Биологические мембраны: строение, транспорт веществ и трансмембранная передача сигнала

Строение и функции биологических мембран

Биологические мембраны выполняют четыре ключевые функции: отделяют содержимое клетки от внешней среды, регулируют транспорт веществ, образуют межклеточные контакты и воспринимают сигналы из внешней среды. Основу мембраны составляет двойной билипидный слой, образованный амфифильными молекулами с гидрофильной головкой и гидрофобными хвостами. Липиды и белки в мембране удерживаются слабыми нековалентными связями.

В состав мембран входят три типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Холестерол регулирует жёсткость и текучесть мембраны: его недостаток или избыток одинаково нарушают функции мембраны.

Липиды мембран

Фосфолипиды содержат остаток глицерола, два остатка жирных кислот, фосфатную группу и полярную головку. По типу полярной группы выделяют фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин и фосфатидилинозитол. Последний участвует в передаче внутриклеточного сигнала. Кардиолипины входят в состав мембран митохондрий.

К сфинголипидам относятся производные сфингозина:

• Церамид — сфингозин с присоединённой по NH₂-группе жирной кислотой.
• Цереброзид — церамид с присоединённым моносахаридом (чаще галактозой); входит в состав мембран нервной ткани.
• Сфингомиелин — содержит сфингозин, жирную кислоту, фосфатную группу и холин.

При полном гидролизе фосфатидилхолина образуются глицерол, две жирные кислоты, фосфорная кислота и холин; при гидролизе сфингомиелина — сфингозин, жирная кислота, фосфорная кислота и холин.

Белки мембран и транспорт веществ

Белки мембран делят на интегральные (трансмембранные) и поверхностные. Они подвергаются гликозилированию и фосфорилированию, что защищает их от протеаз. Функции мембранных белков: транспорт веществ, передача гормональных сигналов, рецепторная и ферментативная активность, участие в иммунных реакциях и межклеточных контактах.

Транспорт через мембрану бывает пассивным и активным:

• Простая диффузия — перенос липофильных веществ непосредственно через билипидный слой по градиенту концентрации.
• Облегчённая диффузия — транспорт гидрофильных веществ по градиенту с участием белка-переносчика.
• Первично-активный транспорт — против градиента концентрации с затратой АТФ (например, Na⁺/K⁺-АТФаза).
• Вторично-активный транспорт — симпорт или антипорт, использующий градиент натрия (например, всасывание глюкозы вместе с Na⁺).

Аденилатциклазная система передачи сигнала

Через аденилатциклазную систему действуют глюкагон и адреналин. Гормон связывается с Rs-рецептором, изменяя его конформацию. Сигнал передаётся на βγ-, а затем на α-субъединицу G_s-белка: ГДФ замещается на ГТФ, α-субъединица отделяется и активирует аденилатциклазу. Фермент превращает АТФ в цАМФ — вторичный мессенджер.

цАМФ связывается с регуляторными субъединицами протеинкиназы А, высвобождая её каталитические субъединицы. Активная протеинкиназа А фосфорилирует регуляторные ферменты: ферменты распада становятся активными, ферменты синтеза — неактивными. Это соответствует физиологической роли глюкагона и адреналина: мобилизация энергетических субстратов.

α-субъединица сама дефосфорилирует ГТФ в ГДФ и возвращается в комплекс. цАМФ расщепляется фосфодиэстеразой до АМФ, что прекращает сигнал. Холерный токсин вызывает АДФ-рибозилирование α_s-субъединицы, лишая её способности дефосфорилировать ГТФ; в результате аденилатциклаза постоянно активна, цАМФ накапливается, происходит избыточное выделение Na⁺ и Cl^- — развивается диарея. Через R_i-рецепторы и G_i-белок аденилатциклаза, наоборот, ингибируется.

Инозитолфосфатная и гуанилатциклазная системы

Инозитолфосфатная система работает через G_q-белок (или G_PLC) и активирует фосфолипазу С. Через эту систему передают сигнал антидиуретический гормон и адреналин (через α₁-рецепторы). Фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат на два вторичных мессенджера: инозитол-3-фосфат (ИФ₃) и диацилглицерол (ДАГ).

ИФ₃ связывается с рианодиновыми рецепторами эндоплазматического ретикулума, высвобождая ионы Са²⁺. ДАГ совместно с Са²⁺ активирует протеинкиназу С, которая фосфорилирует регуляторные белки. Кальций образует комплексы с кальмодулином и другими белками. Итог системы — повышение концентрации Са²⁺ в цитоплазме и активация клетки (например, секреция инсулина β-клетками, передача нервного импульса).

В гуанилатциклазной системе сигнальными молекулами являются предсердный натрийуретический фактор, гуанилин и натрийуретический пептид. Активная гуанилатциклаза превращает ГТФ в цГМФ, который активирует протеинкиназу G, фосфорилирующую регуляторные ферменты.

Каталитические и внутриклеточные рецепторы

Каталитические рецепторы сами являются ферментами. Инсулиновый рецептор состоит из двух α-субъединиц на поверхности и двух β-субъединиц, пронизывающих мембрану. После связывания инсулина с α-субъединицами происходит аутофосфорилирование β-субъединиц по остаткам тирозина — рецептор приобретает активность тирозиновой протеинкиназы. Он фосфорилирует ИРС-белок (субстрат инсулинового рецептора), который запускает дальнейший каскад: активирует фосфопротеинфосфатазу, фосфодиэстеразу, факторы транскрипции, способствует встраиванию ГЛЮТ-4 в мембрану адипоцитов и миоцитов.

Итоговый эффект инсулина — дефосфорилирование регуляторных ферментов: ферменты синтеза становятся активными, ферменты распада — неактивными. Это противоположно действию глюкагона и адреналина.

Внутриклеточные рецепторы делят на цитоплазматические и внутриядерные. Через ядерные рецепторы действуют йодтиронины (Т₃, Т₄), через цитоплазматические — стероидные гормоны. Эти гормоны гидрофобны и проходят через мембрану простой диффузией. Комплекс гормон-рецептор перемещается в ядро и регулирует транскрипцию генов, изменяя количество синтезируемых ферментов и белков-переносчиков (индукция или репрессия синтеза).

Ключевые моменты

• Основа мембраны — билипидный слой из амфифильных фосфолипидов; холестерол регулирует её текучесть.
• Транспорт через мембрану включает простую и облегчённую диффузию, первично- и вторично-активный транспорт.
• Аденилатциклазная система через G_s-белок и цАМФ активирует протеинкиназу А; работает для глюкагона и адреналина.
• Холерный токсин блокирует дефосфорилирование ГТФ на α_s-субъединице, вызывая постоянную активацию аденилатциклазы.
• Инозитолфосфатная система через фосфолипазу С образует ИФ₃ и ДАГ, повышая внутриклеточный Са²⁺.
• Инсулиновый рецептор обладает тирозинкиназной активностью и в итоге вызывает дефосфорилирование регуляторных ферментов.
• Гуанилатциклазная система использует цГМФ и протеинкиназу G; запускается натрийуретическими пептидами.
• Стероидные гормоны и йодтиронины действуют через внутриклеточные рецепторы, регулируя транскрипцию генов.