ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Молекулярное узнавание в биологических системах реали­зуется не только на уровне самих молекул, но и на уровне над­молекулярных клеточных структур.

Межклеточные взаимодействия имеют определяющее значе­ние для существования и развития многоклеточного организма. Взаимодействия эти в высокой степени специфичны в смысле контактов клеток определенного сорта. Они имеют динамиче­ский характер — направленные перемещения клеток ответст­венны за морфогенетическое развитие организма (см. § 9.9). В результате взаимодействий клеток возникают тканевые струк­туры.

Можно считать установленным, что межклеточные взаимо­действия осуществляются посредством молекулярных, химиче­ских сигналов [61, 62]. Это доказывается, в частности, прямыми опытами, в которых взаимодействие клеток нарушалось введе­нием между ними кусочка целлофана. При замене целлофана полосками агара, через который могут проходить более круп­ные молекулы, взаимодействие восстанавливалось.

Еще в 1907 г. Уилсон показал, что разделенные клетки мор­ской губки объединяются вновь при помещении в морскую воду, причем образуются вполне сформировавшиеся маленькие губ­ки. Позднее было установлено, что такого рода регенерация ви - доспецифична — из смеси клеток, принадлежавших губкам раз­ных видов, образуются разные виды губок. Сходные явления наблюдаюі-ся и у клеток гораздо более сложных организмов [62, 63].

Очевидно, что такого рода узнавание, приводящее к упоря­дочению клеток, требует молекулярной сигнализации, контакта и адгезии клеточных поверхностей.

Прямые опыты показывают, что при контакте и взаимодей­ствии клеток происходит резкое увеличение проницаемости кле­точных мембран [64]. Наличие межклеточной коммуникации до­казывается прохождением малых неорганических ионов (в ча­стности, Са++) из одной клетки в другую. Установлено также, что сравнительно большие молекулы флуоресцирующих краси - телей способны переходить из клетки в клетку, если между клет­ками имеется функциональный контакт.

Образованию контакта предшествует химическая сигнализа­ция между клетками. Сигнализация осуществляется, по-види­мому, путем выделения в окружающую среду веществ, являю­щихся факторами агрегации, узнаваемых клетками. Эти ве­щества специфичны для сорта ткани, но не для вида. Если поместить в один и тот же сосуд клетки зародыша мыши и за­родыша цыпленка, принадлежащие к разным тканям, то обра­зуются раздельные скопления клеток. Если же смешать клетки, взятые у зародышей двух разных видов, но принадлежащие одной и той же ткани, то образуется единое скопление [61].

В некоторых случаях удалось выделить эти сигнальные ве­щества ([65], см. также [66]). Они представляют собой глико - протеидные частицы, содержащие 47% аминокислот и 49% са­хара. Константа седиментации равна 62,5S. Частицы имеют вид сфер диаметром 800 А, снабженных рядом радиальных отрост­ков длиною 1100 А и толщиною 45 А. Таким образом, частица обладает достаточно сложной структурой, функциональность которой пока остается неизвестной.

Перемещение клеток, приводящее к их сортировке, можно объяснять различными способами [62]. Первая гипотеза исходит из представления о хемотаксисе — о миграции клеток опреде­ленного типа по направлению к сигнальному веществу, обра­зуемому только клетками этого типа. Вторая гипотеза исходит из предположения о том, что поверхность клетки изменяется под влиянием диспергирующих агентов. Ее изменение приводит к появлению механической активности, клетки приобретают подвижность и беспорядочно движутся в агрегате до тех пор, пока не восстановится прежняя структура их поверхности. При этом возрастает их адгезивность. В таком случае все клетки одного типа будут постепенно накапливаться в кортикальной области агрегата и оттеснять другие клетки к его середине. Третья гипотеза исходит из дифференциальной адгезивности клеток. Сегрегация обусловлена случайными движениями и ко­личественными различиями в адгезивности клеток. Проблема сводится к рассмотрению термодинамического равновесия в об­разующейся системе. Экспериментальные данные лучше всего объясняются третьей гипотезой. Однако нельзя считать, что мы располагаем сейчас сколько-нибудь полной теорией рассматри­ваемых явлений. Приведенные факты свидетельствуют о специ­фической химической сигнализации между клетками, о направ­ленных механохимических процессах и о специфических кон­тактных взаимодействиях, определяемых свойствами клеточных мембран. Узнавание на клеточном уровне является сложным процессом и влечет за собой ряд явлений биоэнергетического характера. Сколько-нибудь полную физическую теорию этих явлений пока нельзя построить, так как имеющиеся биохимиче­ские сведения для этого недостаточны. Однако предложен ряд моделей, полезных для дальнейшего развития теории.

В работах [67, 68] предложена теория самосортировки кле­ток, исходящая из того, что подвижность и дифференцированная адгезивность достаточны для такого процесса. Предполагается, что конечная конфигурация, образуемая клетками, отвечает ми­нимуму свободной энергии их поверхностей. Аналогом такой си­стемы являются капли несмешивающихся жидкостей. Построена двумерная решеточная модель, «клетки» решетки моделируют живые клетки или среду. Вводится величина энергии контакта клеток. Модель, оперирующая изотропными клетками, пред­ставляет упорядоченные структуры, не имеющие, однако, био­логических аналогов [67]. Напротив, в подобных же модельных системах, содержащих анизотропные клетки, оказывается воз­можным возникновение аналогов биологических структур [68].

В работе [69] спонтанная сегрегация клеток из смешанных агрегатов исследуется на той же основе адгезивности. Рассмат­ривается детализированная модель межмолекулярных взаимо­действий, в которой энергия взаимодействия одинаковых кле­точных поверхностей отличается от таковой для разных поверх­ностей. Теория подобна теории разделения несмешиваемых жидкостей.

В указанных исследованиях отсутствуют представления о специфической межклеточной сигнализации. В работе [70] по­казано, что система клеток, притягивающихся друг к другу по­средством хемотаксиса, в ответ на испускаемые ими сигналы может агрегировать. Агрегация инициируется случайными флук - туациями. Если сигнализация кооперативна, то агрегация при­водит к характеристическому потоку, подобному наблюдаемому у некоторых миксомицетов. Эта работа представляет существен­ный интерес.

Было проведено детальное экспериментальное исследование агрегации эмбриональных клеток цыпленка [121]. Удалось выде­лить макромолекулярные факторы, способствующие агрегации, и ввести в них меченые атомы. Оказалось, что эти вещества специфически связываются определенными тканями. На кле­точных поверхностях имеются, по-видимому, специфические рецепторы, узнающие факторы, промотирующие агрегацию. Ки­нетика связывания свидетельствует о его кооперативном харак­тере. Идентификация этих факторов и дальнейшие физико-хи - мические исследования должны привести к выяснению физиче­ских основ клеточной агрегации.

Эдельман предложил интересную гипотезу о природе взаим­ного узнавания клеток, их движения, а также роста тканей, основанную на поверхностной модуляции [143]. Согласно этой гипотезе поверхности клеток данного типа содержат молекулы специфических гликопротеидов. Последние расщепляются опре­деленными протеазами, и остающиеся на поверхностях фраг­менты узнают друг друга. Таким образом, состояние поверх­ности модулируется протеазами, которые, тем самым, управ­ляют адгезией клеток в развивающихся тканях. Указан­ные гликопротеиды являются молекулами, ответственными за ассоциацию клеток. Эдельман отмечает общность разнооб­разных явлений модуляции поверхности: связи AT—АГ, при­соединение вирусов, взаимодействия клеток с гормонами, вза­имодействия сперматозоида с яйцеклеткой и т. д. Гипотеза Эдельмана важна и может служить основой для дальнейших исследований.

Отметим, что представление о существенной функции про­теаз согласуется с фактами, установленными в совсем иной области биологии. Александров показал, что имеется корреля­ция между теплоустойчивостью белков ряда организмов и теп- лолюбивостью этих организмов. Так, ареал травяной лягушки (Ratia temporaria) простирается от 43° до 70° с. ш., ареал озер­ной лягушки (/?. ridibunda) —от 40° до 60° с. ш. Температура денатурации ряда белков озерной лягушки на несколько граду­сов выше, чем травяной. Конечно, эти температуры существенно выше физиологических. Александров убедительно объяснил эти и подобные им эффекты соответствием между генотипически обусловленным уровнем теплоустойчивости белков и средней температурой существования вида [144]. Известно, что протеолиз хорошо коррелирует с денатурацией. Важнейшая роль протеаз, предполагаемая Эдельманом, конкретизирует объяснение фак­тов, открытых Александровым.

Следует подчеркнуть, что распространенные в литературе представления о том, что специфическое взаимодействие сход­ных надмолекулярных и клеточных структур определяется спе­цифичностью микро - или макроскопических межмолекулярных сил, нельзя считать убедительными. Эти представления вводи­лись вначале для объяснения синапсиса хромосом — один из создателей квантовой механики Иордан считал, что между тож­дественными участками двух гомологичных хромосом действуют квантовомеханические резонансные силы [122, 123]. В дальней­шем. Джеле рассмотрел специфическое дисперсионное взаимо­действие ([124, 125]; см. также [126, 127]). Однако трудно ожи­дать существенных различий во взаимодействии структур, по­строенных из сходных биополимеров, и дисперсионные силы в этих случаях не могут обладать специфичностью. Более подроб­ная критика этих представлений приведена в книге «Молекулы и жизнь» (см. [76], стр. 416—419).

На уровне организма в целом важнейшее значение имеет химическая сигнализация посредством гормонов, регулирую­щих поведение ряда систем, образующих организм. Гормоны во многих случаях воздействуют не только на клеточные мембра­ны, но непосредственно влияют на гены, на ДНК и, тем самым, участвуют в регуляции белкового синтеза (см. ниже и [71]). Так, гормон альдостерон регулирует прохождение ионов Na+ и К+ че­рез клеточные мембраны. С помощью радиоактивной метки по­казано, что альдостерон проникает в клеточное ядро. Через неко­торое время после того, как концентрация альдостерона стала внутри клетки максимальной, перемещение ионов через мем­брану усиливается. Это происходит вследствие усилившегося синтеза специфического белка. Действительно, если клетки предварительно обработаны антибиотиком пуромицином, то гормон своего действия не оказывает. Между тем известно, что пуромицин блокирует действие генов, препятствует биосинтезу белка.

Активность гормонов связана во многих случаях с функцио­нированием важного сигнального вещества живых клеток — циклической АМФ (см. ниже).

Все изложенное подтверждает общие положения современ­ной биологии, согласно которым живой организм следует трак­товать как весьма сложную химическую машину. Процессы сигнализации, регуляции, управления в такой машине реали­зуются посредством молекул на основе молекулярного узна­вания.