Стоимость биохимического синтеза
Независимо от того, вносят ли вирусы свой мошеннический генетический материал в клетку, здоровые клетки выделяют в организм сигнальные вещества или дорогие косметические липосомы должны остановить старение кожи - в этих и бесчисленных других процессах мембраны сливаются друг с другом. Как именно происходит этот важный процесс, чрезвычайно трудно изучить. Тест сложной модели показывает, сколько энергии необходимо, чтобы запустить процесс. Практически в каждом учебнике по предмету биологии в главе о клеточной биологии можно несколько раз прочитать, что «мембраны сливаются». Если клетка хочет транспортировать вещество наружу, она заворачивает его в оболочку, которая отталкивается к краю клетки, где «мембраны сливаются вместе» и вещество высвобождается. Многие вирусы делают обратное. По сути, они состоят из генетического материала, обернутого в защитную оболочку. Когда установлен надлежащий контакт с клеткой-хозяином, мембраны «сливаются вместе», и начинается инфекция. В последнее время медики проделывают тот же трюк: заполняют активными веществами мембранные везикулы, которые ищут свои клетки-мишени в организме, а там… - знаете ли.
Учитывая важность слияния мембран, исследователи на удивление мало знают о том, как на самом деле работает этот так часто цитируемый процесс. Измерение мембран в действии не так просто. Подобно мыльным пузырям, они состоят из огромного количества высокоподвижных отдельных молекул, выстроившихся в ряды и образующих почти двухмерный слой. С одной стороны, все эти молекулы так называемых детергентов или поверхностно-активных веществ показывают свою водолюбивую головку, с другой стороны, они торчат жиролюбивые концы. В воде две однослойные мембраны быстро соединяются с жирными сторонами, образуя двойной слой, который затем хорошо гармонирует с водой снаружи. Такая двухслойная мембрана является основой биологических мембран, которые дополнительно снабжены специальными белками и сахарами.
Для того, чтобы две двухслойные мембраны могли сливаться, как маленькие мыльные пузыри, которые объединяются в один большой, необходимо выполнить несколько подэтапов. Во-первых, обе мембраны должны достаточно далеко сблизиться друг с другом, т. е. вытеснить возмущающую воду в месте контакта. Затем слои поверхностно-активного вещества должны разбиться, найти свой аналог на партнерской мембране и соединиться с ними. И, наконец, новая единая система приобретает новую геометрическую форму. В целом, это многоступенчатый процесс, требующий или выделяющий энергию на каждом уровне.
Билл Гамильтон из Ок-Риджской национальной лаборатории в Теннесси и его коллеги первыми полуэкспериментально определили энергию активации, необходимую для запуска термоядерного синтеза. Исследователи выбрали поверхностно-активное вещество CPCI в смеси с гексанолом в качестве строительного блока для своей модельной мембраны. При слиянии мембран из этого вещества образуются губчатые структуры с разветвленными трубками и полостями. Однако процесс слияния такой же, как и в биологических системах. Используя два цилиндра, вращающихся в противоположных направлениях, команда Гамильтона разорвала мембранные губки на отдельные части, чтобы начать измерения. После остановки цилиндров мембраны снова сплавлялись, на этот раз под светом лазера и сканируемым лучом источника нейтронов. По картине рассеяния, возникшей за образцом, ученые смогли рассчитать, что энергия активации в 170 миллиэлектрон-вольт делает синтез возможным - примерно столько же, сколько в реальной химической связи..
Это значение обозначает нижний предел. Большинство других мембран более жесткие, чем образец CPCI, и поэтому требуют более высокой энергии активации.«В чем легко убедиться, - говорит Гамильтон. «Было бы фатально, если бы живые клетки случайно открывали каналы или сливались при каждом столкновении». Тем не менее биохимикам и биофизикам следует с большим интересом отнестись к полученному результату. В конце концов, это первое хорошо обоснованное числовое значение в поле и, следовательно, ценный ориентир при планировании собственных экспериментов. А книги по клеточной биологии предлагают большой выбор идей для последующего применения.