Клеточные мембраны

Вместе с Британским Советом мы подготовили проект «Британские ученые», посвященный истории британской науки. В этой лекции профессор молекулярной биологии Кембриджского университета Ричард Хендерсон рассказывает о структуре эукариотической клетки и роли клеточной мембраны.

Клеточные мембраны играют важную роль. Они существуют уже 4 миллиарда лет с тех пор, как развились самые первые клетки на ранних стадиях эволюции жизни. Клетки стали играть более заметную роль, но ключевая особенность клеток в том, что они окружены оболочкой, которая отделяет их от внешнего мира. Таким образом, ключевая функция клеточной мембраны — отделить внутреннее содержимое клетки, которое контролируется процессами жизнедеятельности, от внешнего окружения, среды. И с течением времени у клеточной мембраны появились новые функции, позволяющие клетке приспособиться к большому миру.

В течение многих лет не было известно, из чего состоит клеточная мембрана. Было известно только то, что это барьер между содержимым клетки и окружающей средой. Но около ста лет назад Гортер и Грендель, изучая красные кровяные тельца в человеческом теле, выделили из них жиры (липиды), которые, как теперь известно, являются одним из компонентов мембраны. И они показали, что в клеточной мембране достаточно молекул липидов, чтобы сформировать два полных слоя оболочки вокруг клетки, что дало начало теории липидного бислоя. Эта теория заключается в том, что клеточная мембрана состоит преимущественно из молекул липидов, имеющих гидрофобную (что значит ‘водоотталкивающий’) и гидрофильную (‘любящий воду’) части. Гидрофобная часть — это жиры, а гидрофильная — сахара, фосфаты и тому подобные соединения. Итак, в мембране есть эти молекулы, липиды, у которых есть гидрофобная и гидрофильная части, и они соединяются, образуя бислой. Липидный бислой окружает клетку. И в течение некоторого времени этим исчерпывались наши знания о клеточной мембране.

Но примерно половина вещества клетки — это белки, то есть клетка состоит из белков и липидов. Приблизительно в 1935 году Даусон и Даниэлли развили первоначальную теорию липидного бислоя, выдвинув гипотезу о том, что клеточная мембрана состоит из липидного бислоя и белка на обеих его поверхностях. И эта теория также продержалась некоторое время, пока в середине 1970-х годов Сингер и Николсон не выдвинули более сложную теорию, которая до сих пор остается общепринятым описанием клеточной мембраны и ее структуры. Эта теория получила название «жидкостно-мозаичная модель строения мембраны». Согласно этой модели, мембрана — это двумерная жидкость, в которой липиды составляют бислой, а между молекулами липидов рассеяны молекулы белка, растворяющиеся и плавающие в липиде. Некоторые из этих молекул белков слабо прикреплены к внешней стороне, некоторые — к внутренней, а другие полностью пронизывают мембрану. Марк Бретчер, работавший в то время в лаборатории молекулярной биологии при Совете по медицинским исследованиям Великобритании, был первым, кто показал, что различные мембранные белки — снова в красных клетках крови — могут пронизывать мембрану. Эти два белка — гликофорин и белок полосы 3 (это их названия): белок полосы 3 транспортирует ионы через мембрану, а гликофорин отмечает присутствие сахара. К тому моменту было известно, что есть липидный бислой, есть связанные с ним белки, но эта работа показала, как именно белки с ним связаны.

Затем, в середине 1970-х — середине 1980-х, ученые начали исследовать белки и то, как они включены в мембрану. В работе, которую я провел с Найджелом Анвином в 1975 году, мы в первый раз установили с низким разрешением структуру мембранного белка, называющегося бактериородопсин, а затем, спустя около десяти лет, структуру еще одного мембранного белка из реакционных центров бактерий и зеленых растений, которые поглощают свет и превращают световую энергию в другие формы клеточной энергии. Из структур этих двух мембранных белков складывалась картина структуры белков с полипептидной цепочкой (белки состоят из полипептидов). Полипептид пересекает мембрану в обе стороны в форме спиральной структуры — это альфа-спирали, гипотезу о существовании которых выдвинул Лайнус Полинг в 1950 году и которые были найдены в миоглобине — самой первой структуре белка, но не в самой мембране.

Итак, мы продвинулись от понимания структуры некоторых немембранных белков к пониманию структуры первых двух мембранных белков. Со временем наше понимание природы клеточной мембраны стало более подробным, и теперь мы знаем, к примеру, что липиды, которые ранее были просто общим классом, — мы знаем отчасти из работ Марка Бретчера, отчасти из последующих работ, что все гликолипиды (те гидрофильные/гидрофобные молекулы липидов с молекулой сахара — «гликолипид» значит ‘с молекулой сахара’) находятся на внешней поверхности и обращены к внешнему миру, а на внутренней поверхности есть кислотные или цвиттер-ионные (что значит, что в них есть оба заряда) молекулы — они обращены к внутренней поверхности. И теперь известны тысячи мембран, у каждой из которых своя структура, и у мембранных белков разные функции. Таким образом, мембрана выполняет множество различных функций, каждая из которых катализируется или активируется небольшой молекулярной машиной — либо одной молекулой белка, либо белковым комплексом.

Итак, все функции мембраны: восприятие внешнего мира, транспортировка молекул из клетки или в нее или же передача сигнала внешнему миру — каждая из функций мембранных белков, помогающих клетке коммуницировать и взаимодействовать с внешним миром, выполняется всеми этими разными молекулами белка.

С развитием жизни от одноклеточных организмов к более продвинутым эукариотам в соответствии с дарвиновской теорией естественного отбора появилось множество различных видов специализированных мембран, и в нормальной клетке (например, в клетке человека или другого эукариотического организма) существует много типов мембран, характеризующих разные подструктуры клетки. Например, в клетке есть ядро, у которого есть мембрана, ядерная мембрана; есть митохондрии (энергетический центр клетки, производящий АТФ), у которых есть две разные мембраны… Считается, что митохондрии и хлоропласты — две клеточные органеллы — появились в результате захвата раннего типа бактерий другим одноклеточным организмом — это так называемая эндосимбиотическая теория, общепринятая в наше время. Это две органеллы, но есть еще эндоплазматическая сеть, где молекулы синтезируются в рибосомах и выделяются в клетку, или встраиваются в мембрану, или выделяются через аппарат Гольджи и лизосомы во внешний мир. И теперь у нас есть более глубокое понимание того, как работает клеточная мембрана, основанное на работе отдельных белков, вырабатываемых в клетке под контролем ДНК и позволяющих клетке нормально функционировать и взаимодействовать с внешним миром. Вот более-менее приличное описание клеточной мембраны.

Есть интересный вопрос: в чем разница между мембранами, которые окружают клетку (одиночными мембранами), и мембранами, которые формируют отделы внутри клетки? Есть приблизительно десять или двенадцать хорошо описанных типов мембран, и, конечно же, каждому из них можно было бы посвятить отдельную лекцию, но давайте по крайней мере кратко опишем их.

Итак, вначале были одноклеточные организмы с одиночной мембраной, сообщающейся с окружающим миром. С развитием жизни многие из этих бактерий развили двойную мембрану. Так, в бактериях есть внутренняя и внешняя мембрана. Внутренняя мембрана обычно выполняет наиболее сложноосуществимые виды деятельности клетки: транспортировку, распознавание, передачу сигналов и так далее. Внешняя мембрана, напротив, чаще всего является защитным слоем, то есть у бактерии есть клеточная стенка или внешняя мембрана, не такая сложная по своим функциям, играющая роль буфера, защищающего клетку от враждебных условий внешней среды. Это у бактерий. И далее возникают высшие формы жизни, многоклеточные организмы, и здесь появляются ткани, клетки, органоиды и так далее — множество разных типов клеток: клетки почек, клетки печени, клетки сетчатки, клетки мозга, нейроны… И каждая из этих клеток организована по-своему.

Но у многих эукариот общая структура клетки одинакова: ядро клетки, митохондрии и в растениях хлоропласты, которые производят энергию и отвечают за большую часть энергетического бюджета клетки — создание и поглощение энергии в клетках. Митохондрии и хлоропласты — это специализированные органеллы, у которых есть своя функция, и опять же у каждой из них есть внутренняя и внешняя мембрана. Можно было бы прочитать целую лекцию о том, как работают митохондрии, но в целом они поглощают питательные вещества, перерабатывают их, производят АТФ. АТФ — это молекула, которая представляет собой химическое хранилище энергии. Обычно ее называют энергетической валютой клетки, которая затем выходит в цитоплазму и используется в деятельности клетки. В АТФ есть фосфатная группа на конце молекулы, и, когда она «отрезается», АТФ превращается в АДФ, которая затем возвращается в митохондрию, «перезаряжается» и отправляется обратно, так что у митохондрии есть АДФ/АТФ-транслоказа, которая обменивает эти две молекулы друг на друга и «заряжает» клетку. Таким образом, митохондрии производят всю энергию в клетке. Хлоропласты же поглощают свет и затем превращают его сначала в мембранный потенциал, который превращается в ту же АТФ, а она, в свою очередь, выходит в клетку&

В эукариотических клетках есть ядро, содержащее ДНК. Ядерная мембрана отделяет ядро от цитоплазмы; ДНК транскрибируется в  РНК, которая отправляется в цитоплазму, а в рибосомах транслируется для создания белков, выделяющихся либо в цитоплазму, либо через эндоплазматическую сеть — еще одну мембранную структуру, находящуюся в цитоплазме, а в эндоплазматической сети в эукариотических клетках белки или включаются в мембрану, или проходят через внутреннюю часть эндоплазматической сети, а затем — через аппарат Гольджи, и многочисленные везикулы попадают наружу клетки. Таким образом, есть пути секреции, организованные разными мембранами, и в каждой из мембран есть свой белок, который задает свойства мембраны.

Но что еще неизвестно (и это один из секретов, разгадка которых может быть целью для молодых ученых, желающих получить Нобелевскую премию), так это то, что делает аппарат Гольджи аппаратом Гольджи или эндоплазматическую сеть эндоплазматической сетью. Мы знаем, что это самоорганизующаяся система, но нам не хватает теории, которую множество клеточных биологов и нейробиологов в нашей лаборатории и во многих других местах по всему миру хотели бы понять. В области клеточных мембран это, пожалуй, самая большая нерешенная проблема: что именно в каждой клетке задает характеристики каждого типа мембраны? Разумеется, когда мембрана создана, мы знаем, как она работает, мы знаем составляющие ее белки, но что контролирует этот процесс, как эндоплазматическая сеть становится эндоплазматической сетью, как клеточная мембрана остается клеточной мембраной, как аппарат Гольджи остается аппаратом Гольджи — это нераскрытая тайна, разгадывать которую нам предстоит в будущем.