Молекулы внутри клетки не знают, где верх, а где низ, движутся
хаотично, постоянно сталкиваясь друг с другом. Как в этом хаосе
клетке удается организовывать упорядоченные процессы в том числе
такие сложные, как деление или подача и прием сигналов от других
клеток? Просто клетка умеет использовать различные физические
взаимодействия. О них рассказываетфизик Никита Гудимчук.Силы в
живой клетке тема на стыке физики и биологии, поэтому ее можно
рассмотреть с двух сторон. Если изучать эту тему со стороны физика,
то сила векторная физическая величина, которая характеризует меру
воздействия одного объекта на другой. Мера силы отношение изменения
энергии к изменению положения этого объекта в результате
взаимодействия. В живой природе нет таких явлений, которые будут
описываться другими фундаментально отличными силами. Вся материя
описывается похожими взаимодействиями и подчиняется законам
физики.Науке известно четыре типа фундаментальных взаимодействий,
которые встречаются в природе: гравитационное, электромагнитное,
сильное и слабое. Людикак объекты околометрового масштабапривыкли к
двум взаимодействиям и ощущают их на себе постоянно: гравитационное
и электромагнитное. В астрономическом масштабе больше всего
проявляется гравитационное, в масштабе ядер короткодействующие
взаимодействия сильного и слабого типа, а в масштабе молекул,
которые функционируют в клетках, проявляется электромагнитное.По
этой причине то, что происходит в клетке, сточки зрения бытовой
физики выглядит непривычно. Например, молекулы не чувствуют, где
верх и где низ, для них все направления в пространстве одинаковы.
Они постоянно двигаются и сталкиваются между собой. Из-за
постоянных столкновений они не могут сохранять положение и
ориентацию в пространстве, поэтому возникает хаотическое движение.
Но несмотря на эту неопределенность, в клетках формируются
регулярные процессы и структуры, например деление клеток и реакция
на стимулы.Превращение хаоса в порядокДля того чтобы разобраться,
как все возникает из хаоса, и установить закономерности между
хаотическими движениями, создающими порядок, применим законы
физики, которые описывают ансамбли частиц, законы
термодинамики.Если говорить про живые системы, здесь наиболее
применима неравновесная термодинамика, которая еще не очень
развита, но должна применяться, потому что живые системы далеки от
термодинамического равновесия.Тем не менее, во многих ситуациях нам
интересно знать не только усредненные характеристики всей системы,
но и связь координат и скорости отдельных частиц. Например, в
ситуациях, когда у нас есть крупные макромолекулярные комплексы в
клетках, которые присутствуют даже в штучном количестве, нам нужно
понимать, как они движутся, какие силы на них воздействуют и какие
силы они сами развивают. Когда мы изучаем такие явления, для
описания актуальнее будет применить классическую механику.Масштабы
сил в клеткеЕсли мы хотим представить масштаб силы, которую ожидаем
увидеть, нам необходимо определить, о каких процессах в клеткемы
говорим. Это, например, процессы ферментативных реакций, которые
осуществляются белками: используя тепловые флуктуации, белок
переходит из одного состояния в другое. Эти переходы соотносятся с
энергией тепловых колебаний, которая по порядку величины равна
произведению постоянной Больцмана (k) и температуры (t). Если
вычислить это произведение k*t при комнатной температуре и поделить
его на нанометр (характерный размер белка), то по порядку величины
мы получим несколько пиконьютонов. Пиконьютон это 10-12 ньютона.
Такой величины масса одного эритроцита. Сила тяжести на этом
микроуровне клеток и внутриклеточного содержимого это очень
маленькие величины. Один пиконьютон можно сравнить с силой, которая
возникает при движении одного мембранного пузырька в цитозоле
клетки со скоростью около 500 нанометров в секунду.Такие силы
возникают при всех характерных взаимодействиях между белками.
Например, электростатические взаимодействия, которые описываются
законом Кулона, зависят от зарядов взаимодействующих объектов и от
расстояния между ними, по закону Кулона они убывают пропорционально
квадрату этого расстояния. Масштаб таких электростатических сил
можно оценить, посмотрев на взаимодействие двух точечных зарядов,
которые разнесены на полнанометра друг от друга. Эти заряды будут
взаимодействовать с величиной в 10 пиконьютонов.Если взять другие
распространенные взаимодействия между белками вандерваальсовские
взаимодействия, которые возникают за счет постоянных или
индуцированных дипольных моментов на белках и убывают
пропорционально кубу расстояния между молекулами, такие
взаимодействия тоже имеют масштаб порядка 10 пиконьютонов.И третье
взаимодействие между белками гидрофобное взаимодействие, которое
частично связано с вандерваальсовскими водородными
взаимодействиями. По масштабу величины это взаимодействие тоже
равно 10 пиконьютонам.В итоге ученые выяснили, что масштабы сил от
1 до 100 пиконьютонов характерен для сил, которые мы бы хотели
уметь измерять в клетках и о которых говорят, когда рассуждают о
масштабах внутриклеточных процессов. Сейчас существуют
разработанные прецизионные методы для измерения этих сил, но они
заслуживают отдельного обсуждения.Сила в биологииСамое главное, что
сама клетка умеет измерять эти силы и использует эту возможность.
Здесь мы переходим к биологическому рассмотрению вопроса о силах
внутри живой клетки.Известно, что клетки реагируют на воздействия,
чтобы осуществлять жизненные процессы. Например, бета-клетки
селективно вырабатывают высокоаффинные антитела, тестируя антигены
на поверхности антигенпрезентирующих клеток с помощью приложения к
ним механических сил. От приложения этих сил зависит несколько
контрольных точек в процессе прогрессии митотического деления.От
сил зависит наше ощущение слуха и осязания. Эти процессы завязаны
на специальные механочувствительные белки, которые позволяют
преобразовывать механические усилия в электрические токи через
специальные мембранные рецепторы.Силы как сигнал в биологии это
важный феномен. Исторически сигнализация в клетке рассматривалась с
точки зрения биохимии. Сигнализация каскад реакций, который
подразумевает диффузию сигнальных молекул из одного места в другое,
а затем активацию эффекторов, которые создают конечный результат.
Несмотря на этот исторический контекст, сигнализация, даже
биохимическая, происходит двумя способами: путем фосфорилирования и
путем изменения конформации белков, в том числе аллостерического
изменения конформации. Изменение конформации белков путем
механических напряжений является естественным способом для
осуществления сигнализации. Природа создала специальные белки,
которые чувствуют механические силы, а затем осуществляют свою
сигнальную роль в клетках.
