В начале была РНК, а потом уже слово

Текст может показаться непростым, но если читать неспешно и внимательно, то будет интересно.

Многие полагают, что память человека связана исключительно с работой мозга. Но в действительности память – это несколько более сложное понятие. Этим постом мы начинаем наш долгий разговор о когнитивных функциях мозга. Подобный разговор и не может быть коротким, поскольку изучение когнитивных функций с позиций работы мозга – одна из самых сложных проблем, с которой когда-либо сталкивалась наука.

Существует множество определений памяти, но мы сегодня погорим о памяти как о фундаментальном свойстве биологических систем.

Многие помнят из курса школьной биологии о том, что в наших клетках работают два типа НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. Это такие длинные молекулы, состоящие из огромной последовательности сложноустроенных кирпичиков-мономеров, называемых нуклеотидами. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ представлены молекулами двух видов: ДНК (= дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (=рибонуклеиновая кислота).

ДНК – это своеобразная матрица, в которой тот или иной участок (=отрезок из последовательности нуклеотидов) несёт информацию о структуре ОДНОГО белка. По сути, задача ДНК – быть схемой для построения белков нашего организма. Почему именно белков? Потому что ТОЛЬКО белки обладают столь обширным спектром функций. Белки могут быть как строительными элементами клеток, так и выполнять функции гормонов и ферментов, участвовать в транспортировке важных молекул (например, тех же нейромедиаторов), а также защищать наш организм от вредоносных микроорганизмов. Организму КРИТИЧЕСКИ ВАЖНО иметь очень чёткую и ТОЧНУЮ (хоть и с оговорками) схему синтеза БЕЛКОВ.

С самой ДНК будет считана одноцепочечная молекула РНК, которая собственно и послужит основой для синтеза белка. РНК здесь выступает как посредник, она короче, мобильнее и больше подходит на роль высокоточной схемы для синтеза белка.

Природа придумала РНК для того, чтобы каждый раз не тревожить всю длинную, состоящую из миллиардов нуклеотидов, последовательность ДНК. Если клетке понабился какой-то важный БЕЛОК, то с части ДНК синтезируется коротенькая цепочка РНК. Далее РНК отправляется на специальную фабрику по производству белков под названием рибосомальный аппарат. И вот там уже как по лекалу с РНК будет воспроизведён набор из аминокислот, который и станет тем самым белком.

Поскольку молекула ДНК выступает здесь в роли главной исходной СХЕМЫ – МАТРИЦЫ, то и связанные с ней события, происходящие в клетке, стали называть МАТРИЧНЫМИ ПРОЦЕССАМИ.

К ним относится 1. РЕПЛИКАЦИЯ (буквально точное копирование молекулы ДНК, когда из одной молекулы ДНК получается две новых абсолютно одинаковых молекулы ДНК). 2. ТРАНСКРИПЦИЯ (синтез цепочки РНК с ДНК) 3. ТРАНСЛЯЦИЯ (синтез белка на основе ранее транскрибированной цепочки молекулы РНК). 4. ОБРАТНАЯ ТРАНСКРИПЦИЯ (встречается у ретровирусов и заключается в синтезе цепочки ДНК на основе РНК. Коварным вирусам это нужно, чтобы потом эту ДНК встроить в ДНК клетки-хозяина).

Именно вокруг этих процессов и закручивается поэтическая песнь памяти в нашем организме. А способность запоминать, ностальгировать и мечтать о грядущем является лишь следствием НЕОБХОДИМОСТИ правильного обеспечения синтеза и функционирования белков в организме. Грустненько, да? Понимаю. Но природа нам особого веселья и не обещала. Это мы уже нафантазировали, наделили нашу когнитивную сферу излишним инфантильным романтизмом (хотя так, быть может, даже интереснее и чудоковатее). Предлагаю сегодня не разбираться в том, насколько яркая и прекрасная жизнь в воспоминаниях и думах, а попробовать понять природу памяти. Хотя это и непросто.

Кстати, именно БЕЛКИ помогают матричным процессам правильно осуществляться в клетке. Без белков было бы невозможно удвоить ДНК, синтезировать РНК. Но так было не всегда…

В 1960-х годах биохимик Лесли Орджел и его коллеги подливали в пробирку с молекулами РНК специальный яд, блокирующий воспроизведение молекул РНК. Сперва синтез новых молекул РНК сильно замедлялся из-за действия яда, но довольно быстро (буквально за десять поколений) появилась новая молекула. Она была устойчива к действию яда. Это было возможным благодаря тому, что при очередном копировании (самовоспроизведении) структура молекулы немного изменялась.

Для того, чтобы заставить РНК удваиваться и копировать себя исследователи добавляли в пробирку специальный фермент под названием РНК-репликаза. Но Орджел обнаружил кое-что совершенно удивительное. В некоторых случаях РНК оказывались способны к спонтанному самокопированию, без ферментов и специальных условий.

Позднее удалось продемонстрировать, что в условиях древней Земли могли самопроизвольно синтезироваться молекулярные соединения, из которых БЕЗ УЧАСТИЯ БЕЛКОВ теоретически могла быть собрана первая РНК.

В начале 1980-х годов исследователи открыли особые формы молекул РНК, которые работали как ферменты и катализировали синтез других цепочек РНК. Получается, что эти древние РНК были сами с усами.

Таким образом возникла гипотеза мира РНК. И согласно ей, передача информации о структуре РНК являлась изначальной самоцелью. Просто одни молекулы плодили другие по образу и подобию, так сказать.

Эта концепция подвергается критике со стороны учёных, которые полагают, что всё-таки процесс возникновения РНК был более многоступенчатым и не таким однозначным. Изначально могли сформироваться среды, разделённые самопроизвольно возникшими мембранами. Внутри относительно изолированного мембранами участка такой среды могли параллельно протекать разные химические процессы. Так поэтапно могли появиться, как нуклеотиды, так и молекулы РНК, а затем и ферменты. Эта гипотеза может быть развита в идею о том, что в какой-то момент РНК была заменена на более устойчивый вариант – ДНК. А вот уже для такого формата нужны были вспомогательные белковые системы. Поэтому древней ДНК ничего не оставалось, как обрастать кучей ферментативных систем. А для того, чтобы эти системы не мешали работе друг друга нужны были перегородки- мембраны. Так собственно и возникла первая клетка со своей древней мембраной и внутренними перегородками. Ферментативные системы можно сравнивать с машинами для копирования, а мембрану с корпусом (кузовом). В итоге в процессе эволюции стали побеждать те ДНК, машины для копирования которых оказались надёжнее и точнее, чем у других. Вот что такое генетическая память.

Со временем, когда весь легкодоступный органический субстрат древнего мира был подъеден, появилось хищничество. И одни клетки научились поглощать другие. В норме одни клетки переваривали другие, но случались и исключения. Считается, что наши митохондрии могли быть клетками бактерий, которые поглотили другие примитивные клетки. Так у животных клеток появилась возможность использовать кислород для получения энергии (то, что умеют митохондрии).

Но и этого было клеткам мало. В какой-то момент клетки стали объединяться в колонии, сползаться вместе. Постепенно возникли многоклеточные организмы. Работу клеток нужно было регулировать и синхронизировать. И вот тут и начинается расцвет специальных сигнальных молекул и молекул иммунологической памяти. Как вы догадываетесь из названия, сигнальные молекулы помогали одним клеткам передать сообщение другим и как бы подсказать, что нужно сделать. Одним из самых распространённых типов сигнальных молекул в организме являются гормоны. К примеру, когда мы съедаем что-нибудь сладенькое, уровень глюкозы в крови повышается. Чтобы глюкоза не болталась в плазме без дела, поджелудочная железа секретирует инсулин. В свою очередь инсулин связывается с рецепторами на поверхности клеток и сигнализирует клетке о том, что пора бы позволить глюкозе поступить внутрь самой клетки. Ещё можно сказать так - как только клетка связывается с инсулином, она включает специальную транспортную систему “закачки” глюкозы из крови.

Кстати, похожий механизм используют и вирусы. Они связываются с рецепторами на поверхности наших здоровеньких клеточек. Наши клеточки думают, что это сигнал о том, что пришло нечто очень важное и нужное. И клетка впячивает мембрану и сама затягивает вирус внутрь себя. Вуаля, и враг пробрался в самый тыл!

Вот, в частности, для того, чтобы такого не происходило в процессе эволюции сформировалась особая ИММУНОЛОГИЧЕСКАЯ память. По сути, это способность клеток иммунной системы быстро распознавать опасный для организма объект (вирус, бактерию, простейшее и т.д.). Здесь можно сделать паузу в чтении, подумать об уже прочитанном. А потом заварив чайку, продолжить.

Данный вид памяти (как и в случае с мозгом) создаётся в организме в течение всей жизни. Когда организм рождается, он ещё мало знает о том, в какую среду попал. Миллионы лет наши предки сталкивались с самыми различными опасными микроорганизмами. И, конечно, информация о ключевых из них прописана в генах нашей иммунной системы. Поэтому существует врождённый иммунитет, позволяющий относительно легко справляться с самыми распространёнными типами микробов. Но вредоносные организмы сами постоянно эволюционируют и изменяются, поэтому и иммунитет должен постоянно обучаться. Для этого природа изобрела механизм обучения и отбора нужных иммунных клеток.

Давайте рассмотрим очень упрощённую схему и намерено опустим многие подробности (в частности связанные с врождённым иммунитетом). Все иммунные клетки (= лейкоциты) так или иначе могут распознавать самые разные вредоносные организмы. Именно на них обращают внимание в анализах крови. К примеру, высокое содержание лейкоцитов, относящихся к группе эозинофилов, может намекать доктору о возможной аллергической реакции в вашем организме, а слишком низкое содержание нейтрофилов зачастую коррелирует с инфекционным заболеванием.

Нам важнее остановиться на особой группе лейкоцитов под названием ЛИМФОЦИТЫ. Они особенно хорошо справляются с задачей распознавания врага. Каждый день наш организм производит многие миллионы самых разных лимфоцитов. Лимфоциты бывают двух типов: T и B. Каждый B- лимфоцит уникален своими неповторимыми рецепторами. По сути, это такие антенны, которые могут узнавать вражеский микроорганизм и приклеиваться к нему.

B- лимфоцит может узнавать только одного врага. После того, как B-лимфоцит узнал врага и приклеился к нему, он начинает вырабатывать антитела (= иммуноглобулины). В свою очередь антитела избирательно цепляются ко всем другим вражеским клеткам этого же типа и как бы помечают их. И теперь для других клеток иммунной системы враги становятся “подсвеченными”. Затем уже специальные клетки-макрофаги могут захватить помеченных врагов и переварить их.

И вот далее происходят особые события. B-лимфоцит, антенны которого сумели уловить врага, теперь начинает многократно копироваться иммунной системой, чтобы произвести как можно больше антител (а именно иммуноглобулинов IgM и IgG). Когда враг побеждён, то B-лимфоциты этого типа в своей массе начинают потихоньку отмирать. И лишь немногие из них станут долгоживущими B-лимфацитами (клетками памяти). Они останутся в организме пожизненно, чтобы при следующей встрече с этим же врагом помочь иммунной системе его быстро узнать и побороть.

! И вот тут самое интересное. Когда B-лимфоцит делится (клонируется), то он КОНКУРИРУЕТ с другими лимфоцитами за то, чтобы именно его клоны распознали врага. Нечто похожее происходит и в мозге, когда нейроны конкурируют за возможность реагирования на приходящий сигнал. По одной из теорий это может быть универсальный механизм формирования памяти по методу селекции (то есть, обучения только самых “стойких” клеток).

Кстати, некоторые исследователи считают, что именно механизм памяти в иммунной системе и лёг в основу обучения новым навыкам в нервной системе. Но подробнее потом.

Похожие процессы происходят и с T-лимфоцитами (хотя и со своими нюансами). Таким образом в иммунной системе клетки обучаются, благодаря встрече с врагами, и далее обученные клетки хранят память об этой встрече долгие годы.

Надо отметить, что для полноценной работы системы B-лимфоцитов создаются специальные условия другими факторами иммунной системы. И всё это происходит только благодаря слаженной работе гуморального и клеточного иммунитета.

Получается, что в некотором смысле наша иммунная система способна учиться и запоминать. Многие свойства работы иммунной системы, связанные с обучением, можно найти и в мозге. Но об этом в следующих постах.

Источник: vk.com

Комментарии: