Страница 10 из 23
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.
Несколько электронов, взаимодействуя, образуют причудливые конфигурации, каждая из которых может характеризоваться определенной потенциальной энергией. Мир устроен так, что наиболее устойчивыми являются конфигурации с максимально заполненными внешними электронными оболочками[29]. Такую конфигурацию имеют инертные газы, и заполненные внешние электронные оболочки придают им устойчивость и, следовательно, инертность, то есть нежелание вступать в какие-либо химические взаимодействия. Все остальные атомы стремятся совместно с другими атомами создать такие же устойчивые, как у инертных газов, электронные оболочки.
Образуя молекулы, атомы элементов притягивают к себе электроны с разной силой, прямо пропорциональной их электроотрицательности[30]. Металлы имеют электроотрицательность на уровне 1, такие неметаллы, как углерод, сера, бром, водород, и металлы – медь, цинк, железо – электроотрицательность, близкую к 2, такие неметаллы, как фтор и хлор, – на уровне 3 и 4.
Существует несколько типов химических связей между элементами. Все химические связи вызваны одной единственной силой электростатического притяжения, или кулоновской силой. Все связи объясняются перетягиванием электронов от одного атома к другому.
Если молекулу образуют элементы с высокой и низкой электроотрицательностью, например, Na и Cl, то элемент с высокой электроотрицательностью (Cl) перетягивает электрон на свою электронную орбиту и сам становится отрицательным. При этом элемент с низкой электроотрицательностью остается без своего электрона и становится положительном. Положительный и отрицательный заряды притягиваются и образуют весьма устойчивую связь, именуемую ионной, поскольку фактически притягиваются положительный ион Na+ и отрицательный ион Cl-.
Ковалентная связь (основная химическая связь в органических соединениях) образуется при взаимодействии атомов, электроотрицательности которых отличаются незначительно. Такая связь возникает в результате обобществления валентных (находящихся на внешней оболочке) электронов, которые до образования связи принадлежали двум атомам. В процесс обобществления могут вовлекаться не только два, но и четыре, и шесть электронов. В результате образуется устойчивая электронная конфигурация инертного газа, например для воды.
25
Нанометр (нм) – 10-9 м. Отсюда название «нано», означающее «девять».
26
Эта единица измерения используется в ядерной физике, для биофизики она маловата.
27
Микрон – 10-6 м (миллионная часть метра), или микрометр («микро» – «миллионная часть»).
28
Восстановители и окислители – старые термины, которые не всем легко запомнить. Есть детский стишок, помогающий запомнить, кто есть кто:
Восстановитель – это тот,
Кто электроны отдает.
Сам отдает грабителю,
Злодею окислителю!
29
Полная заполненнность внешней электронной оболочки соответствует инертному газу, например гелию с двумя электронами или неону с восемью электронами.
30
Электроотрициательность – это способность атома притягивать электроны других атомов.