Большинство мембранных белков являются интегральными компонентами мембран (они взаимодействуют с фосфолипидами); почти все достаточно полно изученные белки имеют протяженность , превышающую 5-10 нм, – величину, равную толщине бислоя . Эти интегральные белки обычно представляют собой глобулярные амфифильные структуры . Оба их конца гидрофильны, а участок, пересекающий сердцевину бислоя, гидрофобен. После установления структуры интегральных мембранных белков стало ясно, что некоторые из них (например, молекулы белков-переносчиков) могут пересекать бислой многократно , как это показано на рис. 12.

Интегральные белки распределены в бислое асимметрично (рис. 13). Если мембрану, содержащую асимметрично распределенные интегральные белки, растворить в детергенте (небольшие амфипатические молекулы, образующие в воде мицеллы; с их помощью трансмембранные белки могут быть солюбилизированы. При смешивании детергента с мембраной гидрофобные концы его молекул связываются с гидрофобными участками на поверхности мембранных белков, вытесняя оттуда молекулы липидов. Поскольку противоположный конец молекулы детергента полярный, такое связывание приводит к тому, что мембранные белки переходят в раствор в виде комплексов с детергентом), а затем детергент медленно удалить, то произойдет самоорганизация фосфолипидов и интегральных белков и сформируется мембранная структура, но белки в ней уже не будут специфическим образом ориентированы. Таким образом, асимметричная ориентация в мембране по крайней мере некоторых белков может задаваться при их включении в липидный бислой. Наружная гидрофильная часть амфифильного белка, которая, конечно, синтезируется внутри клетки, должна затем пересечь гидрофобный слой мембраны и в конечном итоге оказаться снаружи.

Периферические белки не взаимодействуют с фосфолипидами в бислое непосредственно; вместо этого они образуют слабые связи с гидрофильными участками специфических интегральных белков . Например, анкирин, периферический белок, связан с интегральным белком полосы III эритроцитарной мембраны. Спектрин, образующий скелет мембраны эритроцита, в свою очередь связан с анкирином и, таким образом, играет важную роль в поддержании двояковогнутой формы эритроцита (см. ниже). Молекулы иммуноглобулина являются интегральными белками плазматической мембраны и высвобождаются только вместе с небольшим фрагментом мембраны. Интегральными белками являются многие рецепторы различных гормонов, и специфические полипептидные гормоны, связывающиеся с этими рецепторами, можно, таким образом, считать периферическими белками . Такие периферические белки, как пептидные гормоны, могут даже детерминировать распределение в плоскости бислоя интегральных белков – их рецепторов.

Клеточные мембраны имеют свойства полупроницаемости, то есть некоторые вещества через них проходят, а другие - нет. Вследствие этого те или другие соединения могут накапливаться с какой-то стороны от мембраны, создавая концентрационные градиенты. Так, в клетке и вне ее существенно

различается содержание большинства ионов (табл. 1), участвующих в выполнении многих физиологических процессов.

Таблица 1. Концентрация некоторых ионов внутри мышечного волокна и вне его (ммоль1л)

Кратко перечислим функциональное назначение ионов некоторых металлов, которые обладают наибольшей биологической активностью, которая оказывается внутри клетки (органоїда) или вне ее.

Так, натрий обеспечивает осмотическое давление, регулирует водный обмен между клетками и внеклеточным средой. Ионы натрия участвуют в поддержании кислотно-основного состояния (КОС) в организме. Во многих тканях они участвуют в электрохимических процессах, а также в регуляции функций нуклеиновых кислот, белков. С ними связано трансмембранное транспортировки отдельных веществ.

Немало функций калия совмещены с функциями натрия, но противоположные им. Это наблюдают как в электрохимических процессах, так и в воздействии на ферменты (калий активирует некоторые ферменты гликолиза, а натрий - удручает). Вместе с тем К" выполняет и "свои" функции. Например, его считают одним из регуляторов процессов транскрипции.

Функциональное назначение кальция настолько разнообразно и значимо для большинства органов и систем, регуляции его обмена обеспечивают несколько гормонов. Кальций необходим для секреторной активности практически всех железистых клеток. В большинстве клеток его считают одним из регуляторов внутриклеточных процессов. В то же время поступление в цитоплазму клеток большого количества свободного кальция неблагоприятное, поскольку в таком случае образуется малорастворимое соль фосфата кальция, под влиянием которой прекращается продуцирование и утилизация аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Поэтому в клетках, где кальций используется для обеспечения функций (например, в мышечной - для сокращения), существует система его депо - саркоплазмами" 1-ный ретикулум (СР). Из него кальций выходит в цитоплазму на относительно короткий период. В русле крови этот ион участвует в обеспечении процессов гемостаза (спинення кровотечения). В крови более половины его концентрации находится в ионизированном состоянии, большая часть остального связана с белками, а меньшая - растворенными в крови веществами (цитратом). Многообразие функций кальция определяет необходимость поддержания его концентрации в крови на уровне 0,25 ммоль (0,5 ммоль1л).

Неорганические анионы (С1-, НСО, Н2Р04 и др.) также выполняют свойственные им функции, о чем речь пойдет в соответствующих разделах. Вследствие значимости для выполнения физиологических процессов указанных неорганических ионов механизмы, которые обеспечивают поступление и выход их через мембранные структуры, будет рассмотрен далее.

Функции белков мембран

Большинство функций мембран (перепонка) обусловлены их белковыми компонентами, которые выполняют роль ионных каналов, насосов, ферментов, рецепторов. Активность функции, которые они проявляют, зависит как от самих белков и их плотности на мембране, так и от ее липидов. Все указанные механизмы изменяются под влиянием сложной системы регуляции.

Транспортные белки

Диффузия.

Переход различных веществ через мембрану зависит от величины их молекулы, заряда, а также растворимости в липидах. Жирорастворимые соединения (СО2,02 и др.) могут относительно легко проникать сквозь мембрану, если возникают условия для их диффузии. Основной механизм, обеспечивающий процесс диффузии - концентрационный градиент вещества: он с большей концентрации перемещается в меньшую.

Но из-за того, что растворимость различных соединений в липидах неодинакова, скорость транспортировки так же разная. Так. растворимость углекислого газа выше, чем кислорода, поэтому он гораздо быстрее проникает через мембраны. А следовательно, он требует меньше концентрационный градиент.

Трансмембранное транспортировки большинства соединений, ионов происходит с помощью соответствующих систем. Если жирорастворимые небольшие полярные молекулы, такие как этанол и мочевина, в отношении легко проходят сквозь липидный слой мембраны, то сахара диффундируют со значительными трудностями.

Заряженные частицы также не могут пройти через липиды мембран. И ведущую роль в обеспечении этих процессов играют белковые структуры. Транспортировка веществ осуществляется с помощью следующих механизмов:

o пассивного;

o первично-активного;

o повторно-активного (совмещенного).

Пассивное транспортировки происходит специальными каналами без затраты энергии путем диффузии по концентрационным градиентом. Для заряженных частиц имеет значение еще и электрохимический градиент. Так, катионы калия, выходящих из клетки, содержащиеся в ней отрицательными анионами.

Активное транспортировки требует специальных белковых структур, что называют насосами, и обязательного использования энергии..

Сочетанное транспортировки обеспечивают белки, транспортирующие одновременно два соединения. Причем этот вид транспортировки может быть однонаправленным, когда оба соединения проникают через мембрану в одном направлении (симпорт), либо разнонаправленным (анти-порт). Соединенное транспортировка также требует энергии ионных насосов, но она не всегда используется в том участке плазматической мембраны, через который оно осуществляется (рис. 4, 5).

Белки-переносчики.

Соединяясь с веществом, что транспортируется и не может самостоятельно пройти через мембрану, переносчик обеспечивает моментальное 4 протягивания" сквозь липидный слой. Таким образом транспортируются ионы, амино - и органические кислоты, моноцукриди, нуклеотиды. Для кож

Рис. 4.

а - боковая подвижность липидов; б - вращательные движения; в - боковая подвижность белков; г - "флип-флоп" липидов; г- "флип-флоп" белков

Рис. 5. в

* - глюкоза (по Ю.П. Болдиревим)

ного из них существуют свои переносчики, плотность которых на мембранах разная и регулируемая. Для функционирования этой системы необходимо соблюдение нескольких условий:

а) вещество, которое транспортируется, пересекает мембрану только вместе с переносчиком;

б) молекула переносчика должна соединяться с молекулой вещества.

Ионные каналы.

наиболее Типичным считается трансмембранное транспортировки ионов, проходящих за одним из разновидностей белков-переносчиков, так называемыми каналами (порами). Важнейшие (и изучены на сегодня) три из них:

1) натриевый;

2) калиевый;

3) кальциевый.

Как правило, канал состоит из трех частей (рис. 6). Первая из них-водная пора, выстланная внутри гидрофильными группами. На внешней ее поверхности содержится участок, осуществляющий разделение ионов, - селективный фильтр. Управляет состоянием канала структура, что находится возле обращенного внутрь края поры и имеет название "ворота".

Ионы в растворе находятся в гидратованной форме, тоб

Рис. 6. Воротами канала управляет хеморецептор. До взаимодействия молекул АХ с рецептором ворота закрыты (а), после связывания с ним они растворяются (б; за Бы.И. Ходоровим)

то связаны с молекулами воды. Это увеличивает эффективные размеры катионов. Открытый канал (раскрытые ворота) позволяет ионам проходить через мембрану, оставаясь в водном окружении. Однако селективная участок настолько узкая, что часть водной оболочки ион теряет. Первый фактор, ограничивающий прохождение катионов каналом, - это размер селективного фильтра: для натриевого канала он составляет 0,3 х 0,5 нм, для калиевого - 0,3 х 0,3 нм. Кальциевый канал большего диаметра (0,65 нм), поэтому сквозь него может проходить не только Са2 а и № Другой фактор, регулирует прохождение ионов, - заряд стенки поры. В рассмотренных катионных каналах стенка пор имеет отрицательный заряд, поэтому через них могут проникать анионы - они отталкиваются.

Регуляцию состояния канала осуществляет воротный механизм. Его положение ("открыто" или "закрыто") в зависимости от места расположения канала на мембранах определяют: электрическим зарядом мембраны и специальными рецепторами, которые взаимодействуют с лигандом (биологически активным соединениям, например медиатором).

Ионные насосы.

Функциональное назначение биологических насосов заключается в поддержании внутри клетки постоянства ионного состава. их еще называют транспортными аденозинтрифосфатазами (АТФазами), ведь они обеспечивают транспорт ионов против концентрационного градиента, для чего нужна энергия АТФ. Наиболее типичные и на сегодня относительно хорошо изучены два насоса.

N0*-, ИС-АТФаза. В плазматической мембране содержится интегральный белок, обеспечивающий соединен антипорт Na+ и К+. Благодаря использованию энергии молекулы АТФ происходит выкачивание трех ионов натрия из клетки и накачки двух ионов калия. К+-насос состоит из двух субъединиц -а-липопротеина и $-гликопротеина (рис. 7).

Ферментативный центр его, что гидролизует АТФ, расположен на а-субъединице, обращенной внутрь клетки. Активация указанного фермента осуществляет натрий на внутренней ее поверхности. Калиесвязывательный центр расположен в той части молекулы, которая ориентирована в внеклеточную среду.

Схематично функцию одного цикла этого насоса можно описать следующим образом. Поступление ионов натрия в открытый сначала "внутренний вход" приводит к переходу фермента в конформационный состояние Е2 и последующего закрытия внутреннего и открытие внешнего канала. Для конформационного состояния Е2 характерно высокое сродство к ионам калия, которые замещают ионы натрия, выталкиваются. Связывание К+ и гидролиз АТФ вызывают возвращение АТ Фазы в восходящий

Рис. 7.

состояние Б,. Затем открывается внутренний канал, и ионы калия выталкиваются внутрь. Новый цикл требует новой молекулы АТФ.

Натриевый насос, его активность и количество не всегда стабильны. На активность насоса влияют синтезированные в клетке вторичные посредники на образец циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), производные арахидоновой кислоты, диацилглицерол, а также внешние регуляторы, в частности гормоны. Например, йодсодержащие гормоны щитовидной железы увеличивают активность насоса.

Работа К+-Атфазы - один из наиболее энергозатратных механизмов: в среднем для ее функционирования тратится около 24 % всей энергии клеток, а в нейронах - до 70 %.

Са2+-А ТФаза. Энергетическая емкость этого насоса гораздо выше, чем Na+-, К+-Атфазы: для выкачивания одного Са2+ расходуется две АТФ, тогда как одна АТФ расходуется для транспортировки трех №+ и двух К1. Пусковой механизм этого насоса - сам кальций, малейшее изменение внутриклеточной концентрации которого запускает процесс его откачки.

Эндо - и екзоцитоз.

В некоторых клетках организма человека происходит особый вид транспортировки, что называется ендоцитозом. В следствие эндоцитозу в клетку проникают крупные частицы. Такой путь имеет две основные формы: пиноцитоз и фагоцитоз. С помощью пиноцитоза клетка поглощает небольшие капельки растворенных питательных веществ из внеклеточной жидкости и особенно - молекулы белков. Фагоцитоз обеспечивает проникновение в клетку крупных объектов, таких как бактерии, клетки, частицы разрушенной ткани.

пиноцитоза участвует клеточная мембрана большинства клеток, но особенно характерны эти механизмы для макрофагов, около 3 % мембраны которых постоянно задействованы в образовании пузырьков (везикул). Последние в диаметре достигают около 100-200 нм.

Типичный механизм поглощения белков. На поверхности мембраны клетки, в ее углублениях, размещены рецепторы для связывания с белком. На внутренней поверхности клетки к этому участку примыкает фибрилярный протеин (его называют клотрин) с актомиозиновыми белками. Взаимодействие белка, поглощаемого с рецептором приводит к углублению ямки, а сократительные белки закрывают края, вследствие чего образуется изолированный пузырек, где вместе с соединением, поглощается, оказывается часть внеклеточной жидкости. После этого пузырек отделяется от мембраны и проникает внутрь клетки, как правило, ближе к лизосом, ферменты которых расщепляют белок, что поступил.

Благодаря фагоцитоза клетки (а это в основном тканевые макрофаги и лейкоциты) поглощают субстанции, гораздо больше белковой молекулы (рис. 8).

От начала процесса фагоцитоза происходит связывание рецептора клетки с протеином или полицукридом мембраны бактерии или погибшей клетки. Когда начинается инвагинация мембраны, то все новые и новые участки мембраны фагоцита связываются с лигандами объекта, и постепенно клетка, фагоцитирует, оказывается погруженной в него. Сократительные белки сначала замыкают перешеек, а затем продвигают везикулу вглубь клетки.

Противоположный путь - екзоцитоз - это механизм, обеспечивающий выделение из клетки ряда веществ и процессы секреции. Немало органелл внутри клетки формируют пузырьки, заполненные веществом, которое по

Рис. 8.

нужно вывести из них. Типичными представителями таких соединений являются гормоны и ферменты, секретирующие железы.

Эндо - и екзоцитоз в клетках происходят непрерывно, к тому же у многих из них - достаточно интенсивно. Так, макрофаг всего за 1 час может поглощать в виде пузырьков двойную площадь поверхности своей цитоплазматической мембраны, что, естественно, должно успевать регенерировать.

Рецепторные белки.

Рецептор - это белковый комплекс, который воспринимает сигнал молекулы-передатчика. Рецептор может быть либо самостоятельной структурой, встроенной в мембрану в виде интегрального белка, или частью других функциональных белков, регулируя их активность. Причем до одного и того же химического агента на мембране могут быть несколько рецепторов. И эффект взаимодействия субстрата с рецептором может не всегда быть подобный, а в некоторых случаях даже диаметрально противоположный. Так, при взаимодействии гормона мозгового слоя надпочечников-адреналина (А) по-адренорецептором наблюдают сужение кровеносного сосуда, а с Р-рецептором - расширения.

Белки-ферменты

Немало периферических и отдельных фрагментов интегральных белков выполняют и ферментативные функции. Пример последних - указанные выше мембранные Атфазы, входящие в единую структуру ионных насосов.

Кроме того, белки-ферменты интегрального типа катализируют реакции, что, как правило, полностью перебегают с одной стороны биомембраны. К тому же, присоединив любой субстрат на одном боку, продукты реакции выделяют на противоположном. В таком случае ограниченная проницаемость мембран, обеспечивая пространственное разделение продуктов реакции, создает концентрационные градиенты.

Вторичные посредники.

Клетка имеет сложную систему внутриклеточных регуляторов активности - вторичных посредников. К ним относятся циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ), кальций, кальций + кальмодулин, продукты гидролиза фосфолипидов (фосфорилированный фосфатыдилинозитол). Однако внутриклеточные системы регуляции ими не ограничиваются, выявлены новые соединения.

Вторичные посредники способствуют многочисленным изменениям в функциях клеток: превращают ферментную активность, стимулируют екзоцитоз, влияют на транскрипцию разных генов.

Все вторичные посредники активно взаимодействуют между собой. Обычно они находятся в клетке в сбалансированном соотношении, но после действия первого регулятора этот баланс нарушается, что и становится сигналом к изменению ее активности. Вторичные посредники влияют также и на чувствительность мембраны клетки к регулятору через регуляцию количества И сродства рецепторов к нему.

Мембранные фосфолипиды играют роль растворителя для мембранных белков, создавая микроокружение, в котором последние могут функционировать. Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, шесть являются в высшей степени гидрофобными из-за боковых групп, присоединенных к а-атому углерода, несколько аминокислот слабо гидрофобны, а остальные гидрофильны. Как мы видели в гл. 5, при образовании а-спирали гидрофобность самих пептидных групп минимизируется. Таким образом, белки могут образовывать единое целое с мембраной. Для этого нужно, чтобы их гидрофильные участки выступали из мембраны внутрь клетки и наружу, а гидрофобные пронизывали гидрофобную сердцевину бислоя. И в самом деле, те участки белковых молекул, которые погружены в мембрану, содержат большое количество гидрофобных аминокислот и характеризуются высоким содержанием а-спиралей или -слоев.

Таблица 42.2. Ферментные маркеры различных мембран

Число разных белков в мембране варьирует от 6-8 в саркоплазматическом ретикулуме до более чем 100 в плазматической мембране. Это ферменты, транспортные белки, структурные белки, антигены (т. е. белки, определяющие гистосовместимость) и рецепторы для разных молекул. Поскольку каждая мембрана характеризуется своим набором белков, говорить о существовании некой типичной структуры мембран нельзя. В табл. 42.2 представлены ферментативные активности, присущие некоторым типам мембран.

Мембраны являются динамическими структурами. Мембранные белки и липиды постоянно обновляются. Скорости обновления разных липидов, как и разных белков, варьируют в широком диапазоне. Сами мембраны могут обновляться даже быстрее, чем любой их компонент. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в разделе, посвященном эндоцитозу.

Асимметрия мембран

Асимметрия является важным свойством мембран и, по-видимому, отчасти связана с неравномерным распределением белков в мембране. Трансмембранная асимметрия может быть обусловлена и разной локализацией углеводов, связанных с мембранными белками. Кроме того, на внешней или внутренней стороне мембраны могут быть расположены какие-то специфические ферменты; это касается как митохондриальных, так и плазматических мембран.

Мембраны обладают также локальной асимметрией. В некоторых случаях (например, в щеточной каемке клеток слизистых оболочек) она проявляется почти на макроскопическом уровне. В других случаях (например, в области щелевых контактов, плотных контактов и синапсов, занимающих очень небольшую часть площади мембраны) области локальной асимметрии невелики.

Наблюдается также асимметрия в распределении фосфолипидов между наружной и внутренней сторонами мембран (поперечная асимметрия). Так, холинсодержащие фосфолипиды (фосфатидилхолин и сфингомиелин) располагаются в основном в наружном молекулярном слое, а аминофосфолипиды

(фосфатидилсерин и фосфатидилэтаноламин) - преимущественно во внутреннем. Холестерол обычно содержится в наружном слое в больших количествах, чем во внутреннем. Очевидно, что если такая асимметрия в принципе существует, то поперечная подвижность (флип-флоп) мембранных фосфолипидов должна быть ограничена. И в самом деле, для фосфолипидов в синтетических бислоях характерна исключительно низкая скорость перескоков - время существования асимметрии может измеряться днями или неделями. Однако при искусственном включении в синтетические бислои некоторых мембранных белков, например эритроцитарного белка гликофорина, частота флип-флоп-переходов фосфолипидов может возрасти в сотню раз.

Механизмы асимметричного распределения липидов пока не установлены. Участвующие в синтезе фосфолипидов ферменты локализованы на цитоплазматической стороне мембран микросомных везикул. Таким образом, можно предположить, что существуют транслоказы, переносящие определенные фосфолипиды от внутреннего слоя к наружному. Кроме того, в обоих слоях могут присутствовать специфические белки, преимущественно связывающие те или иные фосфолипиды и приводящие к их асимметричному распределению.

Интегральные и периферические мембранные белки

Большинство мембранных белков являются интегральными компонентами мембран (они взаимодействуют с фосфолипидами); почти все достаточно полно изученные белки имеют протяженность, превышающую 5-10 нм, - величину, равную толщине бислоя. Эти интегральные белки обычно представляют собой глобулярные амфифильные структуры. Оба их конца гидрофильны, а участок, пересекающий сердцевину бислоя, гидрофобен. После установления структуры интегральных мембранных белков стало ясно, что некоторые из них (например, молекулы белков-переносчиков) могут пересекать бислой многократно, как это показано на рис. 42.7.

Интегральные белки распределены в бислое асимметрично (рис. 42.8). Если мембрану, содержащую асимметрично распределенные интегральные белки, растворить в детергенте, а затем детергент медленно удалить, то произойдет самоорганизация фосфолипидов и интегральных белков и сформируется мембранная структура, но белки в ней уже не будут специфическим образом ориентированы. Таким образом, асимметричная ориентация в мембране по крайней мере некоторых белков может задаваться при их включении в липидный бислой. Наружная гидрофильная часть амфифильного белка, которая, конечно, синтезируется внутри клетки, должна затем пересечь гидрофобный слой мембраны и в конечном итоге оказаться снаружи.

Рис. 42.7. Предполагаемая модель переносчика глюкозы у человека. Предполагается, что переносчик пересекает мембрану 12 раз. Пересекающие мембрану участки могут образовывать амфифильные а-спирали с амидной и гидроксильной боковыми группами и, по-видимому, связывают глюкозу или образуют канал для ее переноса. Амино - и карбоксильный концы цепи находятся на цитоплазматической поверхности. (Из работы Mueckler et al.: Sequence and structure of a human glucose transporter. Science, 1985. 229, 941, с любезного разрешения.)

Молекулярные механизмы организации мембран мы обсудим позже.

Периферические белки не взаимодействуют с фосфолипидами в бислое непосредственно; вместо этого они образуют слабые связи с гидрофильными участками специфических интегральных белков. Например, анкирин, периферический белок, связан с интегральным белком полосы III эритроцитарной мембраны. Спектрин, образующий скелет мембраны эритроцита, в свою очередь связан с анкирином и, таким образом, играет важную роль в поддержании двояковогнутой формы эритроцита. Молекулы иммуноглобулина являются интегральными белками плазматической мембраны и высвобождаются только вместе с небольшим фрагментом мембраны. Интегральными белками являются многие рецепторы различных гормонов, и специфические полипептидные гормоны, связывающиеся с этими рецепторами, можно, таким образом, считать периферическими белками. Такие периферические белки, как пептидные гормоны, могут даже детерминировать распределение в плоскости бислоя интегральных белков - их рецепторов (см. ниже).

В настоящее время очень активно обсуждается персонифицированная медицина и методы точечного и селективного воздействия на отдельные молекулы и системы клеток, ответственные за развитие тех или иных заболеваний. Мембранные белки при этом выделяются как основной класс возможных мишеней для терапии, так как именно они обеспечивают непосредственную передачу сигналов в живую клетку. Можно отметить, что в настоящее время более половины всех лекарственных препаратов имеют мишень на клеточной мембране, а дальше таких соединений будет становиться только больше.

Структура плазматической мембраны

Думаю, многие помнят из школьного курса биологии, как устроена живая клетка. И несомненно, особое место в устройстве клетки занимает плазматическая мембрана. Именно она отделяет внутриклеточное пространство от внеклеточного и является границей клетки. В соответствии с таким представлением основной функцией биологической мембраны является создание барьера между «живым» внутриклеточным пространством и окружающей средой. Последнюю можно условно считать «неживой» для одноклеточных организмов, например бактерий. Клетки бактерий, архей, грибов и растений покрыты поверх мембраны еще и более прочной жесткой оболочкой - клеточной стенкой. Она также служит для защиты клетки от внешних воздействий. Однако у плазматической мембраны существует еще множество других функций.

В 1925 году И. Гортер и А. Грендель показали, что клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) из молекул липидов. Основной их чертой является амфифильность, то есть наличие в молекуле двух частей с разными свойствами. Так, выделяют гидрофильную (буквально ‘любящую воду’) полярную «головку» и липофильные (буквально ‘любящие жиры’) ацильные цепи. При образовании мембраны липофильные участки молекул оказываются обращенными внутрь бислоя, а гидрофильные - наружу. Такая схема организации мембраны характерна для большинства организмов, поэтому существует множество биомолекул, «нацеленных» на непосредственное взаимодействие с липидным бислоем. Следует отметить, что мембраны органелл клеток образованы по такому же принципу, однако состав липидов в них отличается от плазматической мембраны.

В 1935 году Дж. Даниэлли и Х. Доусон показали, что в клеточной мембране, помимо липидов, содержатся белки. Так возникла модель «сэндвича», в которой плазматическая мембрана представлялась в виде двух слоев белков, между которыми располагался липидный бислой. Эта модель подтверждалась первыми экспериментами по электронной микроскопии мембран, поэтому в 1960 году Дж. Робертсон постулировал одинаковое трехслойное строение для всех мембран живой клетки.

Однако данная модель не могла объяснить накапливающиеся экспериментальные данные, и в 1972 году С. Д. Сингером и Г. Л. Николсоном была предложена жидкостно-мозаичная модель мембраны, где мембранные белки «плавают» в жидком липидном бислое, как айсберги в открытом море. При этом предполагалось, что белки никак не упорядочены и могут свободно перемещаться в мембране. Белки, согласно этой модели, могут как взаимодействовать с поверхностью мембраны и потому находиться с одной ее стороны (периферические белки), так и пронизывать мембрану насквозь (интегральные мембранные белки). Последние имеют, таким образом, возможность взаимодействовать как со внеклеточной средой, так и с цитоплазмой клетки. Иногда также выделяют полуинтегральные белки, частично погруженные в мембрану, но не пронизывающие ее насквозь.

Тем не менее даже такая сложная модель организации биологической мембраны потребовала уточнения, когда к 80-м годам XX века развилась концепция липидных рафтов. Сам термин «липидные рафты» был впервые предложен в 1988 году К. Симонсом и Г. ван Меером для описания выделенных участков плотно упакованного липида. В настоящее время существование липидных доменов (то есть областей с определенным набором свойств) в плазматической мембране подтверждено огромным количеством исследований. Показано, что их формирование определяется в том числе белками, находящимися в рассматриваемой части мембраны. Мембранные белки, таким образом, распределены по поверхности клетки не хаотично, а занимают определенные участки, в которых может достигаться высокоупорядоченная структура.

Мембранные белки

Надо понимать, что живая клетка лишена привычных для нас органов чувств, которые, между прочим, сами состоят из определенных типов клеток. Тем не менее, как и нам с вами, клетке нужно взаимодействовать с окружающей средой. При этом для некоторых воздействий, например для света или для маленьких липофильных молекул, плазматическая мембрана не является препятствием, и потому они могут напрямую взаимодействовать с внутриклеточными белками. Здесь следует напомнить, что в ответ на внешние воздействия в клетке происходят каскады химических реакций, завершающиеся, например, началом выработки определенных белков или запуском определенных программ жизнедеятельности клетки. Так, в ответ на некоторые воздействия клетка может выделять во внешнюю среду гормоны или ферменты, начинать деление или даже запускать запрограммированный механизм собственной гибели - апоптоз. Это далеко не все возможные ответы, однако все они имеют общий принцип запуска в виде каскада химических превращений во внутриклеточном пространстве.

Также для поддержания жизнедеятельности необходим постоянный транспорт вещества через мембрану. Так как существует множество различных внешних сигналов, на которые клетка должна уметь отвечать, на ее поверхности представлено большое многообразие различных мембранных белков. Среди них выделяют рецепторы, ионные каналы, порины, транспортеры, молекулярные моторы и структурные белки. Рецепторные белки формируют внутри клетки сигнал в ответ на появление снаружи гормонов и сигнальных молекул. К ним относится, например, рецептор инсулина, отвечающий за поступление в клетку глюкозы. Ионные каналы обеспечивают транспорт ионов и поддержание градиента (то есть разницы в концентрациях) их концентраций между внешней средой и цитоплазмой клетки. Натриевые и калиевые каналы непосредственно участвуют в передаче нервного импульса. Порины и транспортеры обеспечивают перенос воды и определенных молекул через мембрану. Молекулярные моторы присутствуют у многих бактерий и обеспечивают подвижность клеток. Наконец, структурные белки поддерживают структуру мембраны и взаимодействуют с остальными белками. Не менее сложной является сеть внутриклеточных путей передачи сигналов с помощью каскадов реакций. Взаимодействиями белков в клетке и, соответственно, путями передачи сигналов занимается специальное научное направление, называемое интерактомикой (от англ. interaction - ‘взаимодействие’).

Мембрана как среда для взаимодействия белков

Выше уже было рассказано о различных классах мембранных белков и их распределении в плазматической мембране. Существующие представления о строении мембраны говорят о том, что на поверхности клетки формируются отдельные домены, содержащие определенный набор белков и липидов и предназначенные для выполнения заданных функций. Такое пространственное разделение может быть необходимо ввиду сложной организации процессов межмолекулярных взаимодействий и регуляции жизни живой клетки. Естественно, белки не работают поодиночке. Многие из них просто неспособны выполнять свои функции без своих партнеров. Нарушения в этом сложном механизме могут приводить к тому, что клетка начнет неправильно реагировать на внешние сигналы. Это приводит к развитию таких серьезных заболеваний, как рак и диабет, а также к целому ряду других. Для их лечения мы должны понимать, как работают эти сигнальные системы клетки и как можно на них воздействовать. Природа сама предлагает нам множество инструментов для такого воздействия: молекулы гормонов, а также токсины из различных ядов способны прицельно выбирать свои мишени на поверхности плазматической мембраны.

Однако далеко не всегда их можно использовать в исходном виде, поэтому одной из задач современной молекулярной биологии является разработка новых модифицированных соединений, которые бы селективно действовали на мембранные мишени и в то же время были лишены недостатков исходных природных молекул. При таких исследованиях необходимо понимание не только механизма узнавания между мишенью и терапевтическим агентом, но и всей специфики взаимной организации мембранных белков и мембраны в целом.

Надо понимать, что мембрана - это не просто инертная матрица, которая нужна для того, чтобы белки в ней расположились и работали. Мембрана - это очень активная и динамичная среда, которая существенным образом влияет на работу находящихся в ней белков. Это открывает новые пути для воздействия на мембранные белки путем изменения свойств самого липидного бислоя. Также крайне важным является взаимодействие между трансмембранными доменами белков. Оно определяет правильную организацию и функционирование огромного ряда жизненно важных систем клетки. Таким образом, мы должны иметь представление не только о функциях конкретных белков, но и о том, какие существуют взаимосвязи между их работой и свойствами мембраны. Первые результаты в этом направлении уже получены, однако на данном этапе мы еще не имеем перед собой полной картины функционирования мембраны клетки.

Рецепторные системы клетки

Среди всех мембранных белков, о которых было сказано выше, особое положение занимают рецепторы. Они обеспечивают передачу информации через плазматическую мембрану внутрь клетки. У многоклеточных организмов (и у многих бактерий, образующих колонии) передача информации между клетками осуществляется с помощью специальных сигнальных молекул, выделяемых во внешнюю среду. Среди этих сигнальных молекул выделяют гормоны - молекулы белковой природы, которые специально секретируются (выделяются) в специализированных органах. Также в качестве сигнальных молекул могут выступать небелковые соединения и даже ионы, образующиеся или высвобождающиеся, например, при повреждении соседних клеток. Таким образом устроена передача болевых сигналов, выполняющая важнейшую защитную функцию в организме. Рецепторы специфически распознают сигналы (молекулы лигандов), появляющиеся во внеклеточном пространстве, и запускают каскады реакций в ответ на них. Можно выделить два ключевых класса рецепторов: рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCR), и рецепторные тирозинкиназы (РТК).

Рецепторные тирозинкиназы - это обширный класс мембранных белков. К ним относятся рецепторы целого ряда факторов роста и гормонов. Одним из наиболее известных белков этого класса является рецептор инсулина. Без него был бы невозможен управляемый транспорт глюкозы в клетке, а нарушения в работе этого белка приводят к развитию диабета II типа. Рецепторы эпидермального фактора роста оказываются еще более важными, поскольку регулируют клеточный цикл. Неправильная их работа зачастую становится причиной развития онкологических заболеваний. Большинство из этих рецепторов имеют, на первый взгляд, очень простую структуру: один внеклеточный домен, одну трансмембранную альфа-спираль и один цитоплазматический киназный домен. Однако не все так просто, и поодиночке РТК не работают. Для активации им необходимо сформировать пару (или, по-научному, димер). Гормон или фактор роста взаимодействует со внеклеточным доменом РТК и способствует его димеризации, то есть образованию димера со вторым таким же рецептором. После этого происходит димеризация в трансмембранном и киназном доменах. В результате димер киназного домена становится отправной точкой для каскада химических реакций. Здесь описано лишь общее представление о механизме работы РТК, поскольку детали этого процесса довольно сложны и не до конца понятны даже по сей день.

К GPCR относятся зрительный родопсин, вкусовые рецепторы, рецепторы запахов и многие другие. Это большие молекулы, интегрированные в плазматическую мембрану. Они содержат по семь трансмембранных альфа-спиралей, которые пронизывают мембрану как столбы. В ответ на связывание лиганда снаружи мембраны эти белки претерпевают конформационную перестройку таким образом, что начинают взаимодействовать с G-белком, расположенным вблизи внутренней поверхности плазматической мембраны. При этом исходный сигнал может быть усилен, поскольку активированный рецептор может активировать несколько молекул G-белка.

Фармакологические мишени

В предыдущем разделе мы говорили о рецепторных системах клетки. Поскольку через них идет большинство сигналов, то именно они и являются теми точками, на которые мы можем воздействовать с помощью фармакологических средств. Действительно, более половины существующих лекарственных препаратов «нацелены» на мембранные белки. Они могут как блокировать их связывание с соответствующими лигандами, так и, наоборот, вызывать активацию и передачу соответствующего сигнала. Второй традиционной мишенью для лекарственных средств и природных токсинов являются ионные каналы.

Основной проблемой здесь является создание лекарственных соединений, обладающих очень высокой селективностью, то есть избирательно воздействующих только на один тип рецептора или даже на определенный его подтип. Это позволяет, например, оказывать воздействие только на определенные типы клеток в организме, поскольку в разных клетках, в зависимости от специализации, на мембране могут быть представлены несколько разные рецепторы. И селективное действие только на определенный их подтип может, например, помочь отделить опухолевые клетки от здоровых.

Это свойство в настоящее время используется в концепции создания модульных структур, когда фармакологическое средство представляет собой несколько молекул (или даже наночастиц), объединенных («сшитых») между собой. При этом возможно совмещение в одном лекарстве нескольких различных по своей функции частей. Так, можно создать «нацеливающую» часть, узнающую на поверхности клетки определенные рецепторы, связанные, например, с развитием рака. К ней добавляется мембранолитический (то есть разрушающий мембрану) агент либо проникающий через мембрану блокатор процессов транскрипции или трансляции (то есть останавливается процесс производства белков в клетке). В результате получается высокоэффективное фармакологическое средство, проявляющее минимум побочных эффектов. Первые лекарства нового поколения уже проходят стадию клинических испытаний и скоро будут применяться для высокоэффективной терапии.

Как правило, именно белки ответственны за функциональную активность мембран.

К таким белкам относятся разнообразные ферменты, транспортные белки, рецепторы, каналы, белки, образующие поры (аквапорины), то есть разнообразные белковые структуры, которые обеспечивают уникальность функций каждой мембраны.

Мембранные белки по биологической роли можно разделить на три группы:

I – белки-ферменты, обладающие каталитической активностью,

II – рецепторные белки, специфически связывающие те или иные вещества,

III – структурные белки.

Белки-ферменты

Наиболее распространены среди всех мембранных белков. В их число входят как интегральные (мембранные АТФазы), так и периферические (ацетилхолинэстераза, кислая и щелочная фосфатазы, РНКаза) белки.

Ферменты – большие молекулы, в то время как размеры молекул веществ (субстратов), вступающих в ферментативные реакции, обычно в тысячи раз меньше. Фермент взаимодействует с субстратом небольшим участком своей поверхности – активным центром. Специфичность фермента всегда определяется тем, насколько поверхность его активного центра соответствует поверхности субстрата. Этот принцип структурного соответствия повсеместно используется и в работе белков клеточных мембран. В дополнение к этому надо учесть, что конформация внедряющихся в мембрану белков зависит от мембранного бислоя, так что и их ферментативная активность контролируется мембранными липидами. Этот контроль может реализоваться благодаря как влиянию на сродство к субстратам или на их доступность, так и воздействию на длительность жизни (прочность) белковых ассоциатов мембранных ферментов, образующихся в клеточной мембране.

Ферменты входят в состав как плазматических, так и внутриклеточных мембран. Например, на наружной мембране эпителиальных клеток, выстилающих пищеварительные органы, имеются ферменты, осуществляющие расщепление питательных веществ еще до того, как они попадут внутрь клетки (этот процесс, открытый отечественным физиологом А.М. Уголевым носит название «мембранное пищеварение»). Наружная мембрана клеток печени содержит более 20 различных ферментов.

Мембранные ферменты нуждаются в контакте с окружающими их липидами. Когда их извлекают из липидного окружения (например, когда липиды экстрагируются из мембраны неполярными растворителями), работа мембранных ферментов нарушается (меняются особенности кинетики или характера влияния посторонних веществ или же вовсе прекращается). Активность таких мембранных ферментов удается частично восстановить, если к ним добавить липидные мицеллы.

Анализ природы липидов, активирующих мембранные ферменты, демонстрирует отсутствие строгой специфичности - определяющим является гидрофильно-липофильный коэффициент липидной смеси. В ряде случаев активировать делипидированный фермент удается даже детергентом. Однако такой реактивированный фермент теряет способность воспринимать регулирующие сигналы извне, которые управляли его работой в «живой» мембране.

Активирующее действие липидов на мембранные ферменты может быть, по меньшей мере, двояким. Во-первых, в присутствии липидов может меняться форма молекулы мембранного фермента, так что его активный центр становится доступным для субстрата. Во-вторых, липиды могут играть роль организатора ансамбля или конвейера, состоящего из многих ферментов.

Молекулы мембранных ферментов содержат большие неполярные гидрофобные участки. Поэтому в водной среде они агрегируют, из-за чего большая часть активных центров маскируется. В присутствии липидов мембранные ферменты организуются в ансамбли, окруженные аннулярными липидными молекулами, и их ферментативная активность может проявиться в полной мере. Для нормальной работы мембранных ферментов существенно, чтобы окружающие их липиды находились в жидком агрегатном состоянии.

Рецепторные белки

Рецепторными называют белки, специфически связывающие те или иные низкомолекулярные вещества. При связывании специфических лигандов рецепторные белки обратимо меняют свою форму. Эти изменения запускают внутри клетки ответные химические реакции. Таким способом клетка воспринимает различные сигналы, поступающие из внешней среды, и отвечает на них .

Белки-рецепторы и белки, определяющие иммунную реакцию клетки, – антигены, также могут быть как интегральными, так и периферическими компонентами мембраны.

Часто рецепторы входят в состав более сложных мембранных комплексов, содержащих белки-исполнители. Например, холинорецептор воспринимает сигнал от нейромедиатора и передает его на белок-каналообразователь. Эта реакция открывает проницаемость мембраны для ионов натрия и калия и формирует возбуждающий потенциал.