Первая похожая на современные клетка видимо возникла тогда, когда скопление липидов, или попросту жировая пленка, сомкнулось вокруг сообщества из способных воспроизводить себя молекул. С этого момента внутренние молекулы были отгорожены от внешнего мира и могли без помех заниматься своими делами. При этом ограждение получилось «интеллектуальным», покруче чем современные системы типа «умный дом». Клеточные мембраны обладают уникальными свойствами: они гибкие, способны создавать герметичные объекты, могут изменяться, подстраиваясь под изменения объема или формы содержимого. Две свернутых в пузырь мембраны могут слиться в одну. А одна мембрана наоборот может разделиться на две и более, не упустив при этом ни одной молекулы из тех, которые в ней находятся. Мембраны обладают избирательной проницаемостью, то есть что попало через них не пролезет: будет пропущено только то, что нужно, причем именно тогда, когда это нужно, и в нужном направлении — внутрь клетки из из нее.
Очевидно, что обладающая такими возможностями штука не может не быть сложной, так что одной главы для нее будет недостаточно. Поэтому сначала разберемся с самой внешней из мембран, а потом начнем углубляться в клетку (да, внутри клетки тоже есть мембраны, и даже целые мембранные органеллы!). Несмотря на то, что у каждой клетки есть мембрана, у разных существ они заметно отличаются. Например, у растений и некоторых бактерий есть жесткая оболочка, под которой уже располагается эта мягкая нежная пленка из жира. И очевидно такая мембрана будет отличаться от мембран животных клеток, которые должны активнее выполнять защитную функцию, не имея «наружного скелета» в виде жесткой мембраны.
На первый взгляд окружающая клетку мембрана, или плазмалемма — это просто оболочка, удерживающая клеточное содержимое в одном месте. Где-то же должны быть границы у клетки, вот они и определяются мембраной, и больше про нее сказать нечего. Но такой скучной оболочкой мембрана кажется ровно до того момента, когда ты вспоминаешь, что клетка вообще-то живая — растущая, дышащая и питающаяся штука. А значит, мембрана должна уметь:
? не пропускать внутрь того, что клетке не нужно. И не выпускать наружу ничего из того, что необходимо иметь внутри. Ну вроде простая «функция мешка», но если еще подумать, то становится ясно, что
? клетке нужны очень разные вещи. Это и питательные вещества, которые могут быть крупными молекулами. И отдельные атомы металлов, которые наоборот очень мелкие. Молекулы воды, которые вообще-то не очень хорошо контактируют с жиром, а тут их нужно через слой жира протащить. Ну и соответственно необходимо удалять из клетки разные отработанные вещества. А еще выпускать разные сигнальные молекулы и прочие полезные штуки, которые клетка создает на благо всего организма. То есть в этом мешке должны быть «ворота», специфично подходящие к каждой из этих молекул, причем еще и пропускать эти ворота должны молекулы в нужном направлении и в нужное время.
Даже эти две интуитивно очевидные функции впечатляют. Но оказывается, что это далеко не все, что делает клеточная мембрана:
? Плазмалемма принимает сигналы от других клеток организма: большинство сигнальных веществ не проходит внутрь клетки, а остается прикрепленным к ее поверхности. И именно молекулы мембраны воспринимают сигнал и передают его внутрь клетки.
? Именно на мембране расположены те молекулы, с помощью которых клетки цепляются друг за друга или за внеклеточный матрикс.
? Возле мембраны из-за ее функции транспортировки ионов (электрически заряженных атомов) создается разность электрических потенциалов. С одной ее стороны (обычно снаружи клетки) накапливается положительный, а с другой отрицательный заряды. Это необходимо для очень разных процессов: например, передача электрического сигнала по телу нейрона осуществляется именно за счет такой работы мембраны. Если заглянуть в главу о потенциале действия нейронов, то становится понятно, насколько активно мембрана в его проведении участвует.
Синтез АТФ (молекул, в которых запасается энергия) у бактерий и в наших митохондриях тоже основан на переносе и удерживании ионов с помощью мембран. Причем у бактерий такими вещами занимается плазмалемма, которой приходится выполнять все мембранные функции, ведь внутренних мембранных органелл у нее нет. А у нас в клетках происходит разделение труда между разными мембранами, и митохондрии взяли на себя функцию обеспечения клетки энергией, дав возможность плазмалемме «сосредоточиться» на других делах.
Передача сигнала нервными клетками и синтез энергии — это только самые заметные способы использования разности потенциалов, создаваемой мембранами. Про остальные напишем позже, в специализированных главах.
? В мембранах могут содержаться ферменты, обрабатывающие подплывающие близко к мембране молекулы. Причем эти ферменты могут сидеть как на внутренней стороне мембраны, так и на внешней. Например, клетки, выстилающие поверхность кишечника, именно так и работают: мембранные ферменты находятся на их поверхности, то есть прямо в кишечнике. Там они расщепляют проплывающие мимо крупные молекулы на мелкие составляющие, а потом клетка пропускает получившиеся «обрезки» внутрь себя для дальнейшей обработки и передачи другим клеткам организма.
? На поверхности плазмалеммы клетка выставляет свои «опознавательные знаки«: к какому типу клеток она относится, какие вещества она производит. По ним клетки иммунной системы оценивают, безопасна ли эта клетка, или в ней начались какие-то нежелательные процессы, и пора ей дать команду самоуничтожиться, а то и помочь в этом процессе, если она упорствует и не запускает процесс апоптоза.
В общем, понятно, что клеточную мембрану можно рассматривать как отдельный полноценный орган клетки. Вот и давай рассматривать — начнем с того, из каких молекул она состоит и как они взаимодействуют. Ведь именно на этом основаны все ее свойства.
Главная составляющая часть, основа мембраны — это липидный бислой. Именно он отвечает за создание мембраны как пленки, а всякие протеины, входящие в состав мембраны, приходят и встраиваются в нее. Что такое липиды, мы подробно писали тут. Попросту говоря это молекулы, у которых есть гидрофильная (то есть притягивающаяся к молекулам воды) «головка» и длинный хвост, состоящий из одной или двух-трех молекул жирных кислот. Этот жир не притягивается к молекулам воды, поэтому его называют гидрофобным.
При контакте с водой молекулы липидов собираются в кучки и сворачиваются, как ежики. Если один слой липидов свернулся в каплю, засунув свои хвосты внутрь и выставив наружу головки, то получившаяся мицелла ни на что особенно не способна: в идеале у нее внутри должны остаться только эти самые хвосты, и что с ней вообще делать? Зато если сначала липиды образовали двойной слой, или бислой, расположившись так как на средней схеме картинки, а уже потом этот бислой свернулся в шарик, то получается именно то, что нужно: везикула. Такая мембрана любой своей стороной отлично контактирует с водой, может увеличиваться сколько угодно за счет добавления новых молекул липидов, может делиться, образуя уже два шарика, и так далее. Если у липида только один хвост, то толщина головки обычно больше, чем толщина этого хвоста (смотри на самом левом рисунке верхней картинки), и несколько таких молекул с большой вероятностью соберутся в бесполезную мицеллу. А вот двух- и трех-хвостовые молекулы скорее соберутся в бислой, поэтому наши мембраны в основном из таких липидов и состоят.
Казалось бы, вот она — везикула, бери и пользуйся. Только вот вопрос транспортировки веществ такая чисто липидная штука не решит. Потому что (если развивать аналогию с мешком) — липидная везикула получается «мешком без дырки», через которую в него можно было бы что-то засовывать или, наоборот, доставать лежащие в нем штуки. Поэтому по всей липидной мембране тут и там натыканы разнообразные протеины, создающие поры, каналы, «ворота» и помпы, переносящие через мембрану все многообразие ионов и молекул, которые необходимо переносить.
Пронизывающие клетку протеины — одни из сложнейших и в то же время наиболее доступных для наблюдения и исследования клеточных механизмов. Сравни их с какой-нибудь ДНК-полимеразой, снующей там и тут вдоль хитро свернутых молекул ДНК и копирующей их: чтобы ее изучить, нужно ее отловить, создать условия для работы, а она будет постоянно пытаться пронестись по ДНК дальше. А протеины заякорились в мембране и сидят, можно их разглядывать, общупывать.. ну не напрямую конечно, а добавляя разные молекулы и наблюдая, как они взаимодействуют с этими протеинами. Можно даже, используя метод пэтч-кламп ( patch-clamp method ), изолировать отдельный протеиновый канал, по которому передвигаются ионы металлов, и определять его свойства разными экспериментами. Этот метод заключается в том, что очень тонкая стеклянная пипетка приставляется к клеточной мембране. Чем тоньше пипетка, тем больше вероятность того, что на захваченном ей участке мембраны будет только один канал. А значит, можно оценить, как меняются заряды по обеим сторонам мембраны в зависимости от того, какие вещества добавили в присосавшуюся пипетку.
Например, мы добавляем в пипетку сигнальное вещество IP3: это небольшая молекула, которая имеет очень узкую специализацию. Она связывается с определенным типом каналов, и это приводит к тому, что они открываются и пропускают не что-нибудь, а именно ионы кальция (Са2+). А в пипетку засунут электрод — тонкая проволочка, присоединенная к определяющему величину электрического заряда прибору. Второй электрод расположен внутри клетки. Так что получается такая система: первый электрон в пипеточном растворе, второй — во внутриклеточном, а между ними собственно мембрана и находится. А значит, единственный путь сообщения между этими растворами проходит через протеиновый канал, засосанный в пипетку.
До добавления IP3 электроды показывали, что с внутренней стороны мембраны заряд отрицательный, а с наружной положительный. А после добавления IP3 заряды вдруг поменялись на противоположные. Почему? Тут могут быть два варианта: канал открылся и либо пропустил отрицательные заряды из клетки в пипетку, либо положительные заряды из пипетки в клетку. Чтобы определить, какие это были заряды и какой ион был их переносчиком, изменяем состав жидкости в пипетке и опять добавляем IP3. А потом меняем состав содержимого клетки и опять в пипетку IP3 засовываем (хорошо, что его у нас много) — пока не перепробуем разные варианты и не найдем переносчиков. Например, оставили в пипетке только ионы натрия, а ионы кальция отсосали. Добавили IP3, измеряем заряды по сторонам мембраны: никаких изменений. Значит, именно кальций должен был пройти через этот канал. Все просто.
Есть и другие способы исследования структуры и свойств мембранных протеинов. Один из главных — это определение, из каких аминокислот состоит протеин и в каком порядке они расположены. На основании этого можно делать выводы о том, как эта цепочка аминокислот сворачивается, то есть о пространственной структуре протеина. А зная эту пространственную структуру, можно находить похожие на исследуемый протеины, про которые мы уже знаем кое-что, например какую функцию они выполняют, или как встраиваются в мембрану.
Конечно же не обязательно похожие по структуре протеины будут выполнять очень похожие функции, но хотя бы направление для исследований уже будет задано. Если мы знаем, как выглядит канал, переносящий ионы кальция внутрь клетки кишечника, и мы находим немного отличающийся от него канал в мембране мышечной клетки, то конечно же мы начнем в первую очередь проверять найденный канал на взаимоотношения с кальцием.
Пока хватит про то, какие бывают способы исследования протеинов — эта тема на целый раздел учебника. Главное для нас то, что этими способами ученые определяют разные параметры находящихся в мембране протеинов. И на картинке выше ты можешь видеть плоды их трудов: оказывается, некоторые протеины пронизывают мембрану насквозь и далеко высовывают свои хвосты, а другие просто плавают в ее толще. Третьи заякорены в мембране какой-нибудь длинной молекулой и болтаются возле мембраны или даже над ней, как воздушный шарик. Причем так торчать они могут как внутри клетки, так и снаружи.
Эта схема — что-то вроде моментальной фотографии мембраны, запечатлевшей ее в стазисе, то есть в неподвижности. Но в реальной жизни в мембране постоянно происходят бурные перемещения молекул — и липидов, и протеинов. Липидная часть мембраны напоминает текучую, перемешивающуюся жидкость, в которой плавают протеины. Именно это свойство текучести дает мембране ее уникальную гибкость и способность сливаться с другими мембранами, или разделяться на две части. Главная причина этой гибкости — то, что молекулы липидов соединяются друг с другом не прочными ковалентными связями, а с помощью гидрофобного взаимодействия.
На самом деле называть его именно так не совсем правильно, точнее даже совсем неправильно! И вот почему: взаимодействия гидрофобных частей молекул липидов друг с другом не происходит и происходить не может:). Тем не менее у нас создается иллюзия, что плавающие в воде молекулы жира стремятся друг к другу и слипаются вместе. Чтобы понять, почему это происходит, необходимо поглубже влезть в мембрану и рассмотреть составляющие ее молекулы. А потом оглядеться вокруг.
Если рассмотреть схему липида, то в первую очередь бросается в глаза ее длинный углеродно-водородный хвост (на этой картинке еще сравнительно короткий, бывают в полтора-два раза длиннее!). Так вот этот хвост электрически нейтральный: это значит, что хвосты липидов друг с другом не могут взаимодействовать, притягиваясь за счет разных электрических зарядов, потому что нет на их поверхности этих самых зарядов. А именно электрические заряды молекул являются основой их взаимодействия. То есть жирной кислоте, которая и представляет собой этот электрически нейтральный хвост, совершенно все равно — есть рядом другой такой хвост или нет. Она как болталась сама по себе, так и будет, и не пошевельнется ни в его сторону, ни в противоположную.
Конечно же, у каждой молекулы липида есть заряженная головка, и вот они уже не будут друг к другу так равнодушны: те части, которые несут электрические заряды, будут притягиваться к заряженным головкам других липидов. Но эти головки слишком маленькие по сравнению с хвостами, и возникающих между ними водородных связей недостаточно, чтобы удерживать рядом такие крупные липидные молекулы, тем более в строгом порядке, когда головки выстроены в плоскость, а хвосты болтаются с одной стороны от нее. И тем не менее липиды собираются вместе, образуют пленки, мембраны, мембранные органеллы, значит какая-то причина у этого есть, просто мы ее пока не нашли.
Оказывается, все дело в окружении гидрофобных молекул, то есть в воде. Как ты уже знаешь, если читала главу про ковалентные и водородные взаимодействия, молекулы воды представляют собой диполи: на разных их участках есть слабые положительные и отрицательные заряды, и за счет этого они притягиваются друг к другу — как на картинке слева. Только конечно же они не застывают в таком положении, пока не замерзнут: несмотря на взаимодействия, молекулы жидкой воды постоянно перемещаются, непрерывно разрывая связи с одними и вступая в связи с другими соседними молекулами (надеюсь, после этой фразы наш учебник не запретят на территории РФ). Если одна связь разорвана, то тут же возникает другая. А попавшая между этими дипольными молекулами электрически нейтральная мешает им выстраиваться в такие удобные структуры, где все со всеми взаимодействуют. Вокруг нейтральной молекулы тогда должно образовываться что-то вроде вакуумного пузыря, в котором не будет никаких молекул воды, и такая конфигурация системы «молекулы воды + жирная молекула» энергетически невыгодна.
Сейчас я не буду вдаваться в подробности о том, что именно это означает, иначе глава про мембрану плавно перетечет в параграф атомной физики. Пока достаточно понимать, что такая электрически нейтральная «белая ворона» для молекул воды неудобна: возле каждой вторженки им приходится выстраиваться в неестественную структуру. А вот если придвинуть две такие жирные молекулы друг к другу, то неудобства для молекул воды становятся меньше: ведь теперь нужно образовать всего один пузырь вместо двух. Молекулы воды не стоят на месте, они постоянно движутся и пихают такие мешающие им электрически нейтральные молекулы. Как только две жирные молекулы случайно оказываются рядом, вокруг них образуется общий пузырь, и они уже никуда не расплываются: молекулы воды держатся от них обеих на почтительном расстоянии и не пытаются вклиниться между ними и разлучить. И постепенно за счет случайного движения молекул воды все жирные молекулы оказываются собраны вместе. Так что «убегающий от воды жир» — это иллюзия, появляющаяся в результате того, что молекулы воды своей активностью спихивают липиды в капли и пленки.
Почему жирные молекулы не сбиваются в беспорядочную кучу, а выстраиваются в аккуратную мембрану? Вот тут уже вступают в игру особенности самих липидов: их небольшие заряженные головки могут взаимодействовать и друг с другом, и с молекулами воды. Опять возвращаемся к энергетической выгодности: если собранные вместе липиды поворачиваются к воде электрически нейтральными хвостами, то молекулы воды должны держаться от них подальше, образуя все тот же неудобный пузырь. А если все липиды поворачиваются заряженными головками к воде, то между этими головками и молекулами воды происходят водородные взаимодействия, и все довольны. Хвосты задумчиво покачиваются в центре получившейся структуры и никому не мешают.
Тем не менее хвосты мембранных липидов играют свою роль в поддержании гибкости мембраны, создавая в ней свободную неупорядоченность своими изгибами. Если бы все хвосты были прямыми, то такие молекулы упаковывались бы гораздо плотнее, и мембрана представляла бы собой что-то наподобие пленки из белого сала, образующейся на супе в холодильнике. Это делало бы невозможным выполнение всех тех ее функций, с которыми она успешно справляется, поэтому в мембране много липидов с изогнутыми хвостами. В этой главе мы уже писали о том, что такие изогнутые жирные кислоты, входящие в состав мембранных липидов, называются ненасыщенными.
Но если бы клеточные мембраны состояли только из таких липидов с ненасыщенными изогнутыми хвостами, то они были бы слишком текучими — настолько, что многие протеины в них просто не могли закрепиться, пролетая со свистом через образованную мельтешащими липидами мембрану. Поэтому для придания некоторой жесткости клеточным мембранам в них содержатся и другие, не такие подвижные и изогнутые молекулы. Это и липиды с насыщенными хвостами, и вообще не липидные молекулы. Одна из этих нелипидных — молекула холестерина, которая своими плотными краями прижимает хвосты соседних липидов и лишает их таким образом свободы движений, а значит делает мембрану более плотной.
В клетках нужны и очень подвижные части, и плотные, в которых заякорятся протеины. Такие плотные части называют островками или рафтами. Обычно мембраный рафт образуют липиды с хвостами из насыщенных жирных кислот: уже за счет того, что они не изгибаются, достигается бóльшая жесткость такого участка мембраны. А натыканный там и тут холестерин еще больше эту жесткость увеличивает. Те протеины, которые участвуют в создании межклеточных контактов, находятся именно на этих областях мембраны: ведь им нужно не просто закрепиться, но еще и удерживать клетку на ее месте среди других клеток и молекул. А то и участвовать в ее передвижении, если это мембрана какого-нибудь фагоцита, упорно ползущего за пытающейся ускользнуть бактерией.
Если твой мозг несколько устал от обилия информации, то можешь отвлечься и поразмышлять над вот этим фактом: клетки твоего тела, содержащие человеческий геном, способны передвигаться, выслеживая добычу и гоняясь за ней, как амебы.
Итак, про пронизывающие мембрану протеины понятно в общих чертах, зачем они нужны: это всякие переносчики ионов и молекул, крепления для межклеточных контактов. А вот при взгляде на такие болтающиеся возле мембраны «воздушные шарики», как на схеме мембранного рафта, возникает легкое недоумение. Чтобы недоумение усилилось, посмотри на картинку слева: оказывается, снаружи на клеточной мембране животных клеток болтается не парочка таких «шариков», а очень много всего. Фактически клетка покрыта «растущей» из мембраны шерстью из протеинов и разных молекул сахаров, которая называется гликокаликс. У растений и грибов такой шерсти нет, у них свои особенности клеточных взаимодействий внутри многоклеточного организма. А у животных гликокаликс выполняет самые разные функции: например, там содержатся «паспортные молекулы» клетки и разные рецепторы. Еще с помощью гликокаликса происходит регулирование того, какие молекулы достигнут клеточной мембраны и провзаимодействуют с ее рецепторами и каналами.
Особенно интересно то, как свою «шерсть» используют клетки, выстилающие полость кишечника. У них в гликокаликсе находятся ферменты, расщепляющие плавающие в полости кишки крупные молекулы питательных веществ на мелкие. Делают они это потому, что крупные молекулы просто не смогут протиснуться в мембранные каналы клеток эпителия (так называются те клетки, которые выстилают все поверхности и полости тела млекопитающего, в том числе и кишечник). Зато мелкие молекулы переносятся мембранными каналами внутрь клеток эпителия, которые расщепляют их еще больше и передают в кровь, которая разносит их по всему организму.
Возникает вопрос: почему живущие в кишечнике бактерии (которых, как ты знаешь, там в общей сложности около двух килограммов) вообще тратят свои бактериальные силы на какие-то там манипуляции с молекулами, если они фактически купаются в бульоне из аккуратно нарезанной еды, которую осталось только всосать? А потому, что кишечный эпителий не так просто устроен, чтобы предоставить бактериям такую возможность. Если ты посмотришь на него в микроскоп, то увидишь, что весь кишечник изнутри покрыт ворсинками (как на фото справа). Такая структура увеличивает поверхность кишечника в несколько раз, а чем больше его поверхность, тем больше на ней расположено этих самых обрабатывающих еду эпителиальных клеток. А чем больше этих клеток, тем эффективнее выцепляются питательные вещества из содержимого кишечника. И эти многочисленные клетки выбрасывают свои ферменты не куда попало, а в узкие щели между ворсинками. Там и молекулы питательных веществ легко застревают, и бактериям туда пролезть сложно. Так что получающийся бульончик остается «только для своих» и попадает прямо к тебе в кровь.
Еще один прикольный эффект мембранной текучести — то, что клетка может жить на одном месте годами, и ее мембрана находится на одном месте, и вроде бы ничего не изменяется, но.. среднее время жизни мембранных протеинов около трех дней, а липидный состав мембраны меняется еще быстрее. И так со всеми мембранами каждой клетки твоего тела! А ведь клеточное содержимое тоже постоянно обновляется, так что неудивительно, что за один год в твоем теле заменяются на новые 98% составляющих его атомов.
Такая скорость обновления мембран приводит к тому, что особенности твоего питания немедленно на них сказываются. Например, чем больше ты съедаешь ненасыщенных жирных кислот, тем более гибкими становятся мембраны в каждой твоей клетке. А иметь гибкие мембраны — это хорошо, поэтому в моде на ненасыщенные жирные кислоты есть рациональное зерно. Из-за особенностей нашего рациона практически невозможно создать переизбыток ненасыщенных жирных кислот, который негативно влиял бы на мембраны. Потому что насыщенных жиров и холестерина мы потребляем намного больше, и клетки имеют эти молекулы в достаточном количестве, чтобы придавать жесткость мембранам там, где это необходимо. Если съедать слишком много холестерина, то мембраны становятся более жесткими, чем нужно. А это негативно сказывается на их проницаемости для тех молекул, которые все-таки способны пролезать между липидами без всяких каналов: прежде всего это углекислый газ (СО2) и кислород (О2). И клетки фактически начинают задыхаться: мы ведь не просто так вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ — именно так дышат клетки, из которых мы состоим.
Но не стоит выкидывать из холодильника всю оскверненную присутствием холестерина колбасу! Недостаток холестерина тоже негативно сказывается на мембранах, становящихся слишком жидкими. А между прочим основные потребители этой молекулы — мембраны нейронов и вспомогательных клеток, создающих миелиновые оболочки вокруг их аксонов. Без миелина, намотанного на отростки нервных клеток, они настолько хуже проводят сигнал, что это является причиной тяжелейших заболеваний типа рассеянного склероза. Мозг составляет всего около двух процентов веса нашего тела, при этом потребляет четверть всего поступающего в это тело холестерина. Так что не стоит лишать себя и свой мозг этих молекул. Оставляй колбасу, но помни, что обработанное мясо типа колбасы и сосисок считаются канцерогенами, так что не злоупотребляй ими.
Можешь еще раз пробежать глазами краткий список мембранных функций в начале этой главы: каждая из них сейчас будет вызывать некое смутное узнавание, будут возникать разные образы-идеи из подробных описаний этих функций, которые ты прочитала. Этого достаточно, чтобы следующая глава о любой мембране была изначально более понятной, и ты всегда можешь использовать эту главу как справочную, читая про какой-нибудь эндоплазматический ретикулум. Это не ругательство, а название одной из мембранных органелл, нежно окутывающей клеточное ядро и дающей пристанище полчищам рибосом. Про нее и будет следующая мембранная глава.