Архитектура мембран

«Мой дом — моя крепость», — говорят англичане. Каждая живая клетка тоже имеет свою крепость — клеточную мембрану. Мембрана окружает клетку со всех сторон. Как верный страж, она решает, какие молекулы пропустить внутрь, какие задержать. Через мембрану идет активное удаление веществ, которые вредны сами или вреден их избыток. Мембрана ощетинилась приемными устройствами, которые улавливают сигналы извне и позволяют клетке приспособиться к окружающей среде, а также поддерживать связь с другими клетками. Ничуть не преувеличивая, известный американский ученый Гар Никольсон писал: «Поверхность клеток — важнейшее место контроля их роста, деления, развития, связи, дифференцировки, смерти».

Интерес к мембранам все возрастает. Исследования их структуры и функций сулят не только лучшее понимание работы клетки, но и причин многих болезней. Однако пока приоткрыта лишь первая завеса, за которой видны контуры сложного и совершенного механизма — клеточных оболочек.

Как устроена мембрана живой клетки? Философы Древнего Рима такую проблему не обсуждали. Средневековая инквизиция, несмотря на свою осведомленность, не смогла найти себе жертву среди исследователей этого вопроса. И все потому, что сами клетки — единицы, из которых складывается все живоё, — были открыты лишь в середине XVII века. Но еще много лет спустя существование оболочки вокруг каждой клетки ставилось под сомнение. Уже были созданы теории о мембране, которая избирательно пропускает ионы и создает разность потенциалов. Уже утверждали, что она состоит из жиров, а гистологи прошлого, глядя в световой микроскоп, упорно повторяли, что «король-то голый!». И на рисунках клетку обводили условной тонкой линией. Так продолжалось до изобретения электронного микроскопа. И тут оказалось, что «одежда» у клетки все-таки есть, но она очень тонка. (К слову дальнейшее совершенство микроскопов положительно повлияло на исследование клеточных мембран и в наше время через современный цифровой usb микроскоп мы можем наблюдать мембрану клетки во всех мельчайших подробностях).

На электронно-микроскопических фотографиях срезов ткани при соответствующей окраске у поверхности клетки отчетливо видны три слоя — две темные полосы со светлым промежутком между ними. На современных картинках клетку обводят двойной линией, изображающей оболочку, имеющую толщину.

Биохимики научились отделять поверхностные мембраны от внутриклеточных структур. Было показано, что они состоят главным образом из трех классов органических веществ — белков, жиров (липидов) и углеводов, представленных разнообразными молекулами. На повестку дня встал вопрос: как из этих молекул-кирпичиков строится мембрана?

Модель 1935

Первое слово об архитектуре мембран сказали Гортер и Грендел. Восемьдесят лет назад они сделали открытие, которое по своему значению приравнивают к открытию двойной спирали ДНК. Из мембран красных кровяных телец — эритроцитов были выделены липиды, которые нанесли на воду. Как бензин на лужах, липиды расползлись по поверхности. И хотя это пятно не сверкало всеми цветами радуги, тем не менее, оно позволило сделать блестящий вывод. Площадь, занятая жирами, ровно в два раза превышала поверхность взятых в опыт эритроцитов. А слой, образовавшийся над водой, был толщиной точно в одну молекулу. Значит, клетку окружает слой липидов толщиной в две молекулы! Такое предположение прекрасно согласовывалось с тем, что было известно о строении липидной молекулы.

Вывод о бислойном строении мембран был столь значителен, что его стали проверять множеством разных способов. И до сих пор опровержения нет. На основе бислоя липидов Доусон и Даниелли в 1935 году создали первую модель мембраны. Архитектура ее была столь примитивной, что получила название «сэндвич». Два липидных слоя посредине и плотные листы одинаковых белковых молекул по краям.

Гимнастика для молекул

Это не только помахивание хвостом или покачивание головкой. Подсчитано, что за одну секунду каждая липидная молекула миллион раз обменивается местами со своими соседями. Часто, чтобы упростить понимание материала, биологические микрообъекты пытаются сравнить с предметами макромира. Обычно по мере приближения к истине такие сравнения быстро становятся абсурдом. И если, глядя на модель Доусона—Даниелли, липидную основу мембраны хотелось сравнить со стеной толщиною в два кирпича, то теперь этот образ превращается в кошмар: трепещущая стена с копошащимися в ней кирпичами. Приходится придумывать что-либо другое. В последнее время стали говорить о липидном «море».

Быстрое перемешивание липидов идет только в пределах одного слоя. Значительно реже происходит переход от одного мономолекулярного листа в другой. Этот процесс называется «флип-флоп», что значит «сальто-мортале». Переходя из одного слоя в другой, молекула липида должна оторвать свою голову от воды, просунуть ее через двойной частокол хвостов и выставить на противоположной стороне мембраны. В данном случае молекулам, как и людям, намного легче просто двигаться вбок, чем совершать головокружительные трюки. Поэтому в искусственных модельных мембранах флип-флоп одной молекулы происходит примерно один-два раза в сутки, а может быть, и того реже.

Скорость этого процесса можно измерить, поместив на липидную головку спиновую метку. Затем из липидов делают пузырьки, которые помещают в раствор соли аскорбиновой кислоты, где метка гаснет. Естественно, что в первый момент исчезают метки, расположенные на внешней поверхности пузырька. Дальнейшими «жертвами» становятся лишь липиды, совершающие сальто-мортале из внутреннего слоя.

Флип-флоп в естественных мембранах, возможно, идет быстрее. Например, у эритроцитов половина меченых липидов перевертывается уже за 20 — 30 минут. То ли лучше условия для гимнастических упражнений, то ли есть специальные ферменты для переворота липидов, не ясно. Было даже предположено, что процесс имеет определенные цели и ускорен не случайно. Например, во время флип-флопа головка липида может переносить какие-то ионы, которые сами через мембрану пройти не могут. Правда, такие почтовые функции липидов пока остаются в области фантазии. Вернемся к предыдущему сравнению. Существует «липидное море». Кто же в нем плавает?

Модель 1972

А плавают в нем белки. Те самые, которых Доусон и Даниелли намазали сплошным слоем на липидную основу.

Белковая молекула состоит из связанных в цепочку сотен и даже тысяч аминокислот. Выстроенные в шеренгу аминокислоты — еще не белок. Обычно цепочка должна скрутиться и переплестись в сложный клубок, если молекулу раскрутить и выпрямить, она перестанет работать.

Глыбы белковых молекул свободно плавают в липидной основе — вот ключевая идея предложенной в 1972 году Зингером и Никольсоном новой модели клеточной мембраны. Она так и называется — «модель жидкой мозаичной мембраны».

Как было обнаружено движение белков? Особенно наглядно оно проявляется в опытах со зрительными клетками. Их мембраны образуют диски, в которых плавают молекулы чувствительного к свету белка — родопсина. Благодаря удивительно приятной окраске родопсин называют зрительным пурпуром. После освещения он обесцвечивается. Если направить на диск тонкий пучок света, место под лучом побелеет. Через небольшой промежуток времени белое пятнышко розовеет, а окружающая его область, наоборот, выцветает. Это происходит благодаря быстрому перемешиванию молекул родопсина.

За перемещением молекул в обычной наружной мембране проследили, повесив на них флюоресцирующую метку. Оказалось, что и здесь белки весьма подвижны. Впервые это было показано с помощью вируса Сендай. Он вызывает слияние различных клеток в одну с общей оболочкой. Ученые были просто потрясены тем, как быстро мембранные белки клетки распространялись на «чужую территорию»

Давление и наркоз

Скорость передвижения белков по мембране зависит от вязкости липидной основы. Как и другие вещества, липиды при понижении температуры «замерзают» — переходят в твердую фазу. Оказалось, что животные, неспособные поддерживать температуру тела постоянной, а также грибы и бактерии во время похолодания меняют липидный состав мембран. Преимущество отдается тем жировым смесям, которые более «морозоустойчивы».

Насколько вязкость мембран определяет самочувствие организма, демонстрируется в опытах с анестетиками. (В клинике эти вещества — хлороформ, закись азота, эфир, инертные газы — используются очень широко для общего наркоза во время операции. Когда в воду с анестетиками поместили гоповастика, он, что называется, «потерял сознание». Чтобы привести будущую лягушку в чувство, необходимо уплотнить мембрану. Для этого повышают давление в аквариуме — и обморока как не бывало. Так житейский термин «разжижение мозгов» приобретает научную основу. Как всегда, хороша золотая середина: для работы мембран вредно и излишнее уплотнение. Если просто повысить давление, головастик также упадет в обморок. Теперь его можно привести в чувство анестетиками. И не только головастика. Этот эффект уже нашел применение в водолазном деле и позволил людям работать на большей глубине, когда дыхательная смесь содержит наркотизирующий инертный газ.

Сейчас ни у кого не вызывает сомнения, что жидкое состояние мембраны — жизненно важное условие. Работа многих белковых машин связана с изменением их формы. Ясно, что такие молекулы в твердой мембране были бы на положении часового механизма, внутренности которого залили пластмассой. Существование липидного моря приводит еще и к тому, что молекулы находятся в постоянном хаотическом движении. Перемещаясь вдоль мембраны по случайной траектории, они много раз сталкиваются друг с другом. Не вносит ли это хаос в работу клетки? Существует гипотеза — она принадлежит доктору биологических наук Е. А. Либерману,— что именно это случайное, броуновское движение молекул дает клетке огромные возможности. Согласно этой гипотезе, работой клетки руководит молекулярная вычислительная машина (МВМ). Элементы памяти у этого необычного для инженеров-электронщиков устройства — молекулы, которые запоминают пришедшую информацию, изменяя свою форму, заряд и другие характеристики.

Мембранное вычислительное устройство занимает стратегическое положение. Оно оценивает ситуацию снаружи клетки. В этом ему помогают многочисленные приспособления для ввода информации — рецепторы. Некоторые из них сахарные.

Сахарная шуба

Современная мода диктует — одежда должна быть многослойной. Попросту это называется «капустой»: на рубашку надевается маленькая кофточка, поверх нее — кофта большая, а наиболее удачливые могут натянуть еще и пиджак. Клетки не отстают от моды. Снаружи липидных слоев с плавающими в них белками находится карбогидратная шуба. Она состоит главным образом из различных олигосахаридов, полимеров, составленных из десяти типов различных моносахаров, таких, например, как хорошо известная в быту глюкоза. Из моносахаров складывается нечто вроде деревца, обильно и сложно ветвящегося. Даже если бы это «растение» состояло только из трех разных сахаров, то и тогда можно было бы получить сотни вариантов. Обычный же олигосахарид имеет более десяти частей.

Итак, мембрана покрыта густым лесом, который, вопреки житейским представлениям, растет не только на белковых островах, но и прямо на «липидном море». Для чего же он нужен? Как бы в продолжение морской тематики была предложена гипотеза якорей. Авторы исходили из предположения, что белки сразу после их синтеза внутри клетки могут достаточно легко переходить в мембрану, и наоборот. Но если белок не закрепить на месте его службы, он будет путешествовать и вносить путаницу в работу клетки.

Олигосахариды и несут функцию якорей — они закрепляют белок в наружной или в одной из разнообразных внутриклеточных мембран. В качестве доказательства ссылаются на то, что у бактерий только одна мембрана — наружная и на ней нет олигосахаридов. Однако клетка устроена чрезвычайно разумно и рационально. Просто якорем мог быть полимер из пяти одинаковых мономеров. Зачем же такое колоссальное разнообразие и сложность «сахарных деревьев»? Ответ напрашивается сам собой. Чтобы четко принимать разнообразную и сложную информацию из окружающей среды. Вспомните свой радиоприемник — чуть сдвинешь ручку настройки, и уже слышна другая станция.

Сигналы, получаемые клеткой, — это химические молекулы: гормоны, медиаторы, вирусы… Каждую надо узнавать и принимать в отдельности. Ручка настройки тут не подойдет. Для каждой молекулы нужна своя ловушка, только для нее предназначенная. С олигосахаридами же взаимодействуют и возбудители многих болезней. Например, токсин холеры влияет на клетки, взаимодействуя с так называемым ганглиозидом М. (Мутанты, лишенные этих молекул, к холере не чувствительны). И еще одна предполагаемая функция сахарной шубы — с ее помощью организм метит свои клетки и может отличить их от чужих. А отсюда прямая дорога к проблеме тканевой несовместимости при пересадке органов.

Молекулярный конструктор

В предыдущих главах основное внимание уделялось подвижности молекул в клеточной оболочке. Не исключено, что у читателя возникло представление о мембране как о липидном море, в котором под вольным пиратским флагом плавают белковые корабли: пусть не очень быстро, зато куда хотят. Откроем другую сторону медали. Даже вольные птицы собираются в стаю. Познанная необходимость довлеет и над молекулами. Известно множество примеров, когда клетке необходимо ограничить передвижение каких-то белков, собрать их в определенных частях мембраны. Более того, из многих белков клетка создает конструкции, выполняющие работу, которая одной молекуле не под силу.

Например, «щелевой контакт» — область, через которую две соседние клетки обмениваются различными ионами и молекулами,— собран из строго ориентированных белковых частей. Клетки-соседи располагают такие комплексы друг против друга. Тесное соседство половинок, по-видимому, очень важно для сохранения структуры щелевого контакта. Если связь между клетками нарушена, зоны контактов сначала приобретают подвижность, а затем и вовсе деградируют.

Как удержать белки вместе? Можно сшивать химическими связями сами молекулы или собирать из них кристалл. У пурпурных бактерий, например, мембранный белок бактериородопсин собран в прочную двумерную кристаллическую решетку. Название «бактериородопсин» не случайно и говорит о значительном сходстве в строении с молекулой зрительного пурпура. Вспомните, что просто родопсин свободно плавает в мембране дисков зрительных рецепторов. Его бактериальный собрат служит главным образом не для того, чтобы бактерии любовались друг другом и миром, а для превращения энергии света в электрическую энергию, используемую бактерией для своих нужд. Видимо, такая работа требует прочной структуры.

Теоретически вариантов много. Остается понять, какие из них и где используются на практике. Не исключено, что в будущем дети вместо железного получат «белковый конструктор». В инструкции будет написано: «Задание 1. Придумайте, как из молекул Х и У сложить половину щелевого контакта. Что надо добавить к конструкции, чтобы получился целый контакт?» Чем бы дитя ни тешилось… Заметим — дитя будущего. В наше время такие игры развлекают взрослых биохимиков.

Автор: С. Минина.