биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


«Проснись!» — «Усни…» — «Проснись!» — «Усни…» — «Проснись!»

[18 января, 2015 г.]

История о том, как Катя и Максим за завтраком разобрались в устройстве циклов сна и бодрствования. Всем бы так!

— Ну как, получилось? — спросил Максим, обнаружив спящую младшую сестренку на диване в гостиной.

— Кажется, нет, — огорченно пробормотала Катя, подымая от диванной подушки взлохмаченную голову. — А все-таки, Макс! — она вскочила, взяла щетку для волос и стала причесываться. — Почему у меня это не вышло? Почему не получается спать днем и не спать ночью?

— Ну, это у тебя это не получается, — сказал Максим. — У ежей или, например, сов, это прекрасно получается. У них зато наоборот не получается, спать ночью, а днем не спать.

— Понимаешь, — Катя взяла скакалку и стала прыгать, чтобы размяться после сна. — Я знаю, зачем им это нужно — потому что они ночные животные, совы ночью охотятся, ежи там тоже… ищут червяков всяких. Но как это получается — что-то не могу понять. Как выходит, что днем им спать хочется, а ночью не хочется. И как у нас получается наоборот. И, — она прыгнула последний раз, на лету свернула скакалку и швырнула ее на место, — почему мы не можем вот попробовать и поменять день с ночью, а ночь с днем? Или почему не можем сделать так — не спать несколько дней, а потом отсыпаться. Как так выходит? — с этими словами она отправилась на кухню готовить завтрак. Родители уехали на неделю, оставили их с Максимом вдвоем, и им обоим это очень нравилось.

— Ну, смотри, — сказал Максим, доставая из холодильника яйца и пакет молока, пока Катя ставила на огонь сковородку. — Как ты знаешь, наш организм состоит из клеток. Ясное дело, что вопрос о том, когда ты будешь спать, а когда нет, решается не каждой клеткой по отдельности, а всем организмом вместе. А что у нас есть такое-этакое, что управляет всем организмом и принимает за него все решения?

— Мозг? — спросила Катя, снимая с полки тарелки.

— Ну конечно, мозг! И вот в этом самом мозге есть такое ма-а-а-а-аленькое ядрышко, которое называется… Кать, вдохни, щас будет трудно слушать.

Катя глубоко вдохнула, глядя на Максима, и Максим торжественно произнес:

— Супрахиазматическое ядро гипоталамуса.

Катя поперхнулась:

— Суп… Раз… Матическое…

— Ладно, повторять это совсем необязательно. Главное, помнить, что это маленькое ядрышко находится у тебя где-то вон там в глубине, — Максим одной рукой постучал Кате по переносице, а другой — налил масла на сковородку. — А теперь, — Максим разбил на сковородку одно за другим пять яиц и потряс над ними солонкой, — ты расскажешь мне, как это ядро работает.

Катя возмущенно подняла над головой ножик, которым резала хлеб.

— Нечего-нечего на меня замахиваться. Я знаю, что ты скажешь — что ты про это ядро узнала секунду назад и даже названия его повторить не можешь. А я тебе отвечу, — Максим достал из холодильника салатницу с салатом, масленку и сыр, — что тут дело не в ядре, а в принципе работы, и что ты достаточно умная девочка, чтобы в этом принципе разобраться.

Катя наморщила лоб и вырезала из куска хлеба елочку. Стол был накрыт, приборы положены, они сели и начали завтрак в молчании. Катя думала над вопросом, а Максим смотрел, как она думает.

— Ну-ка, — ободрительно начал Максим, когда почувствовал, что Катя в своих мыслях зашла в тупик. — Нарисуй-ка мне вот на салфетке схему того, как мы спим и бодрствуем.

— В каком смысле схему? — пробурчала Катя.

— Ну вот ночь. Ты спишь. Потом день — ты не спишь. Потом снова ночь. Нарисуй.

Катя взяла салфетку и нарисовала на ней:


— Так, а скажи, можно это как-то попроще нарисовать?

— Ну можно конечно! — еще сердитей пробурчала Катя и нарисовала:


— То есть, у тебя получился цикл, — подытожил Максим. — Он повторяется, да? Как день и ночь или там времена года.

— Ну да, — сказала Катя, ковыряясь в яичнице.

— Ага, а теперь скажи. Если тебе нужно запустить цикл в живой системе, как ты это сделаешь?

Катя смущенно возюкала вилкой среди салата, а потом сказала:

— Я не знаю.

— Ну смотри. В живой клетке у нас вместо слов и команд и сигналов что?

— Как что? Химические вещества! — уж это-то Катя точно знала, это ей Максим объяснил, еще когда она ходила в детский сад.

— Правильно! Органы, ткани, клетки, молекулы разговаривать не умеют. Они шлют друг другу сигналы из химических веществ, верно? — Катя кивнула. —  Ну, а вот допустим, у нас есть такое вещество — вещество «проснись!». Как только оно появляется в клетках супрахиазматического — (на этом слове Катя нервно глотнула) — ядра, сразу организм просыпается. Как же нам сделать так, чтоб это вещество у нас то появлялось в этих клетках, то исчезало? Как сделать так, чтобы оно в цикл вошло?

Катя долго рисовала вилкой в тарелке сложные узоры из соуса, и Максим уже решил, что она не думает, а просто тянет время, когда она вдруг схватила салфетку и нарисовала на ней такую картинку:


А Максим и Катя так давно и часто рисовали всякие схемы, что при одном взгляде на схему Максим сразу понял, что Катя имеет в виду.

— Ну конечно! — сказал он, подхватил Катю вместе с табуреткой и немного покружил ее по кухне. — Самая простая обратная связь. Вещество «проснись!» должно регулировать собственное количество. Чем больше в клетке вещества «проснись!», тем меньше она его вырабатывает, а чем его меньше, тем она его вырабатывает больше. Поэтому…

— Если вещества «проснись!» в клетке много, то клетка его перестанет производить, — подхватила Катя, — и его станет мало. И тогда клетка его станет производить. И его станет много. И тогда она перестанет. И его станет мало. И так без конца! Ура! Я все поняла!

— Катя, ты просто молодчина! — сказал Максим (а он редко так говорил, и от радости Катя чуть не подавилась салатом). — Ты все правильно поняла, но только вот та система, которую ты придумала — она для живой клетки нестабильная.

— Почему это? — Катя обиженно вонзила вилку в яичницу.

— Потому что нельзя полагаться на одно только единственное вещество «проснись!». Мало ли что может случиться с этим веществом в клетке? Вдруг начнет вырабатываться против него какой-нибудь там фермент и порежет его на мелкие кусочки?

— Ну и порежет, и ничего страшного! Если его станет мало, значит, его станет много, не зря же я нарисовала вот этот цикл!

— Ну, может, его и станет много, но цикл-то собьется! А если цикл собьется, то животное, например, заснет днем, а не ночью, и его съедят.

— Ла-а-а-адно, — протянула Катя, — и что же делать?

— Ну давай у нас будет целых два вещества — вещество «проснись!» и вещество «усни…». В каких они тогда будут отношениях?

Катя рисовала-рисовала и вот что у нее в конце концов получилось:


— Ну конечно! — подтвердил Максим. — Давай, объясняй.

— Ну а что тут объяснять-то? — удивилась Катя, собирая со стола грязные тарелки и сгружая их в мойку. — Если в этом твоем ядре много вещества «усни…», то организм засыпает, а «проснись!» — просыпается. Причем, вещество «усни…» заставляет клетку делать вещество «проснись!», а вещество «проснись!» наоборот, не дает клетке делать вещество «усни…» и тогда…

— И тогда… — повторил Максим, убирая остатки еды в холодильник.

— И тогда получается так, — отозвалась Катя, вытирая со стола. — Если в этом твоем ядре много вещества «усни…», то организм спит, и в ядре при этом вырабатывается вещество «проснись!». И вот его выработалось так много, что оно не дает производиться веществу «усни…». И тогда организм просыпается, а вещество «проснись!» постепенно сходит на нет, потому что нету вещества «усни…», которое бы включало его производство. А раз становится мало вещества «проснись!», то…

Тут Катя, кажется, немного запуталась, потому что очень уж сложную историю она только что рассказала.

— …То, — подхватил Максим, домывая тарелку, — вещество «усни…» снова может появиться. Оно появляется, и организм засыпает. И все начинается заново. Катя, ты по второму разу молодчина! — и в качестве тройного «ура!» Максим с красивым грохотом расставил по полке всю вымытую посуду. — Но только в живом организме все еще сложнее!

— Ка-а-ак? — потерянно спросила Катя, роняя веник.

— Ну, просто даже вот такая система из двух веществ в живой клетке может оказаться нестабильной. Вот представь, ошибется клетка, напроизводит по ошибке кучу вещества «усни…», а ты и будешь спать, пока все это не исправится. И тебя съедят. Поэтому в живой клетке крутится цикл сразу из четырех белков. Ну, скажем, два вещества «проснись!» (давай назовем их «эй!» и «ай!») и два вещества «усни…» («тссс» и «шшш»). И работать они могут только попарно. То есть, только взявшись за руки (ну, в смысле за домены), белки «эй!» и «ай» могут выключить производство белков «тссс» и «шшш». И только сцепившись друг с другом, белки «тссс» и «шшш» могут включить производство белков «ай!» и «эй!». И в результате, даже если одного белка случайно стало очень много, ничего плохого с твоим сном не сделается. Понятно?

— Ну… более-менее, — отозвалась Катя, переодеваясь, чтобы идти на гимнастику. — Только я вот чего не понимаю — день и ночь тут что, совсем ни при чем? Мы тут говорим так, как будто это совсем неважно, светло или темно на улице. А ведь когда на улице солнце, то хочешь-не хочешь —  а проснешься!

— Правильно, отличный вопрос! Те циклы, о которых я тебе рассказал — они крутятся только в одной половинке вот этого самого —  не поперхнись — супрахиазматического ядра. А другая половинка этого ядра получает сигнал от глаз — светло ли на улице или темно? И под этот сигнал она подстраивается. Помнишь, мы летали когда с мамой и папой в Америку, то прилетели — а у них там день, когда у нас ночь. Мы вначале помучились, а потом подстроились под их время и стали спать ночью и не спать днем. В этом нам и помогла вот та вот, извини, вентральная часть супрахиазматического ядра. Пошли на гимнастику?

— Пошли, — отозвалась Катя, — только, Макс, я не понимаю вот чего. А как же это ядро управляет сном и несном во всем остальном организме?

— Ну-у-у-у, — протянул Максим. — это тоже отличный вопрос. Только мы об этом позже поговорим. Это — совсем другая история.

Врезка для взрослых

Белки, о которых говорится в этой статье, носят пусть и не такие игривые, но вполне говорящие названия: CLOCK (circadian locomotor output cycles kaput; в слегка вольном переводе — «капут суточным ритмам»; это потому, что если его выключить, то ритмы нарушаются), BMAL1 (brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT)-like 1 — мозговой и мускульный аналог рецептора ARNT-1), PER (Period — период; если точнее, то это не один белок, а три похожих — PER1, PER2 и PER3) и CRY (криптохром; а точнее, два похожих белка — CRY1 и CRY2). Помимо них существуют дополнительные регуляторные белки Rev-ErbA и RORa. Все вместе они вертятся вот в таком вот, довольно сложном, цикле, точнее, нескольких взаимосвязанных циклах:


«Часы» млекопитающих. Белки CLOCK и BMAL1 запускают транскрипцию белков PER и CRY (показано стрелочками, упирающимися в E-box — участок ДНК, расположенный перед промотором и необходимый для присоединения транскрипционного фактора), а PER и CRY, наоборот, останавливают транскрипцию CLOCK и BMAL1 (показано линией, которая заканчивается перпендикуляром). В то же время, белок BMAL1 регулирует собственное количество с помощью двух каскадов — запускающего транскрипцию BMAL1 с помощью белка Rev-ErbA и останавливающего эту транскрипцию благодаря белку RORa. Изображение с сайта en.wikipedia.org.

И это только у млекопитающих! У растений, насекомых, грибов, бактерий циклы совсем другие. Особенно любопытны в этом отношении мушки-дрозофилы: оказывается, самки с мутацией лишь одного гена почти что не нуждаются во сне [1]! Наша с вами ДНК, накапливая маркеры метилирования, может достаточно точно сказать о возрасте клеток [2]. А на «внутренние часы» животных, растений, грибов и человека воздействуют циркадные ритмы [3, 4, 5] — биологические ритмы с периодом около суток.

Также предлагаем вниманию читателей занимательную задачу на элементах.ру о суточных ритмах млекопитающих [6].

  1. биомолекула: «Бессонные ночи дрозофилы»;
  2. биомолекула: «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?»;
  3. биомолекула: «Прообраз биологических часов»;
  4. биомолекула: «Найдена связь между обменом веществ и циркадным ритмом»;
  5. биомолекула: «Молекулярные часы нашего сердца»;
  6. элементы.ру: «Пусть ворона сохнет, или Как устроены суточные циклы».

Автор: Башмакова Вера.

Число просмотров: 906.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Детям»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.