Биомембраны

У всех современных организмов клеточная мембрана играет принципиальную роль в энергетическом обмене и других биохимических процессах. Новые исследования эволюции мембран позволяют ответить на многие каверзные вопросы: как мембрана появилась у нашего далекого предка LUCA, почему мембраны бактерий и архей так непохожи и каким образом эукариоты обзавелись мембранными органеллами.

Биологическая эволюция — общая форма существования живой материи. При детальном рассмотрении оказывается, что виды почти никогда не эволюционируют поодиночке: обычно в этом принимают участие их экологические партнеры, и изменение происходит в парах паразит—хозяин или хищник—жертва. Более того, коэволюцию часто можно проследить на молекулярном уровне, когда один вид совершенствует систему нападения, а второй вслед за ним — систему защиты (и наоборот). Параллель с холодной войной здесь настолько очевидна, что соответствующий феномен даже получил название эволюционной «гонки вооружений». Примером наиболее эффективных и элегантных систем нападения служат животные яды, содержащие в своем составе нейротоксины — вещества, воздействующие на нервную систему и мышцы жертвы.

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.

В основе «животного электричества» и вообще всех электробиохимических потенциалов, столь важных для существования любой формы жизни, лежат ионные каналы, способные управлять прохождением тех или иных заряженных частиц через биологическую мембрану. Каналы, селективно пропускающие ионы натрия, отвечают за начальную фазу электрического возбуждения многих клеток, на котором держится передача нервных импульсов, сокращение мышц, секреция гормонов и многое другое. После многих лет исследований ученым удалось получить пространственную структуру потенциал-чувствительного натриевого канала, — правда, пока это канал бактерий, устроенный более просто, чем канал животных. Трехмерная организация проводящей поры и домена, «чувствующего» электрический потенциал, поможет лучше понять тонкости электрической активности возбудимых тканей и даст исследователям новое оружие против невралгических болей, эпилепсии и аритмии.

Двадцатый век стал веком междисциплинарных исследований, когда грань между «классическими» науками практически стёрлась. В XXI столетии тенденция усиливается — слияние «обычной» (хотя тоже междисциплинарной!) молекулярной биофизики и того, что по-английски называют theoretical computer science, породило необыкновенную область — компьютерный, или in silico, эксперимент. В этой статье рассказывается о методической подоплёке подхода in silico и о его конкретном использовании для имитационного изучения «жизни» биологических мембран и населяющих их белковых молекул.

На сегодняшний день общепринято, что человек различает пять базовых вкусов — горький, сладкий, солёный, кислый и умами (вкус глутамата натрия), — а гастрономические нюансы являются их органолептической комбинаций с «примесью» запахов и механической чувствительности языка и верхнего отдела глотки. Новое исследование расширяет «горизонты вкуса», добавляя к этому списку рецептор вкуса углекислого газа (CO2), используемого для получения газированной воды и содержащегося в пиве и игристых винах. Американские учёные открыли, что этот рецептор — карбоангидраза 4, которая находится в мембранах рецепторных клеток кислого вкуса, расположенных во вкусовых сосочках языка.

Слух — чрезвычайно тонкое чувство, позволяющее одновременно воспринимать множество звуков различной громкости и частоты. Восприятие звуков основано на механическом взаимодействии звуковых волн с микроворсинками внутреннего уха, деформация которых вызывает деполяризацию мембран волосковых клеток сенсорной зоны. Недавно обнаружилось, что высочайшая чувствительность слухового анализатора к тихим звукам обязана «встроенному» механоэлектрическому усилителю, основанному на флексоэлектрическом эффекте: деполяризация мембраны вызывает дополнительные механические колебания и деформации микроворсинок, замыкая контур положительной обратной связи, благодаря которому мы можем слышать тихие звуки.