водородный показатель[24] на уровне 7,4 с точностью до десятых долей процента отклонений, мозг регулирует через нервную систему. В крови имеются специальные буферные системы, которые могут мгновенно поглотить избыток или восполнить недостаток кислотности. При этом буферная система вырабатывает избыточный углекислый газ, и мозг дает команду легким ускорить дыхание и вывести избыток углекислого газа.
Клетка может подвергаться атакам вирусов и бактерий и потому нуждается в защите. Безопасность клетки поддерживается иммунной системой, которая обладает невероятно разнообразным и мощным набором средств уничтожения опасных пришельцев всех видов. В иммунной системе скоординированно работают почти 20 видов клеток, образующих несколько эшелонов защиты клеток и всего организма. Мы отложим увлекательный рассказ об этой удивительной системе до главы 1.3 книги.
А сейчас подведем некоторые итоги этой главы. Это полезно, поскольку, хотя материал и излагается в максимально доступной форме, он всё же довольно сложен и его освоение требует определенных усилий.
1. Человек представляет собой сообщество 40–80 триллионов и более 200 различных видов клеток, внешне и функционально совершенно не похожих друг на друга. Однако все эти клетки имеют один и тот же генетический код, заложенный в ДНК. Различия в клетках возникают из-за различных наборов работающих (экспрессирующих) и неработающих генов, называемых эпигенетическими профилями клетки.
2. Развитие организма проходит путем деления клеток из единственной клетки-зародыша (зиготы). В каждой клетке имеется программа развития всего организма, которая при определенных обстоятельствах на основе внешних и внутренних факторов и показателей дает команду на включение регуляторов, меняющих эпигенетический профиль клетки и превращающий ее на определенном делении в другой тип клетки. Судя по тому, что тело человека соответствует математически точным пропорциям (золотому сечению и рядам Фибоначчи), в этой программе должны быть каким-то, пока неизвестным науке способом заложены основные параметры тела.
3. Клетки человека объединяются в ткани, из которых состоят органы. Основной формирующей тело человека конструкцией служит матрикс, который заполняет клеточное ядро, клетку и межклеточное пространство. Межклеточный матрикс поддерживает клетки, формирует ткани и органы, обеспечивает питание и передачу разнообразных информационных сигналов.
4. Клетка нуждается в пище, кислороде, защите от враждебных вторжений, комфортной окружающей среде (температура, кислотность и т. д.) и выведении отходов жизнедеятельности. Все это предоставляют ей другие клетки. Мозг, воздействуя на нервную и гормональную системы, поддерживает жесткие балансы веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности клетки. При этом баланс часто поддерживается парой гормон-антигормон. Гормон повышает концентрацию определенного вещества, и гормон-антагонист понижает концентрацию этого вещества.
Глава 1.2. Как устроена клетка
Каждая наша клетка – целый мир! В нем всё движется. Постоянно и, на первый взгляд, хаотически с огромной скоростью движутся и сталкиваются миллионы молекул. Всё бурлит. Однако в этом видимом хаосе царит порядок. Всё идет по единому плану, закодированному в бережно хранимой в хорошо защищенном ядре клетки ДНК. Клетка напоминает огромный завод, в котором отдельные органеллы клетки – станки и цеха. Клетка – мир, полный чудес, и в этом разделе мы проникнем в этот чудесный мир.
1.2.1. Совсем немного биофизики и немного биохимии
Не пугайтесь! Мы, как всегда, постараемся рассказать об этих сложных предметах просто и понятно. По моему глубокому убеждению, разобраться в устройстве такой сложнейшей системы, как клетка, без знания фундаментальных основ взаимодействий, происходящих на молекулярном и субмолекулярном уровнях, не удастся.
Физика – это всегда количественное описание объектов и процессов: размеры, время, скорости и т. д. Это, конечно, сложнее, чем словесное описание, но накопленный человечеством опыт показывает, что только так можно познавать мир.
Мы будем по возможности следовать путем, проложенным физикой и другими естественными науками. Начнем с размеров. Для молекул и клетки обычные наши размеры слишком велики. Для них лучше подходят миллиардные доли метра – нанометры[25]. Помните, еще лет пять назад слово «нано» было очень модным. Сейчас оно подзабылось, но в биофизике клетки нанометры необходимы.
Атомы имеют характерный размер – около десятой доли нанометра. (Размер самого маленького атома водорода, равный 0,1 нм, носит красивое название Ангстрем[26], но это помнить необязательно.) Небольшие химические молекулы имеют размер около 1 нм. А вот органические молекулы, состоящие из множества белков, уже в 10 раз больше – примерно 10 нм. Сама клетка в 1000 раз больше, чем самая большая молекула. Ее размер равен 10–50 тысяч нанометров, или 10–50 микрон[27].
Рис. 1.2.1. Изменения свойств элементов периодической таблицы
Атомы всех имеющихся в природе химических элементов (всего их 118, элементы с номерами от 93 до 118 получены искусственно в ядерных реакторах) состоят из протонов, нейтронов и электронов. Номера элементов равны числу протонов в ядрах (заряд ядра) или электронов, окружающих ядро.
Современная формулировка Периодического закона: «Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера)».
На рис. 1.2.1 наглядно показано, что в левой части таблицы находятся металлы, отдающие электроны, и другие доноры-восстановители, а в правой – элементы, принимающие электроны, – акцепторы-окислители[28].
Атомы, связываясь с другими атомами, стремятся создать наиболее устойчивые общие электронные оболочки, то есть так объединить свои электроны, чтобы их общая потенциальная энергия была минимальной. Это один из фундаментальных законов природы: всё стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией, и только такое состояние является устойчивым. По современным квантово-механическим представлениям, электроны являются квантовыми объектами, то есть представляют собой не частицы, а размытые множества-облака, в каждой точке которых электрон может пребывать с некоторой вероятностью. Это трудно, а для наших целей не очень-то уж нужно понимать. Будем представлять себе электроны просто как заряженные распределенные объекты типа облаков. Электроны в атоме располагаются на разных уровнях-оболочках. При этом химические свойства элементов зависят только от количества электронов на внешней электронной оболочке.