Держи дистанцию: почему клетки и органеллы не слипаются

Биомембраны покрывают живые клетки подобно коже. Они также окружают органеллы, которые выполняют важнейшие функции в метаболизме и клеточном делении. В принципе учёным давно известно, как происходит формирование биомембран; не секрет и то, что молекулы воды играют важную роль в обеспечении оптимального расстояния между соседними мембранами, позволяя им осуществлять свои жизненно важные функции. Теперь же, призвав на помощь компьютерное моделирование, сотрудники Мюнхенского технического университета и Университета Фрая (оба — Германия) открыли сразу два механизма, которые препятствуют слипанию поверхностей соседних мембран.

Подробнее о результатах исследования можно узнать из журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Биомембраны состоят из липидов — длинных углеводородных молекул. Попав в водную среду, липиды формируют двойной слой, где жирорастворимые гидрофобные углеродные цепи, составляющие основную длину молекулы, ориентированы друг против друга, в то время как водорастворимые гидрофильные концевые группы обращены в сторону воды. Если гидрофильные поверхности соседних мембран подходят слишком близко друг к другу, возникает давление — гидратационное отталкивание, препятствующее касанию мембран. Между двумя исходными биомембранами всегда есть водная прослойка толщиной в несколько нанометров. Однако до сего дня наука не знала, как именно гидратационное давление работает на молекулярном уровне.

С помощью сложных компьютерных моделей учёным удалось установить существование двух различных механизмов, реальный вклад которых зависит от расстояния между мембранами. Если они разделены прослойкой воды толщиной в 1 и более нм, именно молекулы воды играют решающую роль в удержании мембран от интимного контакта. Поскольку в этом случае молекулы воды вынуждены ориентироваться согласно положению поверхностей обеих мембран, им приходится поступиться собственным предпочтительным пространственным расположением (суперструктура воды организуется благодаря прочным водородным связям). В результате отдельные молекулы воды начинают вести себя подобно резиновым бамперам, расталкивая мембраны прочь друг от друга. В случае же более тонкой водной прослойки липиды противоположных мембран совместно блокируют их собственную мобильность, что приводит к возрастанию силы отталкивания.

Оба механизма предлагались в качестве возможных объяснений эффекта гидратационного отталкивания. Теперь же, после проведения компьютерного моделирования, учёные впервые смогли совершенно точно предсказать величину давления, и она оказалась в полном согласии с результатами эксперимента. При этом благодаря точному расчёту химического потенциала воды в каждом из возможных случаев исследователям удалось в деталях показать важность обоих механизмов. Химический потенциал является мерой того, насколько молекулы воды желают оставаться в определённом месте.

Дальнейшие заботы авторов работы связаны с распространением полученных результатов на другие биологические поверхности.

Подготовлено по материалам Технического университета Мюнхена.