От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни

Фосфолипиды

А теперь познакомимся еще с одним важным для нас веществом – фосфорной кислотой, имеющей формулу H₃PO₄. Структура у нее довольно простая. Мы уже знаем, что валентность фосфора – 5 (см. главу 1). В фосфорной кислоте к атому фосфора присоединены четыре атома кислорода, один двойной связью, а все остальные одинарными. К этим последним присоединены атомы водорода. Когда фосфорная кислота находится в растворе, атомы водорода (вернее, протоны) могут отрываться, превращая фосфорную кислоту в анион. Здесь, как и раньше, надо иметь в виду, что “фосфорная кислота” и “фосфат” (то есть ее анион либо соль) в биохимии почти синонимы. В подавляющем большинстве случаев эти понятия свободно заменяются друг на друга. Очень часто название “фосфорная кислота” заменяют на “фосфат” просто для краткости.

Фосфорная кислота может участвовать в образовании сложных эфиров точно так же, как и карбоновые кислоты (см. рис. 5.2). Сложный эфир глицерина, двух жирных кислот и фосфорной кислоты называется фосфолипидом. Это – исключительно важный для биологии класс соединений. Можно сказать, что фосфолипид – это жир, у которого вместо одного из остатков жирных кислот тем же способом присоединен фосфат. Такая молекула состоит из гидрофильной “головки” (включающей остатки глицерина и фосфата) и двух гидрофобных “хвостов” (жирных кислот). При фосфате бывают еще добавочные боковые цепи, у разных фосфолипидов разные.

Два особенно широко распространенных фосфолипида – фосфатидилхолин и фосфатидилсерин. В фосфатидилхолине дополнительной боковой цепью при фосфате служит холин, небольшая азотсодержащая органическая молекула (см. рис. 5.2Г). А в фосфатидилсерине к фосфату присоединена аминокислота серин. В другие биохимические детали нам тут вдаваться не стоит, общие свойства фосфолипидов все равно гораздо важнее. А состоят они в том, что любой фосфолипид – это ярко выраженная амфифильная молекула, состоящая, если совсем уж попросту, из одной большой гидрофильной “головки” и двух длинных гидрофобных “хвостов”.

Знакомство с мембраной

Мы уже знаем, что никакие липиды не растворяются в воде. Что же будет, если их с водой все-таки принудительно смешать? Правильно: молекулы липидов начнут слипаться друг с другом своими гидрофобными частями, как бы защищая их от контакта с водой, и это называется гидрофобным взаимодействием. А гидрофильные части молекул будут, наоборот, втягиваться в воду, ориентируясь в сторону ее толщи. Это типичное поведение амфифильных веществ.

Будем для определенности называть гидрофильную часть любого липида “головкой”, а гидрофобную – “хвостом”. И мы увидим, что при смешивании с водой молекулы липидов могут группироваться тремя способами (см. рис. 5.3):

• мицелла – шарообразное скопление, где “хвосты” обращены внутрь, минимизируя контакт с водой, а “головки” – наружу. Ничего, кроме самих молекул липидов, мицелла не содержит. Мицеллы особенно легко образуются из молекул, где “головка” по диаметру превосходит “хвост”, то есть молекула имеет форму конуса. Таковы, например, молекулы жирных кислот;

• бислой, в котором два слоя аккуратно выстроенных молекул липидов обращены “хвостами” друг к другу, а “головками” к водной толще. В этом случае гидрофобные области обоих слоев взаимодействуют друг с другом, не касаясь воды. Бислой легче всего образуется, если ширина “головки” и “хвоста” молекулы (или всех ее “хвостов” вместе) одинакова, то есть молекула цилиндрическая. Именно так устроены молекулы фосфолипидов;

• везикула – пузырек, представляющий собой бислой, замкнувшийся в сферу. Такое замыкание происходит довольно легко, потому что края бислоя всегда неустойчивы – ведь гидрофобные “хвосты” там обнажаются. В везикуле же никаких свободных краев больше нет. Внутри везикулы находится полость, заполненная той же водой, что и снаружи.

Итак, жирные кислоты охотнее образуют мицеллы, а фосфолипиды – бислои, замыкающиеся в везикулы. Вот именно таким бислоем и является клеточная мембрана. Она состоит из двух слоев фосфолипидов, обращенных гидрофобными “хвостами” друг к другу. (На самом деле так устроена мембрана не абсолютно всех клеток, а только подавляющего большинства, но про исключения мы поговорим позже.) Как правило, клеточная мембрана не имеет никаких свободных краев, она полностью замкнута. То есть вся клеточная мембрана – это, в некотором смысле, одна сильно разросшаяся везикула.

Повторимся еще раз: типичная клеточная мембрана представляет собой фосфолипидный бислой. Это утверждение, которое могло бы показаться совершенно загадочным несколько страниц назад, сейчас нам уже понятно. И к нему можно добавить еще более очевидную мысль: там, где нет клеточной мембраны, нет вообще никакой клетки. Ведь говорить о клетке можно лишь тогда, когда есть четкая граница, отделяющая внутриклеточное пространство от внешней среды. Таким образом, история возникновения клеточных форм жизни – это в большой степени именно история возникновения липидных мембран.

Знакомство с мембраной (продолжение)

На самом деле биологические мембраны никогда не состоят из одних только фосфолипидов (см. рис. 5.4). Настоящая мембрана – это фосфолипидный бислой со встроенными в него многочисленными белками, которые называются интегральными. Многие (но не все) интегральные белки пронизывает клеточную мембрану насквозь, так что концы белка торчат из нее и внутрь, и наружу. Такие белки называются трансмембранными. Часть интегрального белка, погруженная глубоко в мембрану, всегда богата гидрофобными аминокислотами, такими как валин, лейцин, изолейцин и фенилаланин (см. главу 3). Радикалы этих аминокислот хорошо взаимодействуют с гидрофобными “хвостами” фосфолипидов. Именно благодаря этому интегральный белок и держится в мембране, в которую он вставлен. Очень часто интегральный белок бывает свернут таким образом, что его полипептидная цепочка пронизывает мембрану несколько раз подряд. Отрезками такого белка, непосредственно проходящими сквозь мембрану, чаще всего бывают альфа-спирали или бета-слои, почти целиком состоящие из гидрофобных аминокислот (о том, что такое альфа-спираль и бета-слой, см. опять же главу 3).

Интегральных белков очень много. Судя по современным молекулярно-биологическим данным, у большинства живых организмов от 20 до 30 % всех белков – это интегральные мембранные белки. Неудивительно, что их функции разнообразны. Но чаще всего интегральные белки бывают или рецепторными (принимают сигналы из внешней среды и передают их внутрь клетки), или транспортными (переносят те или иные молекулы с одной стороны мембраны на другую). В типичной клетке человеческого тела есть, как правило, примерно 100 разных интегральных белков. Каких именно – во многом зависит от того, что это за клетка.

Очень важное свойство биологических мембран – избирательная проницаемость. Только очень немногие вещества могут проходить сквозь клеточную мембрану относительно свободно. Это или вода, молекулы которой совсем маленькие, или гидрофобные соединения вроде стероидных гормонов, которые легко “растворяются” в гидрофобном слое мембраны. Для всех остальных молекул требуются специальные переносчики. Например, молекулы углеводов – крупные и гидрофильные, поэтому самостоятельно пройти через мембрану они не могут. А поскольку клетке углеводы все-таки нужны, то существует целая группа трансмембранных белков, занимающихся их переносом. Особенно разнообразны транспортеры глюкозы – углевода, служащего у нас главным источником энергии (см. главу 6).

Более того, в конце XX века выяснилось, что специальные переносчики через мембрану есть даже для воды. Это интегральные белки, которые называются аквапоринами. Правда, перенос воды сквозь мембрану может идти и сам по себе, но аквапорины, во-первых, значительно облегчают его, а во-вторых, позволяют регулировать. Например, у человека есть не меньше 13 белков-аквапоринов, отличающихся друг от друга деталями функционирования^{35}. На такой важной задаче, как транспорт воды, эволюция не экономит.

Кроме интегральных белков есть еще и периферические, которые не пронизывают мембрану насквозь, а “прилипают” к ней только с одной стороны, нековалентно связываясь или с интегральными белками, или с головками фосфолипидов. Обычно периферические белки держатся или на ионных, или на водородных связях. Функции этих белков могут заключаться, например, в передаче сигнала от интегральных белков-рецепторов внутрь клетки. Неудивительно, что разных периферических белков довольно много.

С липидной частью мембран тоже не все так просто. Прежде всего, в нее входят не только фосфолипиды. Например, мембраны клеток животных содержат еще и холестерин, причем в довольно большом количестве. В растениях холестерина нет (поэтому встречающаяся на бутылках растительного масла надпись “без холестерина” – чистая правда), но в состав их мембран входят другие гидрофобные спирты, близкие к нему по структуре. Есть и еще несколько классов мембранных липидов, которые мы тут не обсуждаем, но которые тем не менее часто оказываются важными и для клеточной биологии, и даже для медицины.

Клеточная мембрана интересна тем, что для ее образования не нужно никаких ковалентных связей (которые в обычной химии как-никак главные). Она целиком держится на нековалентных взаимодействиях, в первую очередь, конечно, гидрофобных. Входящие в мембрану молекулы фосфолипидов, как правило, ничем не закреплены – они могут дрейфовать по своему слою, как в жидкости. Модель мембраны, учитывающая эти ее свойства, была в свое время достаточно красноречиво названа жидкостно-мозаичной. В живых системах вообще очень многое держится не на сильных связях (ковалентных), а на слабых (гидрофобных или водородных) – в следующих главах мы еще не раз это увидим.

Пенорожденная

Мы теперь знаем, что молекулу, в которой есть гидрофильная и гидрофобная части, для краткости называют амфифильной. При смешивании амфифильного вещества с водой оно может спонтанно собраться в мицеллы, а может и в везикулы (это зависит как от природы самого вещества, так и от физических условий). Если получаются везикулы – значит, молекулы в них выстроились в бислой, очень похожий на липидный бислой клеточных мембран. Можно экспериментально подобрать условия, в которых возникновение таких везикул ускорится. При этом искусственные везикулы могут “расти”, избирательно пропуская сквозь мембрану и удерживая в себе разные вещества, а могут и “делиться” наподобие клеток. Из-за того что липидные мембраны избирательно проницаемы, внутри везикул возникает среда, отличающаяся от окружающего раствора, в которой могут идти собственные химические реакции. В общем, получается, что простая самоорганизация смешанных с водой липидов внезапно дает свойства, привычные для живых систем: рост, размножение, обмен веществ, поддержание внутренней среды.

Из чего состояли первые мембраны? Вполне возможно, что поначалу их молекулярные компоненты были гораздо более простыми, чем фосфолипиды. В экспериментах химикам удавалось получать самые настоящие везикулы из смеси карбоновых кислот и сложных углеводородов, найденных в знаменитом Мурчисонском метеорите (см. о нем в главе 3). Древнейшие мембраны в принципе могли бы состоять, например, из жирных кислот. И действительно, заставить жирные кислоты с “хвостами” длиной примерно в 10 атомов углерода собраться в везикулы в искусственных условиях вполне можно. Тогда почему бы и не в природе? Правда, такие мембраны будут не слишком устойчивыми.

Подводя итог, тут можно сказать две вещи. С одной стороны, можно быть уверенным, что по части мембранной организации между живой и неживой природой нет никакого глубокого разрыва. Биохимическая эволюция вполне могла начаться с простой однослойной мицеллы и прийти к двуслойной везикуле, постепенно обретающей возможность сначала расти, потом делиться, а потом и захватывать крупные молекулы, в том числе способные нести генетическую информацию. Почти все промежуточные шаги на этом пути не только легко вообразить, но и можно уже сейчас воспроизвести экспериментально.

С другой же стороны, здесь, как это очень часто бывает в современной науке, обретенная ясность сразу же порождает новые вопросы. Мы совершенно не знаем, в какой именно момент были “изобретены” первые биологические мембраны и из каких молекул они поначалу состояли. Мембраны из жирных кислот слишком непрочны. Может быть, вначале были другие соединения, не такие сложные, как фосфолипиды, но обладавшие близкими свойствами? И если да – то что это были за соединения? Откуда они брались, в каких были изомерных формах? Как вышло, что фосфолипиды заняли их место? Подобных вопросов можно задать очень много. А когда на них найдутся ответы, перед исследователями наверняка встанут новые вопросы, которых мы сейчас еще даже не можем себе представить. Это – нормальный процесс познания.

Есть по крайней мере одно свойство жизни, совершенно невозможное без мембран (во всяком случае, в современных земных условиях). Это свойство – дискретность.

Мы привыкли к тому, что живое вещество разделено на маленькие самостоятельные порции, которые традиционно, со времен великих ученых XVII–XIX веков, называются клетками. Но обязательно ли любая жизнь должна состоять из клеток? Мы этого не знаем. Станислав Лем в “Солярисе” попытался вообразить иную жизнь – недискретную, охватывающую единым живым океаном целую планету. Конечно, это – фантазия. Но у нас нет никаких серьезных оснований считать, что она абсолютно нереалистична.

Так или иначе в истории жизни на Земле дискретность возникла, и притом очень рано. Сначала появились клетки, а потом и сложенные из них многоклеточные организмы, вплоть до дубов, кашалотов и людей. “Ключевая роль детергентов в формировании дискретных особей (в том числе и прекрасных) вполне соответствует представлению о возникновении Венеры (Афродиты) из пены морской”, – пишет по этому поводу известный биофизик Симон Эльевич Шноль^{36}. Слово “детергенты” тут употреблено как синоним “амфифильных веществ” (или “поверхностно-активных веществ”, если кому-нибудь такое название больше нравится). Сама же идея вполне актуальна. Ведь пена возникает там, где есть много амфифильных веществ – таких, как мыло, – которые легко образуют мицеллы, везикулы и вообще любые пузырьки. А принцип деления живой материи на клетки – точно такой же. Клеточная жизнь основана на явлении поверхностной активности. И древний миф здесь неожиданно точно иллюстрирует эволюционную реальность.

У корней древа жизни

Вся живая природа Земли делится на две части: организмы, состоящие из клеток, и вирусы. Вирусы мы тут пока не обсуждаем (о них пойдет речь в главе 12). А вот разнообразием клеточных организмов сейчас самое время поинтересоваться: мы как раз дошли до тех признаков, по которым они серьезно отличаются друг от друга.

В конце XX века микробиолог Карл Вёзе показал, что все клеточные организмы распадаются на три главные эволюционные ветви: эукариоты, бактерии и археи^{37}. Об этом открытии и его последствиях мы более подробно поговорим в главе 14, где будет обсуждаться система живой природы. Здесь нам достаточно самой простой вводной информации. Эукариоты – это обладатели клеточного ядра, среди которых есть и многоклеточные (животные, растения, грибы), и одноклеточные (амебы, жгутиконосцы, инфузории). Пока не был изобретен микроскоп, натуралисты волей-неволей ограничивались изучением одних лишь эукариот. Бактерии, в отличие от эукариот, не имеют клеточного ядра, и клетка их в целом устроена гораздо проще. Кроме того, они не бывают многоклеточными. Микроскопический мир бесчисленных бактерий, населяющих все природные среды, какие только есть на Земле, знаком ученым с XVIII века. И наконец, археи – это одноклеточные, не имеющие ядра и по устройству клетки сходные с бактериями, но сильно отличающиеся от них молекулярно-биологически. Многие (но далеко не все) археи живут в экстремальных средах – например, в почти кипящей воде или в растворах с высокой кислотностью.

Одна из самых поразительных особенностей архей, отличающая их и от бактерий, и от эукариот, касается устройства клеточной мембраны. До открытия архей считалось, что мембрана, состоящая из двух слоев фосфолипидов, абсолютно универсальна и является всеобщим свойством клеточных организмов. Исследования архей начисто опровергли это представление. Сравнение химических компонентов эукариотных, бактериальных и архейных клеточных мембран показывает следующее (см. рис. 5.5):

• Архейные мембранные липиды представляют собой не сложные эфиры с общей формулой R₁–CO – O–R₂, а простые эфиры с общей формулой R₁–O – R₂ (см. главу 1). Надо заметить, что основу типичного мембранного липида в любом случае образует глицерофосфат, то есть сложный эфир глицерина и фосфорной кислоты. Но вот жирные “хвосты” у архей присоединены к нему совсем не так, как у всех остальных: не сложными эфирными связями, а простыми.

• Углеводородные гидрофобные цепи мембранных липидов у архей ветвятся за счет множества торчащих в стороны метильных групп (–CH₃). Ни бактериям, ни эукариотам это не свойственно.

• Самое поразительное: у некоторых родов архей (и только у них) мембрана не двуслойная. Вместо бислоя она представляет собой единственный слой из молекул с двумя гидрофильными головками и длинной гидрофобной цепью между ними. Такие липиды иногда называют биполярными.

Как это объяснить? Биохимики считают, что все перечисленные химические особенности мембран полезны для жизни в экстремальных условиях – например, при высокой температуре или высокой кислотности. А мы уже знаем, что многие современные археи как раз в таких условиях и живут. Значит, налицо просто далеко зашедшее приспособление?

Увы, не все так просто. У архейных мембран есть еще одна важнейшая особенность. Дело в том, что у бактерий с эукариотами и у архей для синтеза мембранных липидов используются разные стереоизомеры глицерофосфата. У большинства живых организмов в мембраны входит L-глицерофосфат, но у архей – почему-то D-глицерофосфат^{38}. И вот это уже гораздо труднее объяснить приспособлением к каким бы то ни было внешним условиям. Мы ведь знаем, что на “обычные” физико-химические свойства веществ стереоизомерия практически не влияет. С точки зрения выживания при высокой температуре, кислотности или солености абсолютно неважно, какой стереоизомер глицерофосфата выбран для мембран. К тому же показано, что мембрана, включающая оба изомера одного и того же фосфолипида, будет физически неустойчивой, – то есть переходные состояния тут маловероятны. А ферменты, взаимодействующие с разными стереоизомерами мембранных липидов, отличаются друг от друга настолько сильно, что проще всего предположить их совершенно независимое происхождение.

Как может выглядеть эволюционный сценарий, сводящий воедино все эти факты? Тут допустимы самые смелые предположения. Может быть, общие предки бактерий, эукариот и архей вообще не имели никакой мембраны, то есть еще не были клетками?^{39} Или мембрана у них была, но не липидная, а неорганическая, например железо-серная?^{40} С другой стороны, современные генетические данные позволяют считать, что у общего предка всех клеточных форм жизни уже было несколько интегральных белков, приспособленных к работе в мембране и бесполезных без нее. Тогда получается, что какая-то мембрана там все же была. В любом случае этот узел еще далеко не распутан.

6. Углеводы

Ну вот и присмотрись к себе, как сидишь ты возле бюро в халате. В руках-то что у тебя? Чашечка кофе? Еще и с сахаром? А думал ли ты, сколько невольников погибло на плантациях, кровью под бичами надсмотрщиков облившись, сколько жизней загублено было и что слез пролито, дабы кофе вот этот к тебе в чашечку попал? Про сахар и упомянуть страшно.

 

АННА КОРОСТЕЛЕВА.

АЛЕКСАНДР РАДИЩЕВ

Углеводы по многим своим свойствам противоположны липидам. Если липиды – самые гидрофобные биологически активные вещества, то углеводы, пожалуй, самые гидрофильные. Значение углеводов для жизни так же огромно, как и значение липидов, хотя функции у них другие. Посмотрим же на них повнимательнее.

Мы уже знаем, что углевод – это спирт, одновременно являющийся или альдегидом, или кетоном. Углеводы бывают довольно разные. Основу любого углевода из тех, что могут заинтересовать нас в этой главе, образует цепочка, состоящая или из пяти, или из шести атомов углерода (см. рис. 6.1). Один из этих атомов углерода входит в состав либо альдегидной группы (если он на конце), либо кетогруппы (если он внутри цепочки). А ко всем остальным атомам углерода присоединены гидроксильные группы, как в спирте. Вот, собственно, и все (см. главу 1). Добавим, что в обиходе углеводы, подходящие под это описание, принято называть сахарами.

Например, что такое глюкоза? Это сахар с шестью атомами углерода, пятью гидроксильными группами и альдегидной группой. А фруктоза – сахар с шестью атомами углерода, пятью гидроксильными группами и кетогруппой. Причем и глюкоза, и фруктоза имеют формулу C₆H₁₂O₆. Иначе говоря, это изомеры.

Бывают и пятиуглеродные сахара. Например, рибоза – сахар с пятью атомами углерода, четырьмя гидроксильными группами и альдегидной группой. В отличие от глюкозы и фруктозы, рибоза используется как пищевая добавка относительно редко, хотя в любых продуктах ее все равно полно, потому что биохимическое значение этого вещества колоссально.

А бывают ли сахара с другой длиной углеродных цепочек – например, трех-, четырех-, семи-, восьми- или девятиуглеродные? С точки зрения химии – конечно же, бывают. Иногда они встречаются и в живых организмах: например, семиуглеродные сахара могут быть промежуточными продуктами в синтезе липидов и в некоторых других биохимических процессах. Но в целом биологическое значение этих сахаров не слишком велико, и нас они пока что могут не волновать.

Молекулы сахаров не слишком сложны. Но есть один фактор, делающий их гораздо более разнообразными, чем можно было бы подумать, глядя на обычные графические формулы. Этот фактор – стереоизомерия.