ВОДНАЯ СРЕДА КЛЕТКИ И ЭПИГЕНЕТИКА

                                                                                 Яшкичев В.И.                                                                                       

Московский Государственный Гуманитарный Университет им.М.А.Шолохова, Москва, Россия

                                                              Liquid medium of cell and epigenetics

                                                                                                   V. Yashkichev

                                M.A.Sholokhov Moskow State Humanitarian University, Moscow, Russia.

                                                           

                                                                ------------------------------------------------------------------------

       Отклонения в составе водной среды  клетки ведут к ошибкам в структуре генов и к болезням. Статья освещает активную роль гиалоплазмы в процессах, происходящих в биологической клетке.

     Deviations in composition of water surroundings of cell lead to errors  in the structure of gens and diseases.  The present article highlights aqueous medium (hyaloplasm) active role in the processes taking place in biological cell.

 ----------------------------------------------------

         Воздействия внешней среды на организм, лежащие в основе мутаций и формирования фенотипов интенсивно изучаются. Возникла особая наука – эпигенетика. Она изучает отклонения в генотипе и как эти отклонения влияют  на здоровье человека. В [1] приведены примеры ложного кодирования. Оказалось, что определенный уровень ошибочного связывания тРНК в рибосоме всегда сопровождает процесс трансляции. Причем, было установлено, что некоторые антибиотики, например стрептомицин, способствуют этим ошибкам. Выявлены основные типы ложного спаривания кодон – антикодон под действием  аминогликозидных антибиотиков. Наиболее частыми являются ошибки при спаривании гуанин – урацил или урацил – гуанин, а также урацил – урацил в любом месте антикодон –кодонового дуплекса. Большая работа проведена по установлению факторов, способствующих ложному кодированию. Кроме «посторонних» молекул, таких как аминогликозидные антибиотики,  уровень ошибок при кодонзависимом связывании аминоацил-тПНК транслирующей рибосомой может увеличивать целый ряд менее специфических агентов, включая ионные условия среды. Все те факторы, которые увеличивают сродство тРНК к рибосоме, как правило, приводят к увеличению ложного кодирования. Так, увеличение содержания Мg2+ в среде , а также диаминов или полиаминов повышает количество ошибок при трансляции в бесклеточной системе. Этанол и другие гидрофобные агенты, будучи добавлены  к среде даже в небольших концентрациях, тоже увеличивают ложное кодирование. Наоборот, мочевина понижает количество ошибок в трансляции. Из наиболее общих факторов среды ошибкам способствуют такие, как понижение температуры, понижение рН и понижение ионной силы . В природных системах уровень ложного включения тех или иных аминокислот в синтезируемый полипептид может сильно зависеть от соотношения концентраций различных аминокислот. В частности, голодание клетки по какой-либо аминокислоте вызывает множественные замены этой аминокислоты на близкие ей по кодовой специфичности в полипептидных цепях активно синтезируемых белков [1]   

Отмечая эти успехи, следует признать, что  практически не изучены механизмы, с помощью которых внешние воздействия влияют на наследственный аппарат. Например, не ясно как однозначно и точно выбираются маршруты, по которым двигаются тРНК для встречи кодона с антикодоном. Не зная механизм выбора маршрута – невозможно понять как «посторонние» молекулы влияют на этот выбор.   При ферментативном катализе также очень важен выбор  маршрута передвижения, обеспечивающего встречу реагирующих молекул при наименьших затратах времени.                    Можно полагать,  что эти пробелы связаны с недооценкой роли водной среды в управлении идущими в клетке процессами. Предположим, что это управление осуществляется, в основном, через изменение состава водной среды, а также с помощью локальных изменений температуры и давления [2]. В этом случае решающее значение приобретает характер тепловых перемещений молекул воды, связанных в единую, трехмерную, ажурную сеть, а также участие в этих перемещениях растворенных частиц.    Вопросам тепловых перемещений молекул воды в воде посвящена модель коллективного движения, с помощью которой была решена проблема низкой вязкости воды при относительно прочных водородных межмолекулярных связях. Особенностью перемещений молекул, связанных в ажурную трехмерную сетку, является коллективность, которая описывается набором кинетических единиц. Молекула воды в воде перемещается с разной вероятностью в кинетических единицах, отличающихся по составу и строению, изменяя и формат кинетической единицы и  соседей по ней. В водной среде клетки большие молекулы встраиваются  в структуру воды и своими фрагментами участвуют в движении кинетических единиц, сохраняя свою целостность. Общей закономерностью теплового трансляционного движения кинетических единиц  в водной среде клетки являются перемещения из области, где ажурность  меньше (плотность больше), а межмолекулярные связи слабее, туда, где ажурность больше, а связи сильнее. Эти закономерности диктуют кинетическим единицам маршруты движения. Учитывая тепловое движение, можно дополнить механизм ферментативного катализа: фермент организует движение фрагментов реагирующей молекулы так, что нужные связи растягиваются и ослабевают [2].

 Изменение состава жидкой среды однозначно изменяет характер теплового движения и вместе с тем реакционную способность воды – ее способность гидратировать. Роль гидратации больших молекул, в частности белков, в биологии клетки также практически не изучена. В [2] показано, что гидратация белковых молекул сопровождается                   увеличением их длины, а дегидратация, вызываемая, в частности, теплотой гидролиза АТФ, или недостатком воды в клетке, уменьшает ее. В [2] показано, что гидратация и дегидратация лежат в основе пульсации клеток, а также наряду с образованием и распадом комплекса актомиозина составляют механизм работы мышц. Подчеркнем, что пульсации клеток выполняют очень важные функции: при сжатии клетка освобождается от продуктов метаболизма, при расширении в нее поступают питательные вещества. Кроме того, пульсации аксона очень важны для продвижения по нему потенциала действия. И, наконец, изучение гидратации и дегидратации позволило решить важнейшую проблему клетки: превращение тепловой энергии в механическую.

Маршруты, ферментативный катализ, гидратация и дегидратация больших молекул – важные составляющие деятельности клетки.  Эффективность этих процессов во многом связана с оптимальным составом жидкой среды клетки. Закономерное  изменение состава кариоплазмы инициирует редупликацию ДНК. Состав гиалоплазмы определяет маршруты тРНК и скорость сборки белков. Оптимальный состав исторически менялся в связи с изменением окружающей среды.  Растения, а затем животные вышли на сушу. Возникли 5 царств жизни. Усложнился метаболизм. Но это были медленные процессы, и управление клеточными процессами успевало приспособиться к новым условиям. Технический прогресс ускорил изменение окружающей среды, и случаи сбоя в управлении участились. Но растет и понимание необходимости противодействовать развитию такого сценария. В этих условиях значение экологии неизмеримо возрастает. Она должна стать ведущим вкладом в культуру человечества. От развития экологии – на это указывает, в частности,  эпигенетика -  зависит  будущее человечества.

                                  Литература

1.Спирин АС. Молекулярная биология: Структура

рибосомы и биосинтез белка. М., Высш.шк. 1986, стр 168-171.

                   3. Яшкичев В.И. Вода и мы. М., РИЦ МГГУ им

           М.А.Шолохова, 2009.