важную роль в жизни клетки играют липиды так как они

Контрольная работа к промежуточной аттестации по биологии в 10 классе за I полугодие

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Контрольная работа к промежуточной аттестации по биологии в 10 классе за I полугодие

Часть А (задания с одним правильным ответом)

1) Все ферменты являются :

а) углеводами б) липидами в) аминокислотами г) белками

2) Строительная функция углеводов состоит в том, что они:

а) образуют целлюлозную клеточную стенку у растений в ) являются биополимерами

б) способны растворяться в воде г ) служат запасным веществом животной клетки

3) Основная функция жиров в клетке:

а) транспорт веществ в) входят в состав биологических мембран

б) ускорение химических реакций г) двигательная функци я

4) Основной функцией углеводов в сравнении с белками является:

а) строительная б) защитная в) каталитическая г) энергетическая

5) Какой углевод входит в состав нуклеотидов РНК?

а) рибоза б) глюкоза в) урацил г) дезоксирибоза

6) К полимерам относятся:

а) крахмал, белок, целлюлоза в) целлюлоза, сахароза, крахмал

б) белок, гликоген, жир г) глюкоза, аминокислота, нуклеотид.

а) фотосинтез б) синтез белков в) синтез жиров г) синтез АТФ

8) Генетическая информация бактериальной клетки содержится в :

а) белке б) цитоплазме в) нуклеотиде г)ядре

а) корня дуба б) печени орла в) плодового тела трутовика г) листа садовой земляники

а )митохондрий б) цитоплазмы в) ядра; г) рибосом

11). Какие органеллы цитоплазмы имеют двухмембранное строение?

а) ЭПС б) митохондрии в) рибосомы г) комплекс Гольджи

12) Главные отличия клеток прокариот от эукариот:

а) наличие ядерной оболочки б) отсутствие ядерной оболочки, в) наличие ядрышка г) способ питания

13) Углеводы при фотосинтезе синтезируются из:

а) О2 и Н2О; б) СО2 Н2; в) СО2 и Н2О; г) СО2 и Н2СО3.

а) ренатурацией; б) репарацией; в) дегенерацией; г) денатурацией.

15). Исключите лишнее понятие:

а) радикал; б) аминогруппа; в)карбоксильная группа; г) глюкоза

1.Задание с выбором нескольких правильных ответов

В состав молекулы ДНК входит

А) фосфорная кислота Б) аденин В) рибоза Г) дезоксирибоза Д) урацил Е) катион железа

2. Установите соответствие между функцией соединения и биополимером, для которого она характерна. В нижеприведенной таблице под каждым номером, определяющим позиции первого столбца, запишите букву, соответствующей позиции второго столбца.

1) образование клеточных стенок А) полисахарид

2) транспортировка аминокислот Б) нуклеиновая кислота

3) хранение наследственной информации

4) служит запасным питательным веществом

5) обеспечивает клетку энергией

В чем проявляется сходство хлоропластов и митохондрий?

Часть А (задания с одним правильным ответом)

1) Мономером белка является:

а) глюкоза, б ) жирная кислота в) аминокислота г) нуклеотид.

2) Важную роль в жизни клетки играют липиды, так как они:

а) являются ферментами в) служат источником энергии

б) поддерживают постоянную среду в клетке г) растворяются в воде.

3) Какие пары нуклеотидов образуют водородные связи в молекуле ДНК?

а) аденин и тимин в ) гуанин и тимин

б) аденин и цитозин г) аденин и урацил

4) Защитная функция белков проявляется в том, что они:

а) подвергаются разрушению в) служат антителами

б) участвуют в построении клетки г) транспортируют газы

5) Какое запасное питательное вещество, служит энергетическим резервом клетки?

6) К мономерам относятся:

а) крахмал, белок, целлюлоза в) целлюлоза, сахароза, крахмал

б) белок, гликоген, жир г) глюкоза, аминокислота, нуклеотид

7)Какое строение имеют митохондрии?

а) одномембранное б) двухмембранное в) немембранное

8). Основное отличие прокариот от эукариот связано с отсутствием у прокариот:

а)рибосом б) ДНК в) клеточного строения г) настоящего ядра

9). Какие органеллы цитоплазмы имеют двухмембранное строение?

а) ЭПС б)пластиды в)рибосомы г) комплекс Гольджи

10) У каких клеток поверх наружной клеточной мембраны находится целлюлозная стенка?

а) растительная, б) животная

а) целлюлоза; б) крахмал; в) глюкоза; г) гликоген.

а) аминогруппа и карбоксильная группа; б) только радикал;

в) только карбоксильная группа; г) радикал и карбоксильная группа

а) 170; б) 26; в) 20; г)10.

а) первичную; б) вторичную; в) третичную; г) четвертичную.

а) азотистые основания; б) дезоксирибоза и рибоза; в) азотистые основания и фосфатные группы; г) нуклеотиды.

1.Задание с выбором нескольких правильных ответов.

В состав молекулы РНК входит

А )рибоза Б) гуанин В) катион магния Г) дезоксирибоза Д) аминокислота Е) фосфорная кислота

2. Установите соответствие между функцией соединения и биополимером, для которого она характерна. В нижеприведенной таблице под каждым номером, определяющим позиции первого столбца, запишите букву, соответствующей позиции второго столбца.

1) хранение наследственной информации А) белок

2) образование новых молекул путем самоудвоения Б) ДНК

3) ускорение химических реакции

4) является обязательным компонентом мембраны клетки

5) обезвреживание антигенов

Почему бактерии относят к прокариотам?

Ответы к контрольной работе. 10 класс

1 вариант В1: а,б,г В2: А: 1,4,5 Б: 2,3

2 вариант В1: а,б,е В2: А: 3,4,5 Б: 1,2

1 вариант: 1.В чем проявляется сходство хлоропластов и митохондрий?

Ответ: 1) двумембранные органоиды; 2) содержат собственную ДНК; 3)имеют рибосомы

2 вариант: 1. Почему бактерии относят к прокариотам?

Ответ: Потому что в их клетках отсутствует оформленное ядро

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

Курс профессиональной переподготовки

Биология: теория и методика преподавания в образовательной организации

Номер материала: ДВ-012596

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами

Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно

СК предложил обучать педагогов выявлять деструктивное поведение учащихся

Время чтения: 1 минута

Путин попросил привлекать родителей к капремонту школ на всех этапах

Время чтения: 1 минута

Вузам Москвы и Подмосковья рекомендовали с 8 ноября ввести смешанный формат обучения

Время чтения: 1 минута

Минобрнауки разработало концепцию преподавания истории российского казачества

Время чтения: 1 минута

В Воронежской области ввели масочный режим в школах

Время чтения: 2 минуты

В Башкирии школьные каникулы продлили до 14 ноября

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник

Важную роль в жизни клетки играют липиды так как они

Известно, что все живые организмы состоят из клеток. В современном виде основное положение клеточной теории можно сформулировать так: Клетка – основная структурно-функциональная и генетическая единица всех живых организмов и наименьшая единица живого [14]. Рост и воспроизведение, наследственность и изменчивость – вот эти главные признаки жизни реализуются только на клеточном уровне.

Клетка является открытой системой, при этом ее основной молекулярный состав остается более или менее постоянным. В клетке содержатся минеральные и органические вещества. Основную массу клетки составляет вода – 70-80 %, а минеральных солей всего – 1-1,5 %. Органические вещества представлены белками – 10– 0 %; липидами – 1– %; углеводами – 0,2–2 % и нуклеиновыми кслотами – 1–2 % [20].

В данной работе из числа всех перечисленных веществ нас интересует роль воды и липидов в организации живой материи.

Согласно теории биохимической эволюции Опарина – Холдейна, которая поддерживается большинством исследователей [1,2], жизнь зародилась в воде первичного океана, которая содержала большое количество белковоподобных веществ – пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений. Они образовали высокомолекулярные комплексы – коацерваты или коацерватные капли, которые обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. Появление мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и, обладающей способностью к избирательной проницаемости, предопределило направление дальнейшей химической эволюции, по пути, развития все более совершенных саморегулирующихся систем, вплоть до возникновения первых клеток [13].

Таким образом, первые живые существа были водными организмами. В процессе длительной эволюции живые организмы вышли на сушу, но, как остроумно заметил Вальтер Г. [5], они «взяли с собой воду», то есть, практически остались водными организмами. Так, высшие растения содержат от 70 до 80 %, сочные плоды до 95 % воды от сырого веса. Общее содержание воды в теле животных колеблется от 50 % до 80 % живой массы.

Роль воды в жизнедеятельности живого организма огромна. Она участвует прямо или косвенно во всех жизненных процессах. Основная масса воды в организме выполняет роль среды, в которой проходят эти процессы. Биохимические реакции, как правило, проходят в растворах воды. И в этом отношении вода является единственной жидкостью, которая обеспечивает оптимальные условия для организации этих жизненно важных биохимических процессов. Она осуществляет связь органов, координирует их деятельность в целостном растении. Вода входит в состав мембран и клеточных стенок, составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру, устойчивость входящих в состав цитоплазмы коллоидов, обусловливает определенную конформацию молекул белка.

Высокое содержание воды придает содержимому клетки (цитоплазме) подвижный характер. Являясь растворителем, вода обеспечивает транспорт веществ по растению и циркуляцию растворов. Вода – непосредственный участник многих химических реакций. Все реакции гидролиза, многочисленные окислительно-восстановительные реакции (фотосинтез, дыхание) идут с участием воды. Вода защищает растительные ткани от резких колебаний температуры. Обеспечивает упругое тургесцентное состояние растений, с чем связано поддержание формы травянистых растений, ориентация органов в пространстве [15].

Одна важная роль воды – участие в формировании клеточных мембран, которое основано на амфифильности фосфолипидов, т.е. на способности фосфолипидов автоматически формировать полярную поверхность мембраны и гидрофобную внутреннюю фазу [6]. Кроме того, вода еще выполняет регуляторную функцию [17].

Из вышеизложенного видно, что если бы не было воды, не было бы и жизни на Земле.

Другими важнейшими компонентами клетки явлются липиды. В организме липиды выполняют энергетическую, защитную, регуляторную и биоэффекторную функции [8]. Однако, главной в жизнедеятельности организмов является структурообразующая функция липидов. Дело в том, что липиды образуют основу клеточных мембран. В 1 мкм² биологической мембраны содержится около миллиона молекул липидов. В образовании этих структур участвуют фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.

Основную структурную роль в биологических мембранах играют фосфолипиды, где они образуют бислой. В мембранах животных клеток они составляют более 50 % всех липидов.

Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, невозможно представить без биомембраны, регуляцирющей обмен веществ между клеткой и средой, а также между различными отсеками (компартментами) внутри самой клетки. Мембрана обеспечивает взаимодействие клетки с внешней средой, избирательно пропуская многие вещества, кроме того, является средой протекания множества биохимических процессов.

Согласно жидкостно-мозаичной модели биологической мембраны [23], мембранные липиды создают жидкую среду для мембранных белков, в которой они могут функционировать. По степени влияния на структуру бислоя и по силе взаимодействия с ним мембранные белки делят на интегральные, полуинтегральные и периферические. Белки в мембране выполняют структурные, каталитические, рецепторные и транспортные функции. В составе мембран могут быть углеводы, которые не представлены самостоятельными соединениями, а обнаруживаются только в соединении с белками (гликопротеины) или липидами (гликолипиды). Углеводы в биомембранах выполняют функции контроля за межклеточными взаимодействиями, поддержания иммунного статуса, рецепции, обеспечения стабильности белковых молекул в мембране.

Любая клетка (прокариотическая, эукариотическая) окружена мембраной – плазмолеммой. Большинство органоидов клетки имеют мембранное строение. Мембранные органоиды делятся на двумембранные и одномембранные. Двумембранным, которые имеют наружную и внутреннюю мембрану, относятся: ядро, митохондрии и пластиды (хлоропласты, лейкопласты и хромопласты). Одномембранные – гладкий и гранулярный эндоплазматческий ретикулумы, Аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоль микросомы (пероксисома, глиоксисома и сферосома). Кроме того, все продукты синтеза внутри клетки транспортируются в мембранной оболочке [10].

Биомембрана, участвуя в образовании внешней оболочки и оболочек основных органоидов клетки и их внутренних мембранных структур, в частности, ламеллы – в хлоропластах, кристы – в митохондриях, перегородки в плазмолитической сети, выполняет важнейшие функции, обеспечивающие ее жизнедеятельность и, тем самым, организма в целом.

Мембраны выполняют барьерную функцию, механически отделяя клетки и их органоды от внешнего пространства.

Одна из главных функций мембран – участие в переносе веществ. Этот процесс обеспечивается при помощи трёх основных механизмов: простой диффузией, облегчённой диффузией (пассивные виды транспорта, они идут без затраты энергии) и активным транспортом, который идет с затратой энергии – при помощи спецальных белков переносчиков. А также и везикулярным путем.

Следующая функция – обеспечение процессов трансформации и запасания энергии (фотосинтез и тканевое дыхание – локализованы в мембранах хлоропластов и митохондрий, а у бактерий – в плазмолемме).

Немаловажная функция мембран – способность генерировать биоэлектрические потенциалы за счет неравномерного распределения ионов по обе стороны мембраны.

Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них.

Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия. Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма, как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития [3,11].

Исследователи, особенно в последнее время, стали осознавать крайне важную роль липидов в жизнедеятельности организмов и начали широко внедрять новые технологии анализа липидов, активно использовать методы генной и белковой инженерии, что позволяет прогнозировать прорыв в липидологии в XXI веке. Об этом говорили руководители и участники I-й и II-й виртуальной международной научно-практической конференции по липидологии «Липидология – наука XXI века»(2013, 2014 гг.) [4]. Конференции были организованы Cистемой виртуальных миров Pax Grid совместно с лабораторией оксилипинов Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН [7], крупнейшего центра физико-химической биологии и биотехнологии в России.

Развивается отдельная область знания – липидомика – научная дисциплина, предметом которой является полная характеристика молекулярных видов липидов и выяснение их биологической роли в отношении экспрессии генов белков, вовлеченных в метаболизм и функции липидов [21].

Подчеркивая особую роль липидов в организации и деятельности живых систем, стали говорить о липидах, как о фундаменте жизни [19].

Несмотря на это, липиды еще не получили достойную оценку, в частности, в многочисленных определениях понятия что такое жизнь [12,16].

Учитывая роль воды и липидов в зарождении и организации живой материи, о которой речь шла выше, а также признавая клетку как единицу жизни, мы попытались дать новое определение понятия живой материи. За его основу нами взята определение понятия жизни, данное М.В. Волькенштейном: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот», которое, наряду с классическим определением Ф.Энгельса, часто приводится в учебниках и других публикациях [2,9],

Солгасно нашему определению, живая материя представляет собой открытую, саморегулирующуюся и самовоспроизводящуюся систему, элементарной структурной и функциональной единицой которой является клетка, где в качестве важнейших рабочих и конструкционных веществ выступают белки, нуклеиновые кислоты и липиды, способные сохранять свою целостность и активность в водной среде.

Из рассматриваемого определения следует, что вероятность занесения жизни из-за пределов нашей планеты чрезвычайно низка, и жизнь действительно зародилась на Земле. Поступающие на Землю органические вещества, в том числе, даже РНК и ДНК, могли только ускорить процесс зарождение жизни, так как вне клетки жизнь не существует. Убедительным тому примером могут служить вирусы, которые проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку. Из определения также вытекает, что живая материя является продуктом эволюции, которая шла по схеме: коацерваты – клетка – одноклеточные – колониальные – многоклеточные – прокариоты – эукариоты и многообразие видов последних, которые ныне существуют на Земле.

Новое определение дает более полную характеристику живой материи, чем многие предыдущие, и будет полезным для студентов при изучении курсов общебиологических дисциплин, в частности, курса цитологии. Например, всю структуру преподавания курса цитологии можно построить на основе нового определения понятия живой материи – клеточная теория строения живых организмов, зарождение живой материи в »бульоне» первичного океана и ее дальнейшая эволюция, значение компонентов молекулярного состава клетки, роль липидов и воды в строении и функционировании биомембраны, мембранные органиоиды клетки, роль липидов и воды в сохранении структуры и функционировании нуклеиновых кислот и белков и т. д..

Гипобиология, которая изучает гипобиоз у организмов [18], рассматривает это явление, как результат физического и физиологического обезвоживания. Физиологическое обезвоживание наступает при охлаждении организма ниже +40С, когда структура воды превращается из жидкой в жидко-кристаллическую или в состояние «жидкого льда». Жидко-кристаллическая вода, благодаря своим параметрам, не может проникать через мембраны, становится физиологически инертной и перестает выполнять свойственные ей важнейшие функции в организме. В физиолого-биохимических процессах также не участвуют иммобилизованная и, так называемая, связанная вода.

Физиологическое обезвоживание равнозначно физическому, только весь парадокс заключается в том, что в это же время в организме может содержаться значительное количество воды, которая для него становится чужеродным веществом, простым балластом. Из этого можно сделать еще одно очень интересное заключение. Получается что, в свете нового определения понятия живой материи, у организма, находящегося в состоянии гипобиоза, тем более и анабиоза, не выполняется критерий живого из-за отсутствия воды, и организм временно переходит из категории живого существа в категорию неживого.

Очевидно, чтобы быть здоровым, человек должен потреблять в пищу достаточное количество насыщенных и ненасыщенных жиров, в идеале, близких по составу к тем липидам, которые входят в состав биомембран, с целью удовлетворения потребности организма для поддержания нормальной структуры и функционирования всех мембран своих клеток. Как считает Dr. Dwight Lundell [22], кардиохирург с 25-летним стажем, ожирение, а также травмы и воспаление кровеносных сосудов, приводящих к сердечным заболеваниям, вызваны диетой с низким содержанием насыщенных жиров и высоким содержанием полиненасыщенных жиров, особенно омега-6 и углеводов. Такая диета рекомендуетсяй в течение многих лет традиционной медициной.

Автор понимает, что живая материя очень многогранна в своих проявлениях, и дать точное и всеобъемлющее определение понятия живой материи вряд ли представляется возможным. Однако, каждая попытка, предпринимаемая в этом направлении специалистами из разных областей знания, все же приближает нас к истине.

Источник

Липидный фундамент жизни

Возникшая в 1970-е годы концепция жидкостно-мозаичной модели биологической мембраны, где липидам отводится пассивная роль «океана», в котором «айсберги» белковых комплексов разыгрывают предназначенные им биологические роли, немного устарела. Согласно современным представлениям, тщательно подобранный эволюцией липидный состав мембран играет роль не менее важную, а, возможно, даже более фундаментальную.

картинка в мраморе: Singer & Nicholson, 1972 [3]

Авторы

Редакторы

Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, невозможно представить без биомембраны, разделяющей «внутренний мир» клетки и всё остальное пространство. Мембрана обеспечивает взаимодействие клетки с внешней средой, избирательно пропуская многие вещества, а также является средой протекания множества биохимических процессов. И хотя большую часть полезной работы выполняют белки, которыми мембрана буквально «нашпигована», роль липидного матрикса не стоит недооценивать. Липиды — это не просто «океан», в котором плавают белки. Это «умный» океан, чьи физико-химические свойства были тщательно подобраны в ходе эволюции так, чтобы создать эффективную платформу для функционирования и взаимодействия мембранных белков.

Вопрос зарождения жизни на Земле вряд ли когда-нибудь получит окончательный ответ, но мало кто сомневается в том, что само ее появление стало возможным лишь в тот момент, когда в «первичном бульоне» (так в биологии принято называть растворенные в доисторическом мировом океане простые органические вещества) стали появляться маленькие изолированные области пространства, ставшие основной ареной для эволюции. В этих «первичных клетках» биохимические процессы могли протекать существенно быстрее, нежели на безбрежных просторах океана, и такое разделение является одной из предпосылок для первых, добиологических, шагов эволюции. Один из теоретиков абиотического происхождения жизни на Земле — академик А.И. Опарин — представлял себе эти «первичные клетки» в виде коацерватов (свободно плавающих липидных пузырьков, внутри которых протекала химическая эволюция). Согласно некоторым современным воззрениям, жизнь могла зародиться в гидротермальных источниках, где «первичная клетка» была образована минеральными отложениями [1]. Так или иначе, именно компартментализация (этим сложным словом обозначают обособленность содержимого клетки от внешней среды, а также подразделение самих клеток на внутренние «отсеки») является одним из непреложных признаков жизни.

Краткая история исследования липидов и биомембран

Структурообразующую функцию биологических мембран выполняют липиды — амфифильные молекулы, имеющие полярную головку и неполярный (гидрофобный) хвост. Они малорастворимы в воде и склонны к образованию моно- и бимолекулярных слоев благодаря своей амфифильной природе. Еще из школьного курса биологии известно, что мембрана состоит из двойного слоя (бислоя) липидов, «прячущих» от воды внутрь гидрофобные и выставляющих на поверхность полярные (гидрофильные) части [2].

где M_r — масcа 1 моля триолеина, N_A — число Аводгадро, S_пятна — площадь пятна, V_ложки — объем ложки, ρ_масла — плотность масла. В результате мы получим значение площади S_мол ≈ 1 нм 2 (на молекулу). Несложно оценить и толщину мономолекулярного слоя, равную размеру одной молекулы триолеина, разделив V_ложки на S_пятна — 2,5 нм.

Более ста лет спустя, Чарльз Овертон заметил, что через биомембраны сравнительно легко проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, из чего он сделал заключение, что мембрана должна быть образована тонким липидным слоем. Так эксперименты Франклина оказались впереди современных биофизических изысканий. 1925-м годом датируется идея бислойности мембраны: Гортер и Грендель обнаружили, что монослой липидов, выделенных из мембран эритроцитов, ровно вдвое превосходит площадь поверхности самих клеток.

Однако тогда же было замечено, что мембрана содержит значительное количество белков, которые сильно влияют на ее свойства (в частности, поверхностное натяжение). Это открытие повлекло появление концепции мембраны-«сендвича» (Доусон и Доннелли, 1935), согласно которой липидный бислой, как слой масла в бутерброде, заключен между двумя слоями белка. Прошло не одно десятилетие, пока точные данные по соотношению белков и липидов в мембранах различных клеток и современные методы исследования (такие как рентгеноструктурный анализ и электронная микроскопия) не доказали ошибочности этого представления: на самом деле, белки не окружают бислой, — они в него «встроены», подобно элементам мозаики.

Эта метафора дала название последней «классической» теории строения мембраны: «жидкостно-мозаичная мембрана» [3]. Согласно этой теории, мембрана представляет собой липидный «океан», в котором, подобно айсбергам, плавают молекулы мембранных белков. Сравнение с океаном появилось из-за того, что агрегатное состояние липидов в мембране жидкое, а точнее — жидкокристаллическое. Мембрана сравнительно свободно «течет» в плоскости, в то время как вне нее — строго упорядочена геометрией двойного молекулярного слоя.

«Последней классической» эта теория здесь названа потому, что, с одной стороны, она явно устарела, а с другой — современные представления не достигли еще той лаконичной изящности, чтобы их начала запросто можно было изложить в школьном учебнике [4].

Почему мембрана клетки «жидкая»?

Текучесть липидной фазы мембраны обусловлена присутствием в углеводородных цепях большинства структурных фосфолипидов минимум одной ненасыщенной связи, понижающей температуру плавления липида. Проследить такое фазовое поведение достаточно просто на примере растительного масла и маргарина: первое при комнатной температуре жидкое (содержит жиры, включающие ненасыщенные жирные кислоты, — например, триолеин [T_{плавления} = 5 °C]), второй же, получаемый из растительного масла гидрированием, твердый (двойные связи ацильных цепей насыщены; для соответствующего насыщенного жира — стеарина — T_{плавления} = 55 °C (!)).

Полиненасыщенные жирные кислоты (в изобилии присутствующие в рыбьем жире) обладают еще более уникальными свойствами: они поддерживают липидный матрикс мембран в «рабочем» состоянии в широком диапазоне температур, что позволяет рыбам быстро погружаться в холодные слои и всплывать обратно. Кстати, эти уникальные качества полиненасыщенных жирных кислот полезны и для человека.

В настоящее время стало понятно, что липидный компонент мембраны — это не просто пассивный носитель белков, которые и выполняют всю работу, но равноправный участник большинства биохимических процессов. На поверку оказывается, что липидный состав мембраны (а она состоит отнюдь не из одного типа молекул липидов!) тщательно оптимизирован эволюцией и позволяет создать необходимые условия для корректной и эффективной работы мембранных белков. Например, частичное взаимное несмешивание липидных компонентов мембраны эукариотической клетки приводит к появлению микроскопических (строго говоря, даже наноскопических) неоднородностей, называемых также мембранными рафтами (от англ. raft — «плот»). Такое сложное фазовое поведение липидного матрикса мембраны активно используется клеткой: упомянутые рафты, предположительно, образуют функциональные платформы, в которых комплексы мембранных белков выполняют все разнообразие своих функций, причем определенные белки предпочитают находиться в рафтовых областях, тогда как другие — в областях между ними.

В данной статье мы постарались осветить современные представления о биофизике липидных компонентов биологических мембран, и в первую очередь, подробнее остановиться на способности липидов к самоорганизации, которая широко используется клетками в своих нуждах.

Рисунок 1. Разнообразие липидов — компонентов клеточных мембран. «Комбинаторное» построение большинства липидов (то есть, сочетание разных гидрофобных, гидрофильных и «адапторных» фрагментов) приводит к тому, что в клетке обнаруживается до 1000 разновидностей липидных молекул. Подавляющее большинство из них играет регуляторную роль, либо их роль не изучена. На рисунке показаны только некоторые основные типы липидов, встречающихся в биологических мембранах.

Многообразие биомембран

Не удивительно, что мембраны клеток разных организмов отличаются между собой. Подробное сравнение липидной составляющей различных мембран наводит на мысль, что эти различия носят принципиальный характер, и что «липидный портрет» той или иной мембраны во многом определяет ее функции (помимо «населяющих» эту мембрану белков) [5]. Так, мембраны бактерий отличаются от мембран эукариот тем, что в состав первых входит большое количество отрицательно заряженных фосфолипидов (например, фосфатидилглицеролы), тогда как вторые в основном содержат липиды цвиттерионной природы (то есть, обладая как отрицательным, так и положительным зарядом, в целом они электронейтральны), — например, фосфатидилхолины. Это фундаментальное отличие используется системой врожденного иммунитета многих эукариот, — например, антимикробные пептиды селективно разрушают мембраны бактерий именно благодаря наличию отрицательного заряда на их поверхности [6], [7], а Toll-подобные рецепторы распознают бактериальные патогены благодаря компонентам их клеточной стенки (липиополисахаридам) [8], [9]. (Химическая структура упоминаемых липидов приведена на рис. 1.)

Другая важная особенность эукариот — холестерол (известный также как холестерин), отсутствующий в прокариотических мембранах. Вопреки своей дурной славе у обывателей [12], холестерол играет важнейшую и еще, видимо, не до конца осознанную роль в работе мембран наших клеток (не говоря уже о том, что он является предшественником половых гормонов). Вместе со сфинголипидами (такими как сфингомиелин) холестерол образует рафтовые структуры, придающую эукариотическим мембранам прочность и особую функциональную гетерогенность, о чем подробнее будет сказано ниже.

Интересно, что липидный состав разных органелл существенно отличается (рис. 2). Например, липидный состав митохондрий и пластид гораздо больше напоминает бактериальный, нежели эукариотический, подтверждая тем самым химерную гипотезу становления эукариот (эукариогенеза), согласно которой эти органеллы — бывшие бактерии, захваченные во «внутриклеточный плен» путем фагоцитоза какими-то ранними формами эукариот [13]. В эндоплазматическом ретикулуме, являющемся «стартовой точкой» метаболизма большинства липидов, состав обоих листков мембраны примерно одинаковый, однако в аппарате Гольджи, плазматической мембране и эндосомах различия уже весьма существенны, что говорит о наличии активных процессов, создающих эту асимметрию. В частности, фосфатидилсерины (ФС) и фосфатидилэтаноламины (ФЭ) в норме присутствуют только в цитоплазматическом листке плазматической мембраны. Наличие ФС на поверхности клетки может говорить о злокачественном перерождении и запускает программы фагоцитоза и сворачивания крови.

Рисунок 2. Липидный состав различных мембранных структур клеток млекопитающих. Диаграммы показывают липидный состав некоторых клеточных мембран; содержание холестерола (ХОЛ) дано в отношении к суммарному количеству фосфолипидов (ФЛ). Внутри клетки обозначены места синтеза основных фосфолипидов (голубые овалы) и сигнальных липидов (красные овалы) (последних по массе не более 1% от фосфолипидов, за исключением церамидов (Цер)). В эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) синтезируются в основном глицерофосфолипиды, жиры, холестерол и церамиды. Аппарат Гольджи является «поставщиком» сфингомиелина и сложных гликосфинголипидов. Около половины липидов митохондрий (в основном, фосфатидилэтаноламина (ФЭ), фосфатидной кислоты (ФК) и кардиолипина (КЛ)) синтезируется этими органеллами автономно, что, вместе с типично «бактериальным» липидным составом их мембран, говорит в пользу химерной теории эукариогенеза.
Условные обозначения: БМФ — бисмоноацилглицерофосфат; ГалЦер — галактозилцерамид; ГСЛ — гликосфинголипиды; ДАГ — диацилглицерол; КЛ — кардиолипин; СМ — сфингомиелин; ТГ — триацилглицеролы (жиры); ФГ — фосфатидилглицерол; ФИ — фосфатидилинозитол; ФК — фосфатидная кислота; ФС — фосфатидилсерин; ФХ — фосфатидилхолин; ФЭ — фосфатидилэтаноламин; Хол — холестерол; Цер — церамид; PI(?)P — фосфатидилинозитолфосфаты; S1P — сфингозин-1-фосфат; Ост. — остальные липиды.

Совершенно уникальной организацией мембран обладают архебактерии — третий «домен» жизни [10], [11], наряду с бактериями и эукариотами. Эволюционно они считаются более близкими родственниками эукариот, нежели бактерий, хотя по строению липидов мембраны этого не скажешь [14]. Видимо, как адаптация к экстремофильности (способности обитать при высокой температуре и/или солености и/или кислотности), мембраны архей содержат липиды с нетипичным химическим строением (см. рис. 1):

Из всего сказанного следует, что липидный состав мембран отнюдь не является чем-то выбранным раз и навсегда [15]: он претерпел существенные изменения в процессе эволюции. Даже в разные периоды жизни одного и того же организма состав мембран может существенно варьировать. По всей видимости, липидную организацию мембран эукариот можно считать эволюционно наиболее прогрессивной, поскольку она обеспечивает максимально гибкую адаптацию микроскопического окружения под нужды белковых молекул, создавая частично изолированные области в пределах одной, казалось бы, жидкой фазы. Далее мы остановимся на этих аспектах функционирования гетерогенной эукариотической мембраны подробнее.

Латеральная гетерогенность эукариотических мембран

Что же заставило исследователей обратить внимание на то, что мембрана — это нечто более сложно устроенное, нежели липидный «океан», в котором плавают «айсберги» белков, согласно модели Сингера-Николсона? Можно сформулировать три основных аргумента, почему клеточная мембрана должна быть устроена более сложно и организованно, чем это было принято считать в те годы:

В практическом смысле вышеперечисленное обозначает, что липидная компонента, будучи жидкой, тем не менее, способна образовывать частично изолированные области бислоя, обладающие особыми структурными свойствами. Эти участки представляют собой кластеры («островки») молекул липидов, сравнительно более упорядоченные и «твердые», чем окружающая их более «жидкая» фаза. В конце 1990-х такие кластеры получили уже упомянутое название рафтов [17], и то же самое название было дано новой теории организации биологических мембран.

Сосуществование двух жидких липидных фаз — относительно более и менее упорядоченной — оказывается возможным, если липидная смесь содержит как минимум три компоненты: «легкоплавкий» липид (низкая температура плавления, ненасыщенные хвосты), «тугоплавкий» липид (температура плавления выше физиологической, насыщенные хвосты и/или высокая склонность образовывать водородные связи с соседями), а также холестерол. «Тугоплавких» липидов в эукариотической мембране немного, потому что иначе она была бы гелеобразной массой вроде маргарина: основным является сфингомиелин (производное церамида, рис. 1).

Основной фосфолипид плазматических мембран эукариот — пальмитоилолеилфосфатидилхолин (ПОФХ) — содержит двойную связь в остатке олеиновой кислоты, и этого уже оказывается достаточно, чтобы температура плавления этого липида снизилась до −3 °C (по сравнению с его полностью насыщенным аналогом — дипальмитоилфосфатидилхолином (ДПФХ), — температура фазового перехода которого составляет 41,5 °C).

Рисунок 3. «Жидкое упорядоченное» состояние липидов в модельных мембранах. а — Фазовая диаграмма тройной смеси холестерола (Хол), сфингомиелина (СМ) и пальмитоилолеилфосфатидилхолина (ПОФХ) (при 23 °C). Цветные области соответствуют составам, при которых мембрана пребывает в жидком состоянии. Сосуществование жидкой упорядоченной (L_o) и жидкой неупорядоченной (L_d) фаз показано синим цветом: здесь при увеличении концентрации холестерола в диапазоне 10–35% размеры доменов «жидкой упорядоченной» фазы постепенно увеличиваются. б — Образование макроскопических мембранных доменов в гигантских везикулах, состоящих из насыщенного (ДПФХ) и ненасыщенного (ДОФХ) фосфолипидов, а также холестерола. Домены окрашиваются флуоресцентными красителями, «предпочитающими» упорядоченную (L_o) или неупорядоченную (L_d) фазы. При увеличении концентрации холестерола сверх 16% макроскопических доменов уже не заметно, но разделение L_o/L_d продолжает существовать, о чем говорит низкий сигнал резонансного переноса энергии между молекулами красителя разных типов, находящихся в разных доменах (примерное положение двух верхних микрофотографий везикул обозначено справа желтым кругом).

Такая тройная смесь «туго-» и «легкоплавкого» липидов с холестеролом демонстрирует сложное фазовое поведение (рис. 3). По всей видимости, молекулы холестерола играют роль «центров кристаллизации» для доменов из «тугоплавких» липидов, однако его присутствие в то же время не позволяет им образовать твердую (гелевую) фазу. Чтобы точнее понять возможные фазовые состояния в мембране и сложных липидных смесях, ее изображающих, введем следующие обозначения:

Равновесие между L_o/L_d фазами было давно показано на искусственных мембраноподобных системах (например, гигантских везикулах, изготовленных из липидов легочного сурфактанта) (рис. 3б), однако непосредственно в биологической мембране такого разделения (а, значит, и рафтов) пронаблюдать долгое время не удавалось. В чем же дело, если липидный состав искусственных мембран был подобран максимально похожим на мембраны настоящие?

Проблема заключается в том, что в биологических мембранах жидкая упорядоченная фаза сильно «раздроблена», и максимальный размер рафтов не превышает 100 нм, что недоступно для непосредственного наблюдения в оптический микроскоп. (Даже флуоресцентная конфокальная микроскопия, делающая «видимыми» отдельные светящиеся молекулы, в данном случае не сможет сказать, находятся ли определенные белки и пептиды в пределах одного кластера или нет.) Причины, в силу которых в живой клетке рафты не сливаются в крупные домены, видимые в оптический микроскоп (а именно это и происходит в искусственных мембранах), мы обсудим чуть дальше.

Рисунок 4. Рафтовые неоднородности в мембране различного масштаба. а — Нанокластеры холестерола, сфингомиелина, гликосфинголипидов и белков плазматической мембраны различаются по составу. Считается, что в эти кластеры входят ГФИ-заякоренные белки, трансмембранные (ТМ) белки, специфичные для рафтов, и цитоплазматические белки, связанные с актиновыми филаментами. «Обычные» ТМ-белки не входят в состав рафтов. б — В ответ на внешние сигналы нанокластеры могут сливаться с образованием рафтовой платформы, важной для ТМ передачи сигналов и мембранного транспорта. в — Рафтовая фаза, видимая в микроскоп (ø ≈1 мкм), наблюдается исключительно в равновесных мембранных системах, таких как гигантские синтетические или мембранные везикулы. В «нативных» мембранах постоянный обмен веществом и энергией «дробит» рафтовую фазу до субдифракционных размеров.

На маленьком липидном плоту

Гипотеза рафтов восходит к наблюдению, что гликосфинголипиды в комплексе Гольджи распределены не равномерно, а кластеризуются вместе перед тем, как направляться к полюсам поляризованных эпителиальных клеток. Лабораторное изучение этих кластеров показало, что, в отличие от «обычных» участков мембран, эти кластеры не растворяются в детергенте тритон X-100: они более прочные и устойчивые. Согласно химическому анализу, эти кластеры состоят преимущественно из холестерола и сфингомиелина (рис. 1), а основные белки, неизменно попадающие в эти кластеры — это гликозилфосфатидилинозитол (ГФИ)-заякоренные белки (GPI-anchored proteins). Было сделано предположение, что эти плотные кластеры образуют стабильные «плоты» (размером примерно 50 нм), в которые встроены определенные типы белков. Дополнительно в пользу этой концепции говорил тот факт, что синтетические мембраны, содержащие холестерол и гликосфинголипиды, демонстрируют примерно те же свойства: липиды разделяются на две несмешивающиеся фазы, которые даже можно разглядеть в микроскоп (рис. 3б).

Однако с течением времени стало понятно, что такое представление — противоположная крайность по сравнению с жидкостно-мозаичной моделью Сингера и Николсона: рафты далеко не столь стабильны, как это было постулировано первоначально. По всей видимости, это динамические структуры, постоянно обменивающиеся молекулами липидов и белков с остальной частью мембраны. При этом липиды в рафтах упакованы гораздо более плотно и структурированно, нежели в окружающей «жидкой» мембране. Сравнительно современное определение рафтов звучит так:

Мембранные рафты — это маленькие (10–200 нм), гетерогенные и очень динамичные липидные кластеры (или домены), обогащенные холестеролом и сфинголипидами, и принимающие участие в клеточной компартментализации. В некоторых случаях рафты могут стабилизироваться за счет белок-белковых и белок-липидных взаимодействий, формируя более крупные «рафтовые платформы» [19].

Модель рафтовой гетерогенности показана на рис. 4.

Однако, несмотря на то, что определение рафтам дано, само их существование представлялось до недавнего времени довольно-таки спорным, то есть — не подтвержденным в прямом эксперименте. Как же понимать этот парадокс?

Дело в том, что существование мембранной фракции, не растворимой в детергентах — это еще не повод считать эту фракцию рафтами (функциональными неоднородностями). Непосредственное же изучение этих доменов затруднено в связи с тем, что рафты очень сложно наблюдать «напрямую» из-за их малого размера: типичный их предполагаемый диаметр меньше дифракционного предела оптической микроскопии (≈200 нм). (Здесь речь идет именно об оптическом, а не рентгеновском или электронном излучении, потому что только оно позволяет наблюдать за клеткой неинвазивно, то есть — не разрушая ее.) Правда, в последние годы уже появились экспериментальные методики непосредственного наблюдения рафтовых кластеров (см. таблицу). В частности, одна из разновидностей оптической микроскопии сверхвысокого разрешения — наноскопия индуцировано-истощенного излучения (stimulated emission depletion, STED) — позволила установить, что ГФИ-заякоренные белки в течение достаточно длительного времени (10–20 мс) захватываются в сфинголипидно-холестерольные домены размером

Рисунок 5. Микроскопия подавления индуцированного излучения (STED) — инновационный способ неинвазивного наблюдения липидной динамики мембран в наномасштабе. STED-микроскопия — один из ультрасовременных оптических методов сверхвысокого разрешения, позволяющих «заглянуть за» дифракционный барьер (то есть, различать объекты, меньшие ≈200 нм). Образование «упорядоченной жидкой» фазы (L_o) связано с образованием доменов, обогащенных холестеролом и сфингомиелином, что можно установить при помощи метода флуоресцентно-резонансного переноса энергии (FRET). Однако размер зоны, в пределах которой «обычный» конфокальный микроскоп (слева) позволяет различать детали (≈250 нм), оказывается слишком велик, чтобы точно определить, движутся ли две молекулы совместно (то есть, образуют домен) или независимо. STED-микроскопия с размером «зоны наблюдения» всего 50 нм (справа) позволила установить существование холестерольно-сфингомиелиновых доменов на живых клетках, положив конец спору о существовании рафтов в живых клетках.

Внизу. Принцип STED-методики сходен с конфокальной флуоресцентной микроскопией, но здесь, кроме возбуждающего лазерного импульса (слева), запускающего свечение молекул-флуорофоров, используется также кольцевой формы гасящий импульс (в центре), уменьшающий эффективный радиус зоны возбуждения флуорофоров до ≈50 нм (справа; это в 4–5 раз меньше пресловутого «дифракционного барьера»).

1 мкс

5–10 нм (расстояние между флуорофорами) / а ) нм / а ) нм /

Кластеризация липидов in silico

Современные методы молекулярного моделирования позволяют изучить процесс самоорганизации липидных смесей с разной степенью детализации. Расчеты молекулярной динамики (МД; [7], [22]) модельных мембран, в которых все атомы липидов и окружающего растворителя представлены в явном виде, дают наиболее полную информацию. И хотя при таком подробном рассмотрении системы, доступные для моделирования даже на современных суперкомпьютерах, ограниченны в своих размерах (10 2 –10 3 молекул липида) и длительности наблюдения за их динамическим поведением ( −6 c), получаемые результаты дают атомарную картину возникновения мембранных неоднородностей в наномаштабе. Даже в случае однокомпонентной липидной мембраны ее поверхность не является однородно полярной, как это можно предположить из схематического представления липидов в виде «шариков с хвостиками» — часть этих «хвостиков» всплывает на границу вода—мембрана и формирует гидрофобные участки (рис. 6). В итоге мы имеем мозаично организованную поверхность, на которой в полярном «море» рассредоточены гидрофобные «островки» размером до нескольких нм 2 [23].

Рисунок 6. Мозаичная организация поверхности простейшей однокомпонентной мембраны. Слева представлена идеальная модель мембраны, справа — поверхность полноатомной мембраны (ДОФС), раскрашенной по гидрофобности.

При смешивании двух компонентов, например насыщенного (дипальмитоил-) и ненасыщенного (диолеил-) фосфатидилхолинов (ДПФХ и ДОФХ, соответственно), картина усложняется, и наблюдается обособление более «твердой» фазы (ДПФХ) в стабильные нанокластеры, распределенные диффузно в плоскости мембраны [24]. При моделировании трехкомпонентных мембран, в состав которых входят холестерол, сфингомелиеин и ДОФХ даже на небольших временах МД (2×10 −7 с) наблюдается настоящее фазовое разделение, при котором «тугоплавкий» сфингомелеин формирует островок, по границе которого располагается холестерол, обращенный своей «щетинистой» стороной во внешнюю фазу «легкоплавкого» ДОФХ [25].

Увеличить время наблюдения за поведением многокомпонентных мембран in silico, а также размер моделей, позволяет упрощенное («крупнозернистое») описание молекул. Атомы объединяют в обособленные группы — «зерна» (обычно 3–4 атома), — для которых производят расчет МД. Такая методика позволила впервые «увидеть» разделение L_o/L_d фаз в мембране из нескольких тысяч молекул, содержащей 40% насыщенного ДПФХ, 30% ненасыщенного дилинолеилфосфатидилхолина (ДЛФХ) и 30% холестерола, моделируемых в течение 20 мкс [26]. Более того, если к такой модельной мембране добавить трансмембранные спиральные пептиды (минимальные «строительные блоки» большинства мембранных белков), то можно наблюдать, как происходит их сортировка между фазами — моделируемые фрагменты белка предпочитают находиться в более жидкой L_d-фазе (ДЛФХ) и избегают упорядоченной L_o-фазы ДПФХ (рис. 7) [27].

Стоит отметить, что возникновение латеральной гетерогенной структуры в мембране наблюдается не только при смешивании «тугоплавких» и «легкоплавких» липидов, но также любых других отличающихся по своим физико-химическим свойствам — например, заряду полярной головки и склонности образовывать водородные связи с соседями. В частности, в модельной бактериальной мембране, содержащей 70% фосфатидилэтаноламина (ФЭ) и 30% отрицательно зараженного фосфатидилглицерола (ФГ) также наблюдается формирование нанодоменов, — за счет того, что молекулы ФЭ эффективно взаимодействуют друг с другом и вытесняют «невыгодного» партнера ФГ. На «крупнозернистых» моделях была показано, что такая латеральная организация мембран бактерий используется в процессе связывания антимикробными пептидами, которые при этом вызывают рост доменов ФГ и возникновение фазового разделения [28].

Что ограничивает размер рафтов в биомембранах

В реальных экспериментальных системах наблюдается достаточно парадоксальный контраст с искусственными мембранами, разделение фаз L_o/L_d в которых наблюдали неоднократно и при разных условиях. В живой клетке это удалось сделать непосредственно лишь недавно, да и то — используя самые современные технологии субдифракционного наблюдения [21]. В чем же причина такого разительного отличия?

Ведь на границе рафтовой фазы создается поверхностное (линейное) натяжение, а значит, присутствует избыточная свободная энергия, снизить которую можно путем слияния отдельных «плотиков» в одну большую макрофазу. Примерно то же самое наблюдается в супе, мелкие капли жира на поверхности которого постепенно объединяются в более крупные пятна. Фактически, это самое и происходит в искусственных мембранах (например, в мембранных везикулах) — самопроизвольный термодинамический процесс толкает к глобальному разделению L_o и L_d фазы. Но это обозначает, что отсутствие в живой клетке крупных L_o-кластеров — следствие активных процессов, протекающих с затратой энергии. (Возвращаясь к аналогии с супом, мы никогда не увидим одного большого пятна жира в кипящей кастрюле.) С одной стороны, это может происходить «само», поскольку мембрана, как и сама жизнь, — система, далекая от термодинамического равновесия. С другой стороны, эволюция физико-химических свойств мембраны могла направленно выработать такое приспособление, поскольку оно позволяет мембранам выполнять свои функции более эффективно.

Так или иначе, в мембранах протекает ряд процессов, постоянно «дробящих» рафты, — именно поэтому их так долго и не могли с достаточной степенью уверенности «нащупать». Это постоянный обмен веществом и энергией — ведь мембраны представляют собой открытые системы: помимо многочисленных разновидностей везикулярного транспорта, отдельные фрагменты мембраны постоянно «заглатываются» внутрь клетки и после какой-то переработки возвращаются обратно. Кроме этого, специальные белки делят мембрану, подобно «заборчикам», на отдельные участки. С одной стороны, это способствует компартментализации, с другой — также препятствует росту рафтов.

Анализ огромного массива биохимических и биофизических данных относительно липидных доменов в биомембранах, накопившихся за последние 15 лет, привел ученых к выводу, что состав липидного матрикса мембран эволюционно подобран, чтобы при физиологических условиях всегда находиться вблизи фазового перехода (рис. 8). Это способствует образованию в мембранах мезофазы (рафтов), которые, несмотря на свой малый размер и динамическую природу, играют важную (хотя не до конца еще изученную) роль. Какую? Читайте в заключительной части статьи.

Рисунок 8. Динамическая модель рафтов. Домены «жидкой упорядоченной» фазы (L_o) в мембране гетерогенны как по размеру, так и по времени существования (0,1 мс — 1 с, показано цветом): это зависит от размера, липидного состава и «захваченных» белков, способных стабилизировать рафт. (Длина пунктирных стрелок, изображающих латеральную подвижность доменов, пропорциональна времени жизни.) Маленькие L_o-домены формируются спонтанно и диффундируют в плоскости мембраны (a). Захватив ГФИ-заякоренный или другой рафтовый белок (b), такой домен становится стабильнее и образует комплекс (c), способный или просто распасться (d), или, слившись с другим, увеличить размер (e). Такие столкновения могут привести к формированию более крупного и стабильного L_o-белкового комплекса (f), либо через какое-то время распадающегося самостоятельно, либо захватываемого в эндоцитозный пузырек (h) и «разбираемого» на исходные составляющие (i). Таким образом, рафтовые платформы в биомембранах, хотя и выполняют важные функции, являются динамическими структурами, постоянно возникающими и пропадающими вновь.

Биологическая роль наноразмерных неоднородностей в мембране

Роль такого сложного фазового поведения липидного матрикса мембран еще только предстоит понять в полной мере. Впрочем, сегодня ясно главное — такие свойства позволяют группировать (сортировать) разные белки в частично изолированные области, что позволяет им выполнять предназначенные функции. Также эти свойства определяют то, каким образом мембраны делятся и сливаются, — а это и деление самих клеток, и везикулярный транспорт, и жизненный цикл вирусов, и способность многих токсинов проникать внутрь клеток. Рассмотрим несколько примеров биологической роли рафтов немного более подробно [20]:

Перспективы биофизического изучения мембран

Кажущаяся простота липидного «океана» осталась в прошлом, и сейчас исследователи лишь приблизительно представляют все молекулярные тонкости образования кластеров в липидах. Точно так же далек от понимания и механизм «сортировки» одних белков в рафтовую фазу, а других — в более жидкую область мембраны. Между тем, это понимание дало бы возможность создать стратегию рафт-селективной доставки в клетку различных веществ, — в том числе, лекарств.

Все рассказанное в этой статье относится в первую очередь к мембранам эукариот, — но это еще не обозначает, что у бактерий нет ничего подобного (раз нет и холестерола). Изучение латеральной неоднородности бактериальных мембран может привести к созданию новых поколений антибиотиков, избирательно уничтожающих патогенные микроорганизмы, и свободных от проклятия резистентности, давно уже нависшего над «традиционными» антибактериальными средствами.

История с изучением липидного матрикса мембран в очередной раз показывает, что живая материя устроена значительно сложнее, чем представлялось ранее, и изобретение новых высокоточных методик наблюдения лишь усугубляет эту сложность.

Статья написана в соавторстве с Антоном Полянским и при поддержке РФФИ (конкурс на написание научно-популярных статей), № проекта: 11-04-11516-с. В сокращенном виде она опубликована в «Природе» [31].

Источник