Читать книгу Дивовижний імунітет. Про антитіла, інфекції та інші цікавинки імунної системи - Філіпп Деттмер - Страница 5

Як ми вже з’ясували, клітина – це найменша одиниця життя, об’єкт, який можна чітко визначити як щось живе. Хоча ми розуміємо, що таке життя, дати йому визначення дуже складно. Загалом, живих об’єктів відрізняють від решти всесвіту кілька властивостей. Живим об’єктам властивий метаболізм, тобто вони поглинають поживні речовини ззовні й виводять назовні відходи. Вони реагують на подразники. Ростуть і можуть збільшуватися. Усе це ознаки клітин. Ми ж майже повністю складаємося з них. Наші м’язи, внутрішні органи, шкіра й волосся складаються з клітин. Ними наповнена кров. Клітини не мають свідомості, свободи волі, почуттів чи мети, вони не приймають активних рішень. Можна назвати клітини біологічними роботами. Їх функціонування цілковито зумовлене безліччю біохімічних реакцій, а реакціями керують певні складові частини клітин.

Наші клітини мають «органи», так звані органели, наприклад ядро, яке є інформаційним центром клітини. Це доволі велика структура із власним захисним бар’єром, у якій міститься ДНК, наш генетичний код. У клітині також є мітохондрії – генератори, які перетворюють їжу й кисень на хімічну енергію для підтримування роботи клітин. Є спеціалізована транспортна мережа, пакувальний центр, пристосування для перетравлення та переробляння продуктів, будівельні центри. Під час вивчення будови клітин їх часто зображують як такі собі пакети, наповнені цими органелами. Але така картина не дає достатнього уявлення про складні процеси, які вирують у клітині.

Озирніться кімнатою, де перебуваєте[3]. Уявіть, що всю її вщерть заповнюють різноманітні об’єкти – мільйони піщинок, мільйони рисових зернин, кілька тисяч яблук і персиків, ще й десяток великих кавунів. Приблизно так виглядає клітина всередині. Що це означає?

Кожна людська клітина заповнена десятками мільйонів різних молекул. Половина з них – молекули води. У нашій метафорі вони представлені піщинками, які надають внутрішньому вмісту клітини консистенції на кшталт м’якого желе. Це дає змогу іншим молекулам легко пересуватися, бо в такому масштабі вода вже не рідка, а в’язка, як мед[4].

Інша половина вмісту клітин складається здебільшого з мільйонів молекул різних білків. Їх може бути від 1000 до 10 000 різних видів – залежно від функції та призначення. У нашому прикладі з кімнатою це будуть рис і більшість фруктів. Кавуни – це органели, які ми завжди бачимо на фотографіях клітин. Отже, наші клітини здебільшого складаються з білків і ними ж заповнені.

Тепер треба трохи поговорити про білки, тому що знання про них надзвичайно важливе для розуміння функціонування імунної системи, клітин і мікросвіту, у якому вони перебувають. Білки настільки важливі для клітин, що клітини можна було б назвати білковими роботами. Імовірно, вам доводилося чути про білки здебільшого в контексті харчування. Можливо, ви навіть перебуваєте на білковій дієті, особливо якщо багато тренуєтесь і намагаєтеся наростити м’язи. Це має сенс, оскільки найщільніші частини нашого тіла складаються переважно з білка (навіть кістки – це суміш білків і солей кальцію). Але білки потрібні не лише для нарощування м’язів. Це найважливіша органічна речовина, з якої складається та завдяки якій функціонує все живе на нашій планеті. Вони настільки потрібні й різноманітні, що клітини можуть використовувати їх для чого завгодно – від побудови простих стінок до надсилання сигналів і конструювання мікромеханізмів.

Білки складаються з ланцюжків амінокислот, які слугують своєрідними блоками під час побудови білкових молекул. Відомо про 20 видів амінокислот. Треба лише зв’язати їх у ланцюжок у потрібній послідовності. І вуаля! Білок готовий. Цей принцип дає змогу живим істотам утворювати приголомшливу кількість різноманітних білків. Наприклад, якщо ви хочете створити простий білок із ланцюжком із 10 амінокислот, яких є 20 видів, то кількість можливих білків вражає – 10 240 000 000 000.

Уявіть, що у вас є гральний автомат із 20 різними символами й 10 слотами. Доволі складно двічі отримати одну комбінацію символів на гральній машині з трьома слотами. Подумайте лише, скільки комбінацій може видати наш білковий «гральний автомат». До складу типового білка зазвичай входять від 50 до 2000 молекул амінокислот (що можна вважати еквівалентом грального автомата, який має від 50 до 2000 слотів), а найдовші з відомих білків складаються з 30 000 молекул амінокислот. Це дає мільярди мільярдів потенційно корисних білків, які можуть виробляти наші клітини.

Звісно, більшість із цих можливих білків були б ні для чого непридатними. За деякими підрахунками, лише одна з мільйона або, може, мільярда можливих комбінацій амінокислот дає корисний білок. Та оскільки можливих білків аж так багацько, то достатньо навіть одного з мільярда! Звідки наші клітини знають, у якій послідовності треба поєднувати амінокислоти, щоб виробляти потрібні білки?

За це відповідає наш код життя – ДНК. Це ніби послідовна інструкція, яка робить можливим утворення живої істоти. Приблизно 1 % ДНК складається з послідовностей, які є шаблонами для побудови білків, тобто генами. Решта ДНК регулює, які саме білки будувати, коли, як і скільки. Отже, білки настільки важливі для живих істот, що код життя – це насамперед інструкція щодо їх побудови. Але як усе це працює? З’ясуймо, бо це буде важливо для нас згодом, коли говоритимемо про віруси. Інструкції, закодовані в ДНК, перетворюються на білки шляхом двоступеневого процесу. Спеціальні білки зчитують інформацію з молекули ДНК і записують на спеціальні молекули-месенджери, які називаються мРНК і використовуються для передавання інформації, закодованої в ДНК.

Потім молекула мРНК транспортується з ядра клітини до іншої органели – рибосоми, яка відповідає за виробництво білка. Тут зчитується інформація з молекули мРНК, і, згідно з нею, амінокислоти в певній послідовності з’єднуються в молекулу білка. І вуаля! Клітина створила білок відповідно до інформації, закодованої в ДНК. Отже, наша ДНК – це здебільшого купа закодованої інформації, окремі розділи якої називають генами. ДНК – інструкція щодо побудови білка й керування роботою клітинних механізмів. Так вона зумовлює всі наші ознаки: зріст, колір очей, сприйнятливість до певних захворювань чи кучеряве волосся. ДНК не наказує нашому тілу: «Зроби волосся кучерявим!» Вона наказує клітинам: «Виробляйте ось такі білки». Якщо спростити, усі наші особисті риси виявляються саме так.

Наш генетичний код зберігає чимало інформації. Якби ми розгорнули в довжину всю ДНК лише однієї з наших клітин, вона простяглася б приблизно на два метри. Це дійсно так: спільна довжина молекул ДНК, які містяться в кожній із наших клітин, перевищує людський зріст. Якби ми взяли всю ДНК з усіх клітин нашого тіла й об’єднали її в довгу нитку, вона простяглася б від Землі до Плутона й назад. І всю цю інформацію призначено для створення довгих ланцюжків амінокислот![5]

Під час створення цих амінокислотних ланцюжків вони трансформуються з довгих двовимірних у тривимірні структури. Тобто здатні складатись у різний спосіб завдяки механізмам, які й досі не повністю розшифровано. Ланцюжок складається в структуру певної форми залежно від типу амінокислот у ньому й послідовності їх з’єднання.

Форма білків визначає, що саме вони можуть і чого не можуть робити. Форма білка для нього – усе. Білки можна уявити як шматочки складного тривимірного пазла. Залежно від своєї форми білки можуть бути або найточнішим інструментом, або будівельним матеріалом.

Клітини будують усе переважно з білків. Але білки – це не лише будівельний матеріал. Вони слугують месенджерами для передавання інформації – можуть приймати або надсилати сигнали, які змінюють форму цих білків і викликають надзвичайно складні ланцюгові реакції. Для наших клітин білки – це все. Згадайте кімнату, наповнену рисом, персиками та яблуками. Насправді всі ці білки схожі не на сфери. Разом вони нагадують радше незбагненно складне поєднання механізмів, коліщат, кісточок доміно, перемикачів і різноманітних деталей.

Поки клітина жива, у ній завжди все рухається й переміщується. Коліщата обертаються й перекидають кісточки доміно, які натискають на вимикачі, тягнуть за собою важелі та спрямовують по коліях кульки, які потім знову обертають ще більше коліщат, і так далі. Якщо вдатися до метафізичного визначення, то душею клітини-робота є білки й біохімічні реакції, якими вони керують.

Деяких із найпоширеніших білків у наших клітинах надзвичайно багато – майже пів мільйона окремих копій. Інших, більш спеціалізованих, може бути лише приблизно десять копій. Але вони не просто плавають, виконуючи кожен свою функцію. Усі ці крихітні шматочки білкового пазла в наших клітинах складно взаємодіють між собою. Як саме? Завдяки тому, що рухаються достатньо швидко. Молекули білка настільки малі, так мало важать і існують в настільки принципово відмінному від нашого масштабі, що поводяться дуже незвично, якщо порівняти з предметами в нашому вимірі. Гравітація не діє з відповідною силою на об’єкти такого розміру. Отже, за кімнатної температури молекула білка теоретично може рухатися зі швидкістю приблизно п’ять метрів на секунду. Може здатися, що це не так уже й швидко, якщо не брати до уваги того, що середній розмір такої молекули приблизно в мільйон разів менший за кінчик нашого пальця. Якби ви у своєму світі могли бігати настільки швидко, то літали б як реактивний літак і могли б, чого доброго, врізатися в щось і жахливо загинути.

Насправді ці молекули не можуть так швидко рухатися всередині клітин, оскільки на їхньому шляху трапляється багато інших. Вони постійно стикаються з молекулами води й інших білків. Кожна молекула штовхає інші, які, своєю чергою, штовхають її. Цей процес називають броунівським рухом, термін означає випадковий рух молекул у газі або рідині. Ось чому вода така важлива для наших клітин. Вона дає змогу молекулам інших речовин легко пересуватися. Попри хаотичність випадкових рухів шматочків білкового пазла, а може, і завдяки цій хаотичності в поєднанні зі швидкістю, у клітинах відбуваються всі процеси. Кожна молекула всередині клітини стикається з кожною з інших у середньому кожні кілька секунд[6].

Спробуємо пояснити це якомога простіше. Щоб уявити основний принцип, який клітини використовують для зближення молекул різних речовин, вдалою метафорою буде приготування сандвіча. Якби, перебуваючи в клітині, ви захотіли приготувати бутерброд із повидлом, то найкраще було б підкинути тост і повидло в повітря й зачекати кілька секунд. Оскільки всі об’єкти в клітині рухаються дуже швидко, компоненти сандвіча зустрілися б самі, об’єднавшись у бутерброд, який ви змогли б просто взяти з повітря[7].

У мікросвіті форма молекул визначає, які з них можуть притягувати, а які – відштовхувати одна одну. Тому форма молекул білка визначає, як саме вони будуть взаємодіяти (тоді як кількість молекул білка певного виду визначає, як часто ця взаємодія відбуватиметься). Це й утворює різні типи взаємодії, які визначають біохімічні процеси в усіх клітинах на світі. Такі типи взаємодії мають принципове значення для біології, їх називають біологічними шляхами. Це вигадливий термін, яким називають низку взаємодій між окремими речовинами, що призводять до певних змін у клітині. Наприклад, до формування нових спеціальних білків або інших молекул, які вмикатимуть і вимикатимуть певні гени, унаслідок чого функціонування клітини у певний спосіб зміниться. Або ці зміни можуть спонукати клітину до дії, яка може видаватися проявом усвідомленої поведінки, скажімо реагувати на небезпеку, утікаючи від неї.

Ну гаразд. На останніх кількох сторінках було чи не забагато інформації. Хоча ми й не все дізналися про клітини, але таки чимало! Швиденько підсумуємо.

Клітини заповнені білками. Молекули білка нагадують шматочки об’ємного пазла.

Специфічна форма дає їм змогу поєднуватися або взаємодіяти певними способами з молекулами інших білків. Послідовності цих взаємодій, звані біологічними шляхами, змушують клітини виконувати певні функції. Саме це ми маємо на увазі, говорячи, що клітини – це білкові роботи, керовані біохімічними реакціями. Складні взаємодії між позбавленими свідомості й волі білками утворюють клітини, а складні взаємодії між клітинами утворюють доволі розумну імунну систему.

Як і надалі часто буватиме під час прочитання цієї книжки, тут перед нами постає важливе питання. Розбираючись у ньому, можна мимохіть ускочити в якусь із безлічі пасток. Конкретно в цьому разі виникає запитання, як і чому певна кількість позбавлених свідомості об’єктів можуть створити щось розумніше, ніж просто сума його частин. Це зазвичай не обговорюють, пояснюючи, як діє імунна система. Але, можливо, варто витратити якусь хвилину, перш ніж рухатися далі, оскільки це питання додає до характеристики імунної системи й наших клітин загалом ще одну дивовижну рису, про яку ми ніколи не замислюємося, сидячи вдома через грип або спостерігаючи, як загоюється рана.

Щоб пояснення не було абстрактним, вдамося до ще однієї аналогії. Поговорімо про мурах. Мурашки мають деякі спільні з клітинами властивості. Головна з них – відсутність власної свідомості. Не хочемо образити мурах, але якщо взяти одну мурашку й ізолювати її від інших, вона просто безпорадно никатиме навколо й буде не в змозі зробити щось корисне для себе. Проте якщо об’єднати багатьох мурах, вони зможуть обмінюватися інформацією, взаємодіяти й робити дивовижні речі. Разом мурашки будують складні споруди зі спеціалізованими зонами, як-от розплідники чи спеціальні місця для сміття, із вентиляційними системами, які контролюють потік повітря. Мурашки автоматично поєднуються в групи для різної роботи: пошуку їжі, захисту мурашника, догляду за потомством. І не як заманеться, а в співвідношенні, найкориснішому для виживання спільноти. Якщо одну з цих груп знищить, скажімо, голодний мурахоїд, який проходитиме повз, деякі з решти мурах змінять вид діяльності, щоб відновити потрібне співвідношення виконавців різних завдань. Мурашки роблять усе це, хоча не здатні до справжнього мислення. Але разом вони стають чимось більшим і можуть робити дійсно дивовижні речі, яких кожна з них самотужки ніколи не зробить. Подібне явище нерідко зустрічається в природі й має назву «емерджентність». Воно показує нам, що об’єкти можуть мати властивості та здібності, яких немає у їхніх частин. Отже, мурашина колонія може робити складні речі, тоді як окрема мураха – ні.

Ось так влаштовано й наше тіло. Клітини – це просто пакети з білками, які взаємодіють за законами хімії. Але разом усі ці білки утворюють живу істоту, здатну робити безліч складних речей. Наші клітини – це позбавлені глузду роботи. Кожна з них сама по собі навіть дурніша за мурашку. Але, діючи разом, вони здатні робити те, на що не здатні поодинці. Скажімо, формувати спеціалізовані системи тканин та органів, від м’язів, які змушують битися серце, до клітин мозку, завдяки яким ви замислилися над щойно прочитаним реченням. Безліч позбавлених свідомості молекул і клітин завдяки складним взаємодіям разом утворюють таку досконалу структуру, як наша імунна система.

Гаразд, рухаємося далі. Однак завдяки цьому відступу ви, сподіваюся, засвоїли таке: клітини – це навдивовижу складні живі механізми. Вони й самі переважно побудовані з білка, і наповнені безліччю частинок пазла з різноманітних білкових молекул, які керують біохімічними процесами. Усе це разом утворює живу істоту, яка може відчувати навколишній світ і взаємодіяти з ним. Клітини виконують свої функції, не маючи ніяких почуттів і мети. Але роблять це дуже добре й заслуговують на нашу вдячність і дещицю уваги. У наступних розділах ми інколи надаватимемо людських рис нашим крихітним клітинам-роботам.

Поговоримо про те, чого вони «хочуть» і чого «намагаються досягти», про їхні буцімто думки, надії та мрії. Це допоможе надати їм людського характеру, що хоча й не відповідає дійсності, проте спростить пояснення певних речей. Хай якими неймовірними здавалися вам клітини, пам’ятайте, що насправді вони не мають ніяких бажань. Клітини нічого не відчувають. Не сумують і не радіють. Вони просто існують. У них не більше свідомості, ніж у каменя, стільця чи нейтронної зорі. Клітини-роботи діють відповідно до свого коду, який розвивався та змінювався мільярди років і виявився настільки досконалим, що тепер ви можете зручно вмоститися й читати цю книжку. І все ж, сприймаючи їх як наших маленьких друзів, ви будете ставитися до них із більшою повагою та розумінням. А тому ця книжка буде для вас набагато цікавішою.

Тепер ви можете запитати: «Якщо наше тіло – величезний континент із плоті, населений мільярдами роботів, які в сукупності розумні, тоді як кожен із них, маючи складну внутрішню будову, не здатен мислити? Як же цим клітинам-роботам удається захистити це тіло?»

Оце й будемо з’ясовувати…