Oct. 11th, 2016

olegchagin: (Default)
olegchagin: (Default)
Если посмотреть на каплю крови в микроскоп (пусть это будет световой микроскоп, но достаточно мощный), то можно увидеть клетки трёх типов: многочисленные эритроциты, или красные кровяные тельца, немногочисленные, но довольно крупные лейкоциты и мельчайшие тромбоциты, которые удаётся разглядеть с некоторым трудом. Эритроциты, плотно набитые белком гемоглобином, переносят кислород: гемоглобин связывает его в лёгких и отдаёт в тканях и органах, которые в нём нуждаются. Лейкоциты — клетки иммунной системы, и они вместе с иммунными белками защищают нас от инфекций и от некоторых неинфекционных заболеваний, например от рака. Лейкоцитов существует несколько типов, отличающихся в том числе и по численности; возможно, из лейкоцитов нам попадутся Т-лимфоциты, которые целенаправленно распознают и сами уничтожают как чужеродные, так и наши собственные клетки, которым не повезло заболеть. Наконец, тромбоциты. Про тромбоциты мы знаем, что они нужны для свёртывания крови.
‹ ›
Кто не представляет, как работает система свёртывания крови? Уколовши палец, мы наблюдаем, как он сначала кровоточит, а потом перестаёт — образовавшийся тромб остановил кровь. Если бы кровь не свёртывалась, то разбитый нос мог бы оказаться смертельным ранением. Но, наверно, едва ли не более важная функция механизма свёртывания — предотвращение внутренних кровотечений, которые часто случаются при различных заболеваниях (например, при тяжёлой инфекции или при злокачественной опухоли). При этом система свёртывания должна быть очень точно сбалансирована: если она будет работать плохо, то пойдут неостанавливаемые кровотечения, внутренние и наружные; если же механизм свёртывания будет слишком активным, начнут формироваться тромбы, грозящие закупоркой сосудов и остановкой кровоснабжения. В медицине есть масса примеров, когда процессы свёртывания крови и тромбообразования идут не так, как надо, и не там, где надо. Причиной тому могут быть либо другие болезни, и тогда нарушения системы свёртывания крови — это просто сопутствующий симптом, либо же сами эти нарушения представляют собой отдельные, самостоятельные заболевания (вроде небезызвестной гемофилии или болезни Виллебранда).
Бороться с аномалиями системы свёртывания можно по-разному, и сейчас есть медицинские средства, которые позволяют эффективно регулировать её работу. Но чтобы такие средства работали ещё лучше, чтобы сделать их ещё более совершенными, нужно как можно точнее знать, как на молекулярно-клеточном уровне устроен механизм свёртывания крови. Его изучают уже более ста лет, и сейчас его схему можно найти в любом школьном учебнике; правда, схему эту большинство из нас старается забыть, как страшный сон: ещё бы, около двух десятков белков, соединённых стрелками, — кто-то кого-то активирует, кто-то кого-то ингибирует. Однако если рассматривать свёртывание по этапам, то всё становится более или менее понятно.
Стоит сразу сказать, что собственно свёртывание — лишь часть более общего процесса гемостаза (от греч. haimatos — кровь, stasis — остановка). И этот процесс начинается как раз с тромбоцитов. Они происходят от мегакариоцитов — гигантских клеток костного мозга. От зрелых мегакариоцитов «отшнуровываются» куски цитоплазмы, которые и становятся безъядерными клетками тромбоцитами (хотя, учитывая их происхождение и отсутствие ядра, более корректно называть их просто тельцами крови или кровяными пластинками). Тромбоциты циркулируют по крови, пока не «заметят» брешь в сосуде. Сигналом для них служит соединительнотканный белок коллаген. Он обычно спрятан внутри стенки сосуда, но при её повреждении оказывается лицом к лицу с тромбоцитами и другими белками крови. На мембране тромбоцитов есть специальный рецептор, который хватает коллаген и заставляет кровяные пластинки прилипнуть к месту повреждения. Тут в дело вступает один из факторов свёртывания под названием «фактор фон Виллебранда». Это гликопротеин (его молекула состоит из белковой и углеводной частей), который помогает другим рецепторам тромбоцитов зацепиться за торчащий из стенки сосуда коллаген. Благодаря фактору фон Виллебранда тромбоциты не только прочнее взаимодействуют с местом повреждения, но и дополнительно активируются — подают молекулярные сигналы другим тромбоцитам и белкам свёртывания, меняют внешнюю форму и активно слипаются друг с другом. В результате на стенке кровеносного сосуда появляется затычка из тромбоцитов.
Одновременно с формированием тромбоцитарной пробки происходит процесс собственно свёртывания крови — свёртывания в строгом смысле слова. В нём участвует множество белков плазмы крови, большинство из них — ферменты-протеазы, то есть белки, отщепляющие куски от других белков. Если до расщепления «жертва» протеазы была неактивным белком-ферментом, то после расщепления фермент активируется и, если он сам протеаза, тоже может кого-то расщепить. Суть ферментативных реакций, которые идут во время свёртывания, в том, что белки активируют друг друга, и в итоге всё заканчивается появлением активного белка фибрина, который быстро полимеризуется, превращаясь в нити — фибриллы. Из нитей фибрина формируется фибриновый сгусток, дополнительно укрепляющий тромбоцитовую «затычку», — образуется тромбоцитарно-фибриновый тромб. Когда сосуд восстанавливается, тромб рассасывается.
Оба этапа — и формирование тромбоцитарной пробки, и свёртывание крови с участием плазматических факторов-ферментов — подчиняются множеству регуляторов. Для организма важно, чтобы система гемостаза работала как можно более точно, и многостадийность как раз помогает выполнять тонкую настройку: на каждом этапе, на каждой реакции ферменты и другие молекулы, задействованные в процессе, проверяют, не ложный ли сигнал к ним пришёл и действительно ли есть необходимость в тромбе. Естественно, тромбоциты и факторы свёртывания теснейшим образом связаны друг с другом и тромбоциты нужны не только для того, чтобы первыми заткнуть брешь в сосуде. Во-первых, они также выделяют белки, которые ускоряют восстановление стенки сосуда. Во-вторых, что особенно важно, кровяные пластинки нужны ещё для того, чтобы ферменты свёртывания продолжали работать.
После запуска процесса гемостаза мембрана некоторых тромбоцитов изменяется особым образом, так что теперь на неё могут садиться ферменты реакций свёртывания: после приземления на такие тромбоциты они начинают работать намного быстрее. Что при этом происходит, удалось выяснить лишь относительно недавно. Активированные тромбоциты, то есть те, которые почувствовали повреждение сосуда, бывают двух форм: простые (агрегирующие) и сверхактивированные (прокоагулянтные). Простые агрегирующие тромбоциты отчасти похожи на амёбы: они образуют выпячивания мембраны, похожие на ножки, которые помогают им лучше сцепляться друг с другом, и становятся более плоскими, как бы растекаясь по поверхности. Такие клетки формируют основное тело тромба. Сверхактивированные тромбоциты ведут себя иначе: они приобретают сферическую форму и увеличиваются в несколько раз, становясь похожими на воздушные шарики. Они не просто укрепляют тромб, но и стимулируют реакцию свёртывания, почему их и называют прокоагулянтными.
Как одни тромбоциты становятся простыми, а другие — сверхактивированными? Известно, что в прокоагулянтных тромбоцитах очень высок уровень кальция (ионы кальция вообще один из главных регуляторов гемостаза) и что у них выходят из строя митохондрии. Связаны ли эти изменения в клеточной физиологии со сверхактивацией тромбоцитов?
В прошлом году Фазли Атауллаханов*, директор Центра теоретических проблем физико-химической фармакологии РАН, вместе с Михаилом Пантелеевым, заведующим Лабораторией молекулярных механизмов гемостаза центра и профессором кафедры медицинской физики физического факультета МГУ, опубликовали в журнале «Molecular BioSystems» статью с описанием модели митохондриального некроза как особой формы клеточной смерти. Мы знаем, что клетка может погибнуть в результате апоптоза, включив программу самоуничтожения (при апоптозе всё происходит по плану и с минимальным беспокойством для клеток-соседей), или в результате некроза, когда гибель случается быстро и незапланированно, например из-за разрыва наружной мембраны или из-за масштабных внутренних неприятностей, вроде вирусной или бактериальной инфекции.
В чём особенность митохондриального некроза? Митохондрии, как известно, служат источниками энергии для любой нашей клетки: в митохондриях происходит кислородное окисление «питательных» молекул, а освобождённая при этом энергия запасается в удобной для клетки форме. Побочным продуктом при работе с кислородом оказываются агрессивные кислородные радикалы, которые могут испортить любую биомолекулу. Сами митохондрии стараются уменьшать концентрацию радикалов и не выпускать их из себя в клеточную цитоплазму.
При митохондриальном некрозе происходит следующее: митохондрии вбирают в себя кальций, и в какой-то момент, когда кальция становится слишком много, они разрушаются, выплёскивая в цитоплазму и кальций, и активные формы кислорода. В результате в клетке распадается внутриклеточный белковый скелет и клетка сильно увеличивается в объёме, превращаясь в шар. (Как мы помним, шарообразная форма характерна для сверхактивированных тромбоцитов.) Кроме того, и ионы кальция, и активные формы кислорода активируют фермент скрамблазу, который перебрасывает фосфатидилсерин — один из липидов цитоплазматической мембраны — из внутреннего слоя мембраны в наружный. И вот на такую модифицированную мембрану округлившихся тромбоцитов, обогащённую фосфатидилсерином, прилипают некоторые важные факторы свёртывания: здесь они собираются в комплексы, активируются, и в результате реакция свёртывания ускоряется в 1000—10 000 раз.
В новой статье, опубликованной в июне этого года в «Journal of Thrombosis and Haemostasis», Михаил Пантелеев, Фазли Атауллаханов и их коллеги описывают эксперименты, которые полностью подтверждают такую модель активации тромбоцитов: кровяные пластинки стимулировали тромбином, одним из белков системы свёртывания, после чего митохондрии наполнялись ионами кальция, а в митохондриальных мембранах появлялись поры. Проницаемость митохондрий увеличивалась, и в какой-то момент, когда изменение проницаемости делалось необратимым, весь запасённый кальций оказывался в цитоплазме и запускал процесс «переформатирования» наружной мембраны.
Получается следующая картина: тромбоциты, подчиняясь внешним активаторам, впитывают кальций. Из их цитоплазмы кальций переходит в митохондрии. В самой цитоплазме уровень ионов кальция то повышается, то понижается (осциллирует), но в митохондриях он неуклонно растёт, и наступает момент, когда они уже не могут удерживать кальциевые ионы внутри себя. Весь кальций (с кислородными окислителями) выходит в цитоплазму и включает фермент, перебрасывающий липиды в цитоплазматической мембране тромбоцита. В результате на поверхности сверхактивированного и, очевидно, доживающего свои последние минуты тромбоцита собираются ферментативные комплексы, ускоряющие реакцию свёртывания.
Почему же не все тромбоциты становятся сверхактивированными — проко-агулянтными? Вероятно, потому, что для активации требуется сумма сигналов от разных регуляторов. Мы уже сказали, что тромбоциты чувствительны к тромбину, который плавает в плазме крови, а в начале статьи говорили, что одним из первых активирующих сигналов для кровяных пластинок служит коллаген из повреждённой стенки сосуда. Коллаген и тромбин действительно сильные активаторы, но кроме них тромбоциты «прислушиваются» и к некоторым другим молекулам. Степень активации зависит от количества разных входных сигналов, и превращение в прокоагулянтную форму, очевидно, происходит тогда, когда суммарный сигнал извне оказывается для конкретного тромбоцита особенно сильным.
Практические аспекты полученных результатов понятны каждому: чем больше подробностей узнаем про свёртывание крови, тем скорее научимся управлять этим процессом, ускоряя или замедляя его в соответствии с медицинскими показаниями.
«Наука и жизнь» №10, 2016
Кирилл Стасевич, биолог
olegchagin: (Default)

Как менялись космические скафандры, кто первым предложил искать гравитационные волны с помощью лазерных интерферометров, что увидел университетский спутник «Ломоносов» и как исследователи озера «Восток» доберутся до него от побережья Антарктики – обо всём этом и о многом другом можно было узнать на конференции «Дни космической науки» в Институте космических исследований (ИКИ) РАН.

Гостей конференции, посвященной годовщине запуска первого искусственного спутника Земли, по обыкновению, встречала выставка. Её изюминкой на сей раз стали элементы систем жизнеобеспечения космонавтов: скафандры, внутренние корабельные костюмы, медицинские датчики. Здесь можно было увидеть знаменитые скафандры «Пингвин», «Ястреб» (для выхода в открытый космос), разные модели «Соколов» и амортизационное кресло «Казбек», использовавшиеся при взлете-посадке.

Была здесь и одна из последних разработок – «Орлан-М», скафандр для работ в открытом космосе, вариант 2015 года. «Всего существует шесть модификаций. Если первая была снабжена лишь радиостанцией и системой управления охлаждением, то последняя снабжена настоящим компьютером, рассчитана примерно на 15 выходов в открытое пространство и не требует промежуточного технического обслуживания, в отличие от американских «одноразовых» разработок», – рассказывает Аркадий Степанов, сотрудник Центрального Дома авиации и космонавтики.

После вступительного слова директора ИКИ РАН академика Льва Зелёного началась научная сессия, которую открыл доклад академика РАН Владислава Пустовойта, соавтора (вместе с М.Е. Герцштейном) статьи 1962 года о возможности использования лазерной интерферометрии для регистрации гравитационных волн. Их существование предсказывал ещё Эйнштейн в 1916 году в рамках своей общей теории относительности. Огромный вклад в понимание природы гравитационных волн внесли Ландау, Лифшиц, Зельдович, Гинзбург.

Первые попытки их зарегистрировать предпринял Джозеф Вебер из Мэрилендского университета (США) – он использовал созданный им резонансный приемник, основной недостаток которого, однако, был в том, что он работал в узком диапазоне частот. Лазерные гравитационно-волновые интерферометры начали строить в начале 1990-х годов: в США – LIGO, или Лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн, с двумя детекторами в штатах Вашингтон и Луизиана, и в Италии под Пизой – VIRGO, французско-итальянский интерферометр. (Сегодня их создают в Японии, Индии и совместно в США и Европе.) 11 февраля нынешнего года исследователи LIGO сообщили об открытии гравитационных волн – и сделано это эпохальное открытие было как раз с помощью метода, о котором в 1962 году писали Пустовойт и Герцштейн.

Владислав Пустовойт напомнил собравшимся, что гравитационные волны образуются в результате коллапса двойных черных дыр и слияния нейтронных звезд, а также черной дыры и нейтронной звезды. Частота таких слияний составляет, по словам академика, «три – сто событий в год для масс чёрных дыр, до ста событий для солнечных масс».

Пять месяцев назад в космос был запущен университетский спутник «Ломоносов» – о первых результатах его работы рассказал Михаил Панасюк, директор НИИ ядерной физики (НИЯФ) им. Д.В. Скобельцына. С помощью этого космического аппарата исследователи надеются побольше узнать об экстремальных явлениях в нашей Вселенной – в их числе заряженные частицы, обладающие самыми высокими энергиями из существующих в природе, гамма-всплески, связанные с земной атмосферой, воздействие высокоэнергетических частиц на земную атмосферу, экстремальные процессы в магнитосфере. К настоящему времени закончены все лётные испытания и начались собственно исследования.

«Мы обнаружили любопытную вещь, – сказал Михаил Панасюк, – верхняя атмосфера Земли «светит» с частотой 50 Гц, кроме областей над США, где она светит с частотой 60 Гц».  Что же касается космических лучей предельно высоких энергий, то таких частиц попадается менее одной на 1 кв. км в год, так что фиксировать их весьма непросто. Что это за частицы? Здесь нужно подождать исследований «Ломоносова», на котором для их наблюдения установлен УФ-телескоп. Подобные эксперименты проводятся в мире впервые.

Доктор технических наук, заместитель директора ИКИ РАН Евгений Лупян отметил, что главная проблема многих космических проектов – обработка данных. То есть информации в единицу времени мы получаем настолько много, что её анализ требует огромных ресурсов и времени. Та же проблема существует и с данными дистанционного зондирования Земли. В ИКИ РАН, по словам докладчика, разработаны технологии, которые позволяют создавать информационные сервисы для работы со сверхбольшими распределенными ресурсами.

С их помощью исследователь, используя только веб-браузер, может в любом месте и в любое время заходить в архивы данных и пользоваться инструментами для их обработки. В числе таких систем – Центр коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг», который сегодня используется в десятках научных проектов.

Другой пример – спутниковый сервис «Вета-Сайенс», первоначально предназначавшийся для изучения растительного покрова, сейчас он содержит данные с 2000 года, покрывающие пятую часть земной суши и с разрешением от 1 км до нескольких метров. На основе информации из «Вета-Сайенс» созданы ежегодно обновляемые карты растительности и используемых земель – по обновлениям можно понять, например, как они менялись, то есть строить временны´е ряды.

«Из полученных данных видно, что мы потеряли около 10% темнохвойных лесов с 2000 года», – отметил Е. Лупян. По его словам, система «Вета-Сайенс» по инструментальным возможностям обработки данных делит первое-второе место в мире с Google Earth Engine. Сейчас «Вета-Сайенс» используют тридцать научных организаций. Но и это еще не все. В арсенале разработок ИКИ РАН спутниковый сервис See the Sea (STS), с помощью которого анализируют радиолокационных данных, и система мониторинга вулканов Камчатки и Курил; в планах же – создание систем для работы с данными различных планетных миссий.

О том, как ищут жизнь в подледниковом антарктическом озере Восток, рассказал Сергей Булат, руководитель лаборатории молекулярной и радиационной биофизики Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ). Он напомнил, что опыт изучения необычных жизненных форм в условиях Антарктиды может быть очень полезен для поиска внеземной жизни.

Сергей Булат рассказал о прошлых биологических исследованиях воды из о. Восток, о том, как в 2013 году в одной из проб нашли неизвестный микроорганизм, который, однако, в других пробах не определялся. Достоверность этих данных многие ученые ставят под сомнение из-за возможного загрязнения проб воды керосином, попадающим туда при бурении. Астробиологи уже разработали новый, чистый способ отбора воды из древнего озера, но в сезоне 2015–2016 года экспедицию провести не удалось из-за банального отсутствия средств.

Есть планы совершить-таки экспедицию в предстоящем сезоне. Получится ли? Пока сказать трудно. По словам Сергея Булата, из-за недофинансирования ученым дают лишь два самолёта вместо требуемых шести и потому от побережья Антарктики до станции «Восток» им придется добираться тысячи километров по земле, на вездеходах. «Если дойдем, то пробы воды получим», – шутит руководитель лаборатории.

Татьяна Зимина

Profile

olegchagin: (Default)
olegchagin

January 2017

S M T W T F S
1234 567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031    

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags
Page generated Jul. 26th, 2017 06:46 pm
Powered by Dreamwidth Studios