Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

  
Глава 5. Мембраны: жидкая кожа
 
Вы развились из единственной клетки – оплодотворенной яйцеклетки. Она разделилась на две клетки, из которых образовались четыре, а затем, после множества делений, перестроений и формоизменений, у вас появилось тело, состоящее из десятков триллионов клеток. И каждая из них ограничена мембраной. Мембрана не только отделяет внутренности клетки от среды, но и служит ареной для контактов клетки с окружением, транспортировки химических веществ и обмена сигналами с соседками.
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.
Как создать мембрану
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.