Липиды для давления

Глубоководному существу путешествие к поверхности моря ничего хорошего не сулит – оно погибнет, как бы осторожно мы его не поднимали. Понятно, почему так происходит: глубоководные приспособились жить под давлением в несколько сотен атмосфер, и одной атмосферы для них слишком мало. Но что значит – приспособились? Что именно в них есть такого, что позволяет выживать под сильным давлением, но не позволяет выживать под слабым?

Сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего изучали глубоководных гребневиков – медузообразных беспозвоночных существ с водянистым желеобразным телом. Поднятые к поверхности, они буквально тают – их тела распадаются без остатка. Исследователи сосредоточились на клеточных мембранах гребневиков, точнее, на липидах, из которых мембраны состоят. Известно, что у многих холодоустойчивых животных мембранные липиды отличаются от липидов других животных, которые привыкли жить в относительном тепле. Возникло предположение, что адаптация к повышенному давлению – по крайней мере, одна из адаптаций – тоже связана с липидами мембран. От мембранных липидов действительно зависит очень многое: они ограничивают клетку, не давая её содержимому бесконтрольно выходить наружу и не позволяя веществам из окружающей среды бесконтрольно проникать внутрь, и одновременно они служат рабочей средой для множества мембранных белков: ионных каналов, рецепторов и пр. Причём белки должны свободно плавать в мембране, то есть липиды должны делать мембрану и прочной, и подвижной, текучей.

Исследователи сравнивали мембранные липиды у гребневиков, живущих в разных условиях: у глубоководных, у тех, которые живут в поверхностных слоях воды (пелагических), у живущих в холодных водах, и у живущих в тёплых. Сравнивая их между собой, можно было выделить именно те особенности, которые дают возможность жить под давлением. Основная масса мембранных липидов – это фосфолипиды, состоящие из глицерина, который химически соединён с остатком фосфорной кислоты и длинными жирными кислотами или, например, длинными спиртами; фосфолипиды с длинным спиртом называются плазмалогенами.

В статье в Science говорится, что у глубоководных гребневиков в мембранах в пять раз больше тех самых плазмалогенов. Под высоким давлением длинный хвост остатка жирной кислоты и длинный хвост спиртового остатка соединены вместе, так что молекулу фосфолипида-плазмалогена можно уложить в цилиндр или узкий конус. Если давление уменьшается, оба длинных хвоста расходятся друг от друга – расходятся с той стороны, где они свободны, где не прикреплены к холестерину. Это можно сравнить с тем, как раскрывается веер, но мембрана – не веер, и когда в плазмалогенах начинают расходиться их хвосты, мембрана просто разваливается.

Структурные изменения в липидах клеточных двуслойных мембран пелагических и глубоководных гребневиков. У пелагических мало плазмалогенов, и при повышении давления мембранные липиды жёстко фиксируются, и мембрана теряет текучесть, необходимую для нормального функционирования. У глубоководных гребневиков много плазмалогенов, которые из-за своей склонности разворачивать молекулярные «хвосты» помогают мембране оставаться текучей даже при большом давлении, но они же разрывают её на части, когда давление уменьшается. (Иллюстрация: Jacob R. Winnikoff, University of California San Diego)

Именно такая склонность плазмалогенов раскрываться помогает сохранить мембране функциональность под большим давлением, то есть помогает ей оставаться одновременно цельной и подвижной. Если под глубоководное давление поместить обычную мембрану с пониженным содержанием плазмалогенов, свойственную наземной клетке, то такая мембрана застынет в жёсткой конфигурации: давление заставит обычные липиды плотно прижаться друг к другу. Это было показано в экспериментах с кишечной палочкой: она просто погибала под давлением, под которым живут глубоководные гребневики, и погибала потому, что мембрана утрачивала текучесть. Но если бактерию модифицировали так, что у неё в мембране становилось много «глубоководных» фосфолипидов, она выживала, несмотря на давление.

Вполне возможно, что те же плазмалогены помогают выживать и другим глубоководным животным, но чтобы наверняка тут что-то утверждать, нужно этих животных исследовать отдельно. Кроме того, плазмалогены – не какая-то уникальная выдумка гребневиков, их можно в большом количестве найти, например, в человеческом мозге, причём известно, что при ухудшении когнитивных функций мозговых плазмалогенов становится меньше. Возможно, изучая глубоководных гребневиков, мы начнём лучше понимать, какие молекулярные особенности клеток нашей нервной системы помогают нам быть такими умными.