Архітектура мембран

“Мій дім-моя фортеця”, – кажуть англійці. Кожна жива клітина теж має свою фортецю — клітинну мембрану. Мембрана оточує клітину з усіх боків. Як вірний страж, вона вирішує, які молекули пропустити всередину, які затримати. Через мембрану йде активне видалення речовин, які шкідливі самі або шкідливий їх надлишок. Мембрана наїжачилася приймальними пристроями, які вловлюють сигнали ззовні і дозволяють клітині пристосуватися до навколишнього середовища, а також підтримувати зв’язок з іншими клітинами. Анітрохи не перебільшуючи, відомий американський вчений Гар Нікольсон писав: «Поверхня клітин — найважливіше місце контролю їх росту, ділення, розвитку, зв’язку, диференціювання, смерті».

Інтерес до мембран все зростає. Дослідження їх структури і функцій обіцяють не тільки краще розуміння роботи клітини, але і причин багатьох хвороб. Однак поки відчинена лише перша завіса, за якою видно контури складного і досконалого механізму — клітинних оболонок.

Як влаштована мембрана живої клітини? Філософи Стародавнього Риму таку проблему не обговорювали. Середньовічна інквізиція, незважаючи на свою обізнаність, не змогла знайти собі жертву серед дослідників цього питання. І все тому, що самі клітини — одиниці, з яких складається все живе, — були відкриті лише в середині XVII століття. Але ще багато років по тому існування оболонки навколо кожної клітини ставилося під сумнів. Вже були створені теорії про мембрану, яка вибірково пропускає іони і створює різницю потенціалів. Вже стверджували, що вона складається з жирів, а гістологи минулого, дивлячись у світловий мікроскоп, наполегливо повторювали, що «король-то голий!». І на малюнках клітину обводили умовною тонкою лінією. Так тривало до винаходу електронного мікроскопа. І тут виявилося, що «одяг» у клітини все-таки є, але він дуже тонкий.

На електронно-мікроскопічних фотографіях зрізів тканини при відповідному фарбуванні у поверхні клітини чітко видно три шари — дві темні смуги зі світлим проміжком між ними. На сучасних картинках клітину обводять подвійною лінією, що зображає оболонку, що має товщину.

Біохіміки навчилися відокремлювати поверхневі мембрани від внутрішньоклітинних структур. Було показано, що вони складаються головним чином з трьох класів органічних речовин — білків, жирів (ліпідів) і вуглеводів, представлених різними молекулами. На порядок денний постало питання: як з цих молекул-цеглинок будується мембрана?

Модель 1935

Перше слово про архітектуру мембран сказали Гортер і Грендел. Вісімдесят років тому вони зробили відкриття, яке за своїм значенням прирівнюють до відкриття подвійної спіралі ДНК. З мембран червоних кров’яних тілець-еритроцитів були виділені ліпіди, які нанесли на воду. Як бензин на калюжах, ліпіди розповзлися по поверхні. І хоча ця пляма не виблискувала всіма кольорами веселки, тим не менш, вона дозволила зробити блискучий висновок. Площа, зайнята жирами, рівно в два рази перевищувала поверхню взятих в дослід еритроцитів. А шар, що утворився над водою, був товщиною точно в одну молекулу. Значить, клітину оточує шар ліпідів товщиною в дві молекули! Таке припущення прекрасно узгоджувалося з тим, що було відомо про будову ліпідної молекули.

Висновок про біослойну будову мембран був настільки значний, що його стали перевіряти безліччю різних способів. І досі спростування немає. На основі біслоя ліпідів Доусон і Даніеллі в 1935 році створили першу модель мембрани. Архітектура її була настільки примітивною, що отримала назву «сендвіч». Два ліпідних шари посередині і щільні листи однакових білкових молекул по краях.

Гімнастика для молекул

Це не тільки помахування хвостом або похитування головкою. Підраховано, що за одну секунду кожна ліпідна молекула мільйон разів обмінюється місцями зі своїми сусідами. Часто, щоб спростити розуміння матеріалу, біологічні мікрооб’єкти намагаються порівняти з предметами макросвіту. Зазвичай у міру наближення до істини такі порівняння швидко стають абсурдом. І якщо, дивлячись на модель Доусона—Даніеллі, ліпідну основу мембрани хотілося порівняти зі стіною товщиною в дві цеглини, то тепер цей образ перетворюється на кошмар: тремтяча стіна з живою цеглою, що копошиться в ній. Доводиться придумувати що-небудь інше. Останнім часом стали говорити про ліпідне “море”.

Швидке перемішування ліпідів йде тільки в межах одного шару. Значно рідше відбувається перехід від одного мономолекулярного листа в інший. Цей процес називається «фліп-флоп», що означає «сальто-мортале». Переходячи з одного шару в інший, молекула ліпіду повинна відірвати свою голову від води, просунути її через подвійний частокіл хвостів і виставити на протилежній стороні мембрани. В даному випадку молекулам, як і людям, набагато легше просто рухатися вбік, ніж здійснювати запаморочливі трюки. Тому в штучних модельних мембранах фліп-флоп однієї молекули відбувається приблизно один-два рази на добу, а може бути, і того рідше.

Швидкість цього процесу можна виміряти, помістивши на ліпідну головку спінову мітку. Потім з ліпідів роблять бульбашки, які поміщають в розчин солі аскорбінової кислоти, де мітка гасне. Природно, що в перший момент зникають мітки, розташовані на зовнішній поверхні бульбашки. Подальшими “жертвами” стають лише ліпіди, що здійснюють сальто-мортале з внутрішнього шару.

Фліп-флоп в природних мембранах, можливо, йде швидше. Наприклад, у еритроцитів половина мічених ліпідів перевертається вже за 20 — 30 хвилин. Чи то краще умови для гімнастичних вправ, чи то є спеціальні ферменти для перевороту ліпідів, не ясно. Було припущено, що процес має певні цілі і прискорений не випадково. Наприклад, під час фліп-флопа головка ліпіду може переносити якісь іони, які самі через мембрану пройти не можуть. Правда, такі поштові функції ліпідів поки залишаються в області фантазії. Повернімося до попереднього порівнянні. Чи існує “ліпідне море”. Хто ж у ньому плаває?

Модель 1972

А плавають в ньому білки. Ті самі, яких Доусон і Даніеллі намазали суцільним шаром на ліпідну основу.

Білкова молекула складається з пов’язаних в ланцюжок сотень і навіть тисяч амінокислот. Збудовані в шеренгу амінокислоти – ще не білок. Зазвичай ланцюжок має скрутитися і переплестися в складний клубок, якщо молекулу розкрутити і випрямити, вона перестане працювати.

Брили білкових молекул, що вільно плавають в ліпідній основі – ось ключова ідея запропонованої в 1972 році Зінгером і Нікольсоном нової моделі клітинної мембрани. Вона так і називається — «модель рідкої мозаїчної мембрани».

Як було виявлено рух білків? Особливо наочно він проявляється в дослідах із зоровими клітинами. Їх мембрани утворюють диски, в яких плавають молекули чутливого до світла білка родопсину. Завдяки дивно приємному забарвленню родопсин називають зоровим пурпуром. Після освітлення він знебарвлюється. Якщо направити на диск тонкий пучок світла, місце під променем побіліє. Через невеликий проміжок часу біла плямочка рожевіє, а навколишня його область, навпаки, вицвітає. Це відбувається завдяки швидкому перемішуванню молекул родопсину.

За переміщенням молекул у звичайній зовнішній мембрані простежили, повісивши на них флюоресцируючу мітку. Виявилося, що і тут білки досить рухливі. Вперше це було показано за допомогою вірусу Сендай. Він викликає злиття різних клітин в одну із загальною оболонкою. Вчені були просто вражені тим, як швидко мембранні білки клітини поширювалися на «чужу територію»

Тиск і наркоз

Швидкість пересування білків по мембрані залежить від в’язкості ліпідної основи. Як і інші речовини, ліпіди при зниженні температури «замерзають» — переходять в тверду фазу. Виявилося, що тварини, нездатні підтримувати температуру тіла постійною, а також гриби та бактерії під час похолодання змінюють ліпідний склад мембран. Перевага віддається тим жировим сумішам, які більш «морозостійкі».

Наскільки в’язкість мембран визначає самопочуття організму, демонструється в дослідах з анестетиками. (У клініці ці речовини — хлороформ, закис азоту, ефір, інертні гази — використовуються дуже широко для загального наркозу під час операції. Коли у воду з анестетиками помістили пуголовка, він, що називається, «втратив свідомість». Щоб привести майбутню жабу до тями, необхідно ущільнити мембрану. Для цього підвищують тиск в акваріумі – і непритомності як не бувало. Так життєвий термін «розрідження мізків» набуває наукову основу. Як завжди, хороша золота середина: для роботи мембран шкідливо і зайве ущільнення. Якщо просто підвищити тиск, пуголовок також знепритомніє. Тепер його можна привести до тями анестетиками. І не тільки пуголовка. Цей ефект вже знайшов застосування у водолазній справі і дозволив людям працювати на більшій глибині, коли дихальна суміш містить наркотизуючий інертний газ.

Зараз ні в кого не викликає сумніву, що рідкий стан мембрани — життєво важлива умова. Робота багатьох білкових машин пов’язана зі зміною їх форми. Ясно, що такі молекули в твердій мембрані були б на положенні годинникового механізму, нутрощі якого залили пластмасою. Існування ліпідного моря призводить ще й до того, що молекули знаходяться в постійному хаотичному русі. Переміщаючись уздовж мембрани по випадковій траєкторії, вони багато разів стикаються один з одним. Чи не вносить це хаос в роботу клітини? Існує гіпотеза — вона належить доктору біологічних наук Е. А. Ліберману, – що саме цей випадковий, Броунівський рух молекул дає клітині величезні можливості. Згідно з цією гіпотезою, роботою клітини керує молекулярна обчислювальна машина (МВМ). Елементи пам’яті у цього незвичайного для інженерів-електронників пристрою — молекули, які запам’ятовують отриману інформацію, змінюючи свою форму, заряд і інші характеристики.

Мембранний обчислювальний пристрій займає стратегічне положення. Він оцінює ситуацію зовні клітини. У цьому йому допомагають численні пристосування для введення інформації — рецептори. Деякі з них цукрові.

Цукрова шуба

Сучасна мода диктує — одяг повинен бути багатошаровим. Просто це називається “капустою”: на сорочку надівається маленька кофтинка, поверх неї — кофта велика, а найбільш щасливі можуть натягнути ще й піджак. Клітини не відстають від моди. Зовні ліпідних шарів з плаваючими в них білками знаходиться карбогідратна шуба. Вона складається головним чином з різних олігосахаридів, полімерів, складених з десяти різних типів моноцукрів, таких, наприклад, як добре відома в побуті глюкоза. З моноцукрів складається щось на зразок деревця, рясного і складно розгалуженого. Навіть якби ця “рослина” складалася тільки з трьох різних цукрів, то і тоді можна було б отримати сотні варіантів. Звичайний ж олігосахарид має більше десяти частин.

Отже, мембрана покрита густим лісом, який, всупереч життєвим уявленням, росте не тільки на білкових островах, але і прямо на «ліпідному морі». Для чого ж він потрібен? Як би в продовження морської тематики була запропонована гіпотеза якорів. Автори виходили з припущення, що білки відразу після їх синтезу всередині клітини можуть досить легко переходити в мембрану, і навпаки. Але якщо білок не закріпити на місці його служби, він буде подорожувати і вносити плутанину в роботу клітини.

Олігосахариди і несуть функцію якорів – вони закріплюють білок в зовнішній або в одній з різноманітних внутрішньоклітинних мембран. Як доказ посилаються на те, що у бактерій тільки одна мембрана — зовнішня і на ній немає олігосахаридів. Однак клітина влаштована надзвичайно розумно і раціонально. Просто якорем міг бути полімер з п’яти однакових мономерів. Навіщо ж таке колосальне розмаїття і складність “цукрових дерев”? Відповідь напрошується сам собою. Щоб чітко приймати різноманітну і складну інформацію з навколишнього середовища. Згадайте свій радіоприймач – трохи зрушиш ручку настройки, і вже чутна інша станція.

Сигнали, одержувані клітиною, – це хімічні молекули: гормони, медіатори, віруси… Кожну треба впізнати і приймати окремо. Ручка налаштування тут не підійде. Для кожної молекули потрібна своя пастка, тільки для неї призначена. З олігосахаридами ж взаємодіють і збудники багатьох хвороб. Наприклад, токсин холери впливає на клітини, взаємодіючи з так званим гангліозидом М. (Мутанти, позбавлені цих молекул, до холери не чутливі). І ще одна передбачувана функція цукрової шуби — з її допомогою організм мітить свої клітини і може відрізнити їх від чужих. А звідси пряма дорога до проблеми тканинної несумісності при пересадці органів.

Молекулярний конструктор

У попередніх розділах основна увага приділялася рухливості молекул в клітинній оболонці. Не виключено, що у читача виникло уявлення про мембрану як про ліпідне море, в якому під вільним піратським прапором плавають білкові кораблі: нехай не дуже швидко, зате куди хочуть. Відкриємо іншу сторону медалі. Навіть вільні птахи збираються в зграю. Пізнана необхідність тяжіє і над молекулами. Відомо безліч прикладів, коли клітині необхідно обмежити пересування якихось білків, зібрати їх в певних частинах мембрани. Більш того, з багатьох білків клітина створює конструкції, що виконують роботу, яка одній молекулі не під силу.

Наприклад, «щілинний контакт» — область, через яку дві сусідні клітини обмінюються різними іонами і молекулами,— зібраний з строго орієнтованих білкових частин. Клітини-сусіди розташовують такі комплекси один проти одного. Тісне сусідство половинок, мабуть, дуже важливо для збереження структури щілинного контакту. Якщо зв’язок між клітинами порушений, зони контактів спочатку набувають рухливість, а потім і зовсім деградують.

Як утримати білки разом? Можна зшивати хімічними зв’язками самі молекули або збирати з них кристал. У пурпурних бактерій, наприклад, мембранний білок бактеріородопсин зібраний в міцну двовимірну кристалічну решітку. Назва “бактеріородопсин” не випадкова і говорить про значну схожість в будові з молекулою зорового пурпура. Згадайте, що просто родопсин вільно плаває в мембрані дисків зорових рецепторів. Його бактеріальний побратим служить головним чином не для того, щоб бактерії милувалися одне одним і світом, а для перетворення енергії світла в електричну енергію, використовувану бактерією для своїх потреб. Мабуть, така робота вимагає міцної структури.

Теоретично варіантів багато. Залишається зрозуміти, які з них і де використовуються на практиці. Не виключено, що в майбутньому діти замість залізного отримають «білковий конструктор». В інструкції буде написано: «Завдання 1. Придумайте, як з молекул Х і У скласти половину щілинного контакту. Що треба додати до конструкції, щоб вийшов цілий контакт?» Чим би дитя не тішилося… Зауважимо — дитя майбутнього. У наш час такі ігри розважають дорослих біохіміків.

Автор: С. Мініна.