Функции и общее строение биологических мембран
Биологические мембраны выполняют четыре ключевые функции: отделяют содержимое клетки от внешней среды, регулируют транспорт веществ, образуют межклеточные контакты и воспринимают сигналы извне. Основу мембраны составляет двойной билипидный слой, построенный из амфифильных молекул. Липиды и белки удерживаются между собой слабыми нековалентными связями — гидрофобными, водородными, ионными.
В состав мембран входят три класса липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Холестерол регулирует жёсткость мембраны: его недостаток делает мембрану слишком текучей, избыток — чрезмерно жёсткой. Оптимальное содержание обеспечивает необходимую вязкость и текучесть.
Фосфолипиды и сфинголипиды
Фосфолипид состоит из остатка глицерола, двух остатков жирных кислот, фосфатной группы и полярной группы (головки). Гидрофобные хвосты обращены внутрь бислоя, гидрофильные головки — наружу или внутрь клетки. По типу полярной группы различают фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин и фосфатидилинозитол, участвующий в передаче сигнала. Кардиолипины входят в состав мембран митохондрий.
Сфинголипиды — производные сфингозина. Присоединение жирной кислоты к NH2-группе сфингозина даёт церамид. Присоединение моносахарида (галактозы или глюкозы) к церамиду образует цереброзид. Сфингомиелин содержит сфингозин, жирную кислоту, фосфатную группу и холин. Церамиды и цереброзиды преобладают в мембранах нервной ткани.
При полном гидролизе фосфолипида разрываются сложноэфирные связи. Например, из сфингомиелина образуются сфингозин, фосфорная кислота, холин и одна жирная кислота; из фосфатидилхолина — глицерол, две жирные кислоты, фосфат и холин.
Белки мембран и транспорт веществ
Мембранные белки делятся на интегральные (трансмембранные) и поверхностные. Они подвергаются гликозилированию и фосфорилированию, что защищает их от действия протеаз. Функции белков: транспорт веществ, передача гормональных сигналов, ферментативная активность, участие в иммунных реакциях и образование межклеточных контактов.
Транспорт веществ через мембрану бывает пассивным и активным:
- Простая диффузия — липофильные вещества (например, стероидные гормоны) проходят через бислой без переносчиков.
- Облегчённая диффузия — гидрофильные вещества переносятся белками-транспортёрами по градиенту концентрации.
- Первично-активный транспорт идёт против градиента с затратой АТФ (Na/K-АТФаза).
- Вторично-активный транспорт (симпорт, антипорт) использует градиент одного вещества для переноса другого: Na входит в клетку по градиенту, увлекая глюкозу против градиента.
Аденилатциклазная система передачи сигнала
Через аденилатциклазную систему передают сигнал глюкагон и адреналин. Гормон (первичный мессенджер) связывается с рецептором, изменяя его конформацию. Сигнал передаётся на β- и γ-субъединицы G-белка, затем на α-субъединицу. У α-субъединицы снижается сродство к ГДФ, присоединяется ГТФ, и α-субъединица перемещается вдоль мембраны к аденилатциклазе, активируя её.
Аденилатциклаза превращает АТФ в цАМФ — вторичный мессенджер. цАМФ связывается с регуляторными субъединицами протеинкиназы А (по 2 цАМФ на субъединицу), что приводит к отщеплению регуляторных и активации каталитических субъединиц. Активная протеинкиназа А фосфорилирует регуляторные ферменты: ферменты распада становятся активными, ферменты синтеза — неактивными. α-Субъединица сама дефосфорилирует ГТФ и возвращается на место. Расщепление цАМФ осуществляет фосфодиэстераза.
Холерный токсин вызывает АДФ-рибозилирование α-субъединицы, лишая её способности дефосфорилировать ГТФ. Аденилатциклаза постоянно активна, цАМФ накапливается, что приводит к выкачиванию Na и Cl и развитию диареи. Существует также Gi-белок (рецептор Ri), ингибирующий аденилатциклазу.
Инозитолфосфатная и каталитические системы
В инозитолфосфатной системе работает Gq-белок. Активная αq-субъединица стимулирует фосфолипазу С, которая расщепляет фосфатидилинозитолфосфат на инозитол-3-фосфат (ИФ3) и диацилглицерол (ДАГ). ИФ3 связывается с рианодиновыми рецепторами эндоплазматического ретикулума, высвобождая Ca²⁺ в цитозоль. ДАГ совместно с ионами кальция активирует протеинкиназу С. Кальций также связывается с кальмодулином. Через эту систему действуют АДГ и адреналин (через α1-рецепторы).
Каталитические рецепторы сами являются ферментами. Рецептор инсулина состоит из двух α- и двух β-субъединиц; β-субъединицы богаты тирозином. При связывании инсулина происходит аутофосфорилирование β-субъединиц (тирозиновая протеинкиназа), затем фосфорилируется ИРС-белок, активирующий фосфопротеинфосфатазу и фосфодиэстеразу. Итог действия инсулина — дефосфорилирование регуляторных ферментов: активны ферменты синтеза, неактивны ферменты распада.
Гуанилатциклазный рецептор активируется предсердным натрийуретическим фактором, гуанилином. Превращает ГТФ в цГМФ, который активирует протеинкиназу G путём простого связывания (без диссоциации субъединиц).
Внутриклеточные рецепторы
Стероидные гормоны и йодтиронины (Т3, Т4) гидрофобны, проходят через бислой пассивной диффузией. Цитоплазматические рецепторы характерны для стероидных гормонов, внутриядерные — для йодтиронинов. Комплекс гормон–рецептор проникает в ядро, связывается с регуляторным участком ДНК и активирует или подавляет транскрипцию. Это называется индукцией синтеза фермента: изменяется не активность, а количество ферментов, рецепторов и транспортёров в клетке.
Ключевые моменты
- Мембрана — это билипидный слой из амфифильных фосфолипидов, гликолипидов и холестерола, удерживаемых нековалентными связями.
- Холестерол регулирует жёсткость и текучесть мембраны.
- Транспорт через мембрану: простая и облегчённая диффузия (пассивный), первично- и вторично-активный (против градиента, с затратой АТФ).
- Аденилатциклазная система: глюкагон и адреналин → G-белок → аденилатциклаза → цАМФ → протеинкиназа А → фосфорилирование регуляторных ферментов.
- Инозитолфосфатная система: Gq-белок → фосфолипаза С → ИФ3 и ДАГ → повышение Ca²⁺ и активация протеинкиназы С.
- Инсулиновый рецептор — тирозиновая протеинкиназа; конечный эффект — дефосфорилирование регуляторных ферментов.
- Гуанилатциклазный рецептор образует цГМФ, активирующий протеинкиназу G без диссоциации субъединиц.
- Стероидные гормоны и Т3/Т4 действуют через внутриклеточные рецепторы, регулируя транскрипцию и количество ферментов.