Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир: читать начало книги онлайн

Мембраны есть и внутри клетки: они ограничивают разные органеллы («маленькие органы»). К органеллам относится, в частности, ядро – хранилище вашего хромосомного набора (крупный овал на рисунке). В органелле под названием эндоплазматический ретикулум, похожей на длинный извилистый мембранный лабиринт (темная сеть каналов), синтезируется множество белков. В митохондриях (небольшие эллипсы с волнистым содержимым) клетка производит вещества, запасающие и переносящие энергию; у этих органелл две мембраны – ровная внешняя и складчатая внутренняя. Однако не у всех существ есть мембранные органеллы[30]: у бактерий и архей, двух из трех доменов живой природы, их нет. Органеллы, однако, широко распространены в третьем домене, у эукариот, к которым относятся животные, растения, грибы и многие одноклеточные организмы вроде амеб.

Каждая клеточная мембрана, в сущности, лист толщиной всего в несколько миллиардных метра, состоящий из липидов. Есть в ней и белки, которые либо пронизывают мембрану, создавая в ней поры, либо примыкают к ней (см. рисунок поперечного среза мембраны). На гены мембранных белков приходится около трети белок-кодирующей части человеческого генома1. Эти белки управляют значительной частью биологической активности и чаще всего становятся фармацевтическими мишенями. Но все же мембраной мембрану делают липиды. Учитывая всю важность мембран, можно было бы ожидать, что их строение четко прописано в геноме и отслеживается каким-то внутренним надзорным механизмом. В действительности, однако, все пускается на самотек: белки производят липиды, а остальное делает самосборка. Физических взаимодействий липидов и воды достаточно, чтобы создать надежный, но динамичный материал. Прежде чем мы узнаем свойства мембран и секреты их образования, давайте рассмотрим что-то более знакомое.

Масло и вода не смешиваются. Если взболтать бутылку с уксусной салатной заправкой, масло быстро соберется в капельки. Предоставленные сами себе, молекулы масла держатся других молекул масла, а молекулы воды – других молекул воды. Как мы узнали из второй главы, вещества вроде масел и жиров, которые отделяются от воды, называются гидрофобными («боящимися воды»), а вещества вроде сахара и уксуса, которые смешиваются с водой, – гидрофильными («любящими воду»).

Липиды и гидрофобны, и гидрофильны. У каждой молекулы липида есть «головка», которая любит воду, и «хвост», которому вода не нравится. Хвост обычно состоит из двух цепочек, химически схожих с молекулами масла[31]. Есть и другие знакомые вам вещества с такими амфифильными наклонностями («любящие и то, и другое»): каждая молекула мыла состоит из гидрофильной головки и гидрофобной хвостовой цепочки – вместе они позволяют мылу цепляться и за жирную грязь, и за воду, которая ее смывает.

Липиды в воде страдают от противоречия, обусловленного их строением: их головки счастливы, а хвосты – нет. Чтобы защитить свои хвосты от воды, молекулы липидов головками наружу спонтанно объединяются в двуслойную листовую структуру. Такой липидный бислой формирует основу всех клеточных мембран.

Липидные мембраны обладают примечательными физическими свойствами. По сути, они двумерны: толщина бислоя приближается к 5 нанометрам (то есть он примерно в 20 тысяч раз тоньше обычного листа бумаги), при этом его протяженность может во много тысяч раз превышать толщину. Мембраны пластичны и способны изгибаться в трех измерениях, причем клетки тщательно контролируют их кривизну.

Мембрана может напомнить вам полиэтиленовый пакет: она такая же тонкая и гибкая. Но между ними есть важное различие. Если маркером поставить точку на пакете, отвернуться и снова посмотреть на него через несколько минут, точка останется на прежнем месте. Если проделать то же самое с липидной мембраной, точка расплывется, а затем исчезнет: помеченные молекулы просто разбредутся по мембране. Липидные бислои и клеточные мембраны в целом – это двумерные жидкости. Подобно тому как молекулы воды в жидкости плавают, не зафиксированные друг относительно друга, липиды и белки перемещаются в пределах мембраны. Эта мобильность, как и другие важные физические свойства мембран, обусловлена природой бислоя: липиды не жестко сцеплены друг с другом, а просто объединяются, чтобы оберегать свои гидрофобные части от воды. Ничто не мешает молекулам петлять между соседками, пока гидрофобная сердцевина бислоя не вступает в контакт с водой.

Молекулярная мобильность – удивительная черта: компоненты мембраны могут перегруппировываться, взаимодействовать друг с другом и даже формировать характерные структуры, помогающие клеткам выполнять разные задачи.

Поразительный пример этого можно наблюдать в вашей иммунной системе, когда Т-клетки взаимодействуют с антигенпредставляющими клетками (АПК)². АПК захватывают белки из своего окружения, нарезают их и выставляют фрагменты напоказ, прикрепляя их к своим мембранным белкам, торчащим над клеточной поверхностью[32]. Т-лимфоциты встречаются с АПК, вступают в контакт и изучают представленные им фрагменты, чтобы определить, нормальные ли это молекулы вашего организма или части кого-то чужого, например бактерии или вируса. Во втором случае Т-клетки активируют вашу иммунную систему, подталкивая защитные механизмы к борьбе с очевидным вторжением. Такая реакция на фрагменты чужеродных белков предполагает динамичный молекулярный танец в зоне контакта Т– и АП-клеток: адгезивные белки их мембран связываются друг с другом и начинают сбиваться в группу.

Вокруг них постепенно группируются другие белки – выставляющие или распознающие фрагменты, то есть участвующие в межклеточной сигнализации. Если представить, что взаимодействие двух клеток происходит в плоскости этого листа, то начальная расстановка белков будет выглядеть так, как показано на рисунке слева (адгезивные белки там темные, а сигнальные – светлые). Через несколько минут эта «мишень» инвертируется: сотни сигнальных белков стекутся к центру, а адгезивные окружат их кольцом (правая расстановка).

Эту структуру – иммунологический синапс – обнаружили в середине 1990-х и с тех пор активно изучали, как формируются такие пространственные паттерны и как Т-клетка транслирует их в сигнал собственной активации. Кроме того, ученые обнаружили подобные синапсы и в зонах контакта между иммунными клетками, передающими вирус Т-клеточного лейкоза человека (Т-лимфотропный вирус) либо вирус иммунодефицита человека (ВИЧ, который вызывает СПИД)3. Очевидно, эти вирусы научились взламывать структурообразующий механизм клеток, которые они заражают. Не вдаваясь в тонкости формирования синапсов, отметим лишь, что если бы они не находились в двумерной жидкости, то сигнальные и адгезивные белки Т-лимфоцитов и многие другие мембранные белки прочих клеток не могли бы выполнять динамичные пространственные перестроения, которые требует от них природа.

Белковые и липидные паттерны связаны и с темой предсказуемой случайности. Текучесть мембран позволяет их компонентам перегруппировываться, но привносит факторы неопределенности потока и неупорядоченности. Ни человек, ни клетка не способны знать наперед, где именно окажется каждый липид или белок, но мы можем прогнозировать усредненно свойства целого ансамбля. Глубинную природу случайности и смысл предсказаний прояснит нам шестая глава.

Бислой – не единственная структура, которую могут создавать амфифильные молекулы. Представьте молекулу в форме рожка с мороженым, где шарик мороженого – гидрофильная часть, а палочка – гидрофобная (слева на рисунке). В воде такие молекулы самостоятельно соберутся в сферу, чтобы защитить свои гидрофобные части (справа).

Форма молекулы – ключевой определяющий фактор в самосборке. Большинство липидов в вашем организме скорее цилиндрические, чем конические – их гидрофильные головки и гидрофобные хвосты сопоставимы по ширине, – как раз потому они и группируются в относительно плоский бислой. И все же у небольшой доли клеточных липидов форма отличается от цилиндрической – не настолько, чтобы воспрепятствовать образованию бислоя, но достаточно, чтобы обеспечить изгибание мембраны в сложные структуры.

Вам, возможно, интересно, могут ли амфифилы выстраиваться так, чтобы гидрофильные головки оказывались внутри, а гидрофобные хвосты – снаружи. Да, могут, и вы создаете такие структуры всякий раз, когда пускаете мыльные пузыри.

В оболочке пузыря молекулы мыла выстраиваются по обе стороны от тонкой водной пленки гидрофобными хвостами наружу, к воздуху. На глубинном уровне мыльные пленки и клеточные мембраны схожи – не забывайте об этом, когда моете посуду.

В начале XIX века 30 % смертей в Лондоне вызывал туберкулез4, инфекционное заболевание, которое чаще всего поражает легкие. «Белая чума» поражала и убивала множество людей по всему миру и в первые полтора десятилетия XX века по-прежнему не покидала две верхние строки в списке главных причин смерти в США5. Даже сейчас от туберкулеза умирает около миллиона человек в год6. Эту болезнь вызывает бактерия Mycobacterium tuberculosis. Другая микобактерия, Mycobacterium leprae, вызывает лепру, или проказу, еще один бич человечества, тысячелетиями разъедавший кожу и нервную систему своих жертв, пока не появились современные антибиотики. Микобактерии отличаются потрясающей живучестью. Уже лет 100 мы знаем, например, что M. leprae и M. tuberculosis могут многими месяцами обходиться без воды7. Это озадачивает не только потому, что биохимическая активность клетки немыслима без воды. Если гидрофильные головки липидов не контактируют с водой, то как гидрофильным и гидрофобным взаимодействиям сохранять целостность мембраны и как мембране сохранять целостность бактерии?

Оказывается, у микобактерий очень странные мембраны. Как и у клеток всех остальных организмов, их внутренности ограничены липидным бислоем. Однако снаружи этот бислой покрыт густым гидрофобным гелем, над которым находится еще и монослой липидов, маслянистые хвосты которых направлены внутрь, а гидрофильные головки – наружу. Необычно здесь не только расположение липидов, но и их устройство: у многих молекул к гидрофильным головкам прикреплен сахар трегалоза (на рисунке на него указывает стрелка). Насколько мы знаем, микобактерии и некоторые их близкие родственники – единственные на планете организмы, наделенные трегалозными липидами. Но так ли это важно?

Я узнал об этих микобактериальных мембранах лет десять назад, вскоре после того, как основал свою исследовательскую лабораторию в Орегонском университете. К тому времени я уже несколько лет работал с липидными бислоями, в основном измеряя их жесткость и прочие физические свойства, чтобы понять, на что способны эти материалы. Экспериментируя с сахарами и полимерами, я скооперировался с группой химика Каролин Бертоцци, которая тогда работала в Калифорнийском университете в Беркли. По совпадению они тогда интенсивно изучали, как микобактерии создают трегалозные липиды и другие странные молекулы: группа Бертоцци хотела разобраться в выдуманных природой химических инструментах и научиться выводить их из строя, чтобы побеждать болезни. Именно в ходе этого сотрудничества я впервые услышал о трегалозных липидах и сразу же заинтересовался ими, поскольку трегалоза в иных контекстах слыла чуть ли не волшебным сахаром.

Лишь небольшое число организмов, включая некоторые грибы, растения и даже отдельных животных, способны пережить потерю 99 % воды. Так, «воскресающее растение» плаунок чешуелистный (Selaginella lepidophylla) годами выдерживает почти полную дегидратацию, сворачиваясь в плотный коричневатый шарик, который при поступлении воды «оживает», расправляясь в обычную зеленую розетку листьев. У многих из этих организмов есть кое-что общее: они производят трегалозу, часто в огромных количествах. В сравнении с сахарами вроде знакомых нам глюкозы или сахарозы трегалоза менее склонна кристаллизоваться с ростом концентрации, благодаря чему ее молекулам проще взаимодействовать с другими веществами. Кроме того, трегалоза легко формирует водородные связи – те, что скрепляют молекулы воды друг с другом и с разными гидрофильными молекулами: это позволяет сахару в некоторой степени имитировать воду. Но трегалоза, в отличие от воды, не склонна к испарению. Считается, что все эти свойства делают трегалозу фактором устойчивости к иссушению, и ученые ищут способы использовать ее вне организма – чтобы хранить и транспортировать в высушенном состоянии вакцины и биоматериалы типа клеток крови и ценных белков8. Я задумался: а не приспособили ли микобактерии трегалозный инструментарий в связке с липидами для защиты своей клеточной оболочки от обезвоживания? И как же проверить эту гипотезу?

Нельзя было просто отключить у микробов производство трегалозных липидов, а затем проверять их на прочность: о подобных биохимических механизмах микобактерий мы знаем слишком мало, чтобы их менять. Но даже если бы это было в наших силах, я не горел желанием держать в лаборатории возбудителя туберкулеза. (Как мы позже узнаем, моя группа с удовольствием работала с холерными вибрионами, но холеру легко предупредить, сложно подхватить, просто излечить – в отличие от туберкулеза.) Я выбрал другой подход, который уже десятки лет успешно работал с «нормальными» липидными бислоями: воссоздание искусственных бесклеточных мембран на твердых поверхностях. Обычные липиды можно подтолкнуть к формированию бислоев на очень чистых и ровных стеклах. В силу гидрофильности стекла и липидных головок их разделяет водная прослойка толщиной 1–2 нанометра, позволяя бислою сохранять двумерную текучесть. Нам приходится жертвовать долей реализма целостной клеточной мембраны, зато мы получаем удобную контролируемую платформу для изучения биофизики липидного бислоя.

Мы решили попробовать сконструировать аналогичную мембранную платформу, чтобы имитировать небислойную организацию липидов у M. tuberculosis. Сначала мы химически связали гидрофобные молекулы со стеклянными подложками. Отдельно на поверхности воды, заполняющей специальные кюветы, сформировали монослои липидов с торчащими в воздух гидрофобными хвостами и аккуратно перенесли их на стеклянные подложки так, чтобы хвосты связались с уже нанесенным гидрофобным слоем. Наши монослои состояли из вполне распространенных липидов с нужной долей очищенных трегалозных форм. Как и у живых микобактерий, под монослоем с трегалозными липидами у наших искусственных мембран находился плотный гидрофобный слой.

[30] К органеллам иногда причисляют и рибосомы. Эти молекулярные фабрики по производству белка есть в клетках всех живых существ и всегда лишены мембран.

[31] Цепочки – это остатки длинных жирных кислот.

[32] Это белки главного комплекса гистосовместимости, у человека называемые HLA-антигенами.