Функции и общее строение биологических мембран
Биологические мембраны выполняют несколько ключевых задач: отделяют содержимое клетки от внешней среды, регулируют транспорт веществ, образуют межклеточные контакты и обеспечивают восприятие сигналов извне. Структурную основу мембраны составляет двойной билипидный слой, образованный амфифильными молекулами. Липиды и белки в мембране удерживаются нековалентными (слабыми) связями, что обеспечивает текучесть и пластичность структуры.
Амфифильность фосфолипидов определяется наличием полярной (гидрофильной) головки и двух неполярных (гидрофобных) хвостов. Хвосты обращены друг к другу внутрь бислоя, а головки — наружу и в цитоплазму.
Липидный состав мембран
Основные классы липидов мембраны: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.
- Холестерол регулирует жёсткость и текучесть мембраны: его недостаток делает мембрану слишком жидкой, избыток — слишком жёсткой.
- Фосфолипиды построены из остатка глицерола, двух остатков жирных кислот, фосфатной группы и полярной группировки. По характеру полярной группы выделяют фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин, фосфатидилинозитол. Кардиолипины входят в состав мембран митохондрий.
- Сфинголипиды — производные сфингозина. К ним относят церамиды (сфингозин + жирная кислота), цереброзиды (церамид + моносахарид, чаще галактоза) и сфингомиелины (сфингозин, жирная кислота, фосфат, холин). Цереброзиды и сфингомиелины характерны для мембран нервной ткани.
При полном гидролизе фосфолипида разрываются эфирные связи: например, из сфингомиелина образуются сфингозин, жирная кислота, фосфорная кислота и холин; из фосфатидилхолина — глицерол, две жирные кислоты, фосфат и холин.
Белки мембран и транспорт веществ
Белки делят на интегральные (трансмембранные), пронизывающие бислой, и поверхностные, обращённые к цитоплазме или внеклеточной среде. Мембранные белки часто гликозилированы и фосфорилированы, что защищает их от протеаз. Они выполняют функции рецепторов, ферментов, переносчиков, участвуют в иммунных реакциях и образуют межклеточные контакты.
Транспорт через мембрану бывает пассивным и активным:
- Простая диффузия — для липофильных веществ (стероидные гормоны), идущих свободно через бислой по градиенту концентрации.
- Облегчённая диффузия — для гидрофильных веществ через белок-переносчик, также по градиенту.
- Первично-активный транспорт — против градиента концентрации с прямой затратой АТФ (например, Na⁺/K⁺-АТФаза).
- Вторично-активный транспорт — симпорт или антипорт, использующий градиент Na⁺, созданный АТФазой (например, поступление глюкозы вместе с натрием).
Аденилатциклазная и инозитолфосфатная системы
Сигнальные молекулы (первичные мессенджеры) — гормоны, нейромедиаторы, факторы роста, эйкозаноиды. Рецепторы делят на мембранные (ионотропные и метаботропные) и внутриклеточные. Метаботропные включают рецепторы, сопряжённые с G-белками, и каталитические рецепторы.
В аденилатциклазной системе (глюкагон, адреналин через β-адренорецепторы) гормон меняет конформацию рецептора, что передаётся на α-субъединицу G-белка. ГДФ замещается на ГТФ, α-субъединица активирует аденилатциклазу, превращающую АТФ в цАМФ. цАМФ активирует протеинкиназу А, отщепляя её регуляторные субъединицы; каталитические субъединицы фосфорилируют регуляторные ферменты. Ферменты распада в фосфорилированном состоянии активны, ферменты синтеза — неактивны. цАМФ разрушается фосфодиэстеразой. Холерный токсин блокирует дефосфорилирование ГТФ α-субъединицей, вызывая постоянную активацию аденилатциклазы и накопление цАМФ. Через Gi-белок α-субъединица, наоборот, ингибирует фермент.
В инозитолфосфатной системе (АДГ, адреналин через α₁-рецепторы) активируется фосфолипаза С, расщепляющая фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат на инозитол-3-фосфат (ИФ₃) и диацилглицерол (ДАГ). ИФ₃ связывается с рианодиновыми рецепторами ЭПР, высвобождая Ca²⁺. Ионы кальция совместно с ДАГ активируют протеинкиназу С и связываются с кальмодулином, вызывая клеточный ответ.
Каталитические и внутриклеточные рецепторы
Рецептор инсулина — тирозиновая протеинкиназа из двух α- и двух β-субъединиц. После связывания инсулина β-субъединицы аутофосфорилируются по остаткам тирозина и фосфорилируют ИРС-белок (Insulin Receptor Substrate). ИРС активирует фосфопротеинфосфатазу, фосфодиэстеразу, факторы транскрипции и способствует встраиванию ГЛЮТ-4 в мембрану адипоцитов и миоцитов. Итогом работы инсулина становится дефосфорилирование регуляторных ферментов: ферменты синтеза активируются, ферменты распада инактивируются.
Гуанилатциклазный рецептор (предсердный натрийуретический фактор, гуанилин) сам синтезирует цГМФ из ГТФ. цГМФ активирует протеинкиназу G путём связывания с её субъединицами без диссоциации; протеинкиназа G фосфорилирует регуляторные ферменты.
Внутриклеточные рецепторы — цитоплазматические (для стероидных гормонов) и ядерные (для йодтиронинов Т₃, Т₄). Гидрофобные гормоны проходят через мембрану диффузией, образуют комплекс «гормон-рецептор», который связывается с ДНК и регулирует транскрипцию. Этот механизм называют индукцией синтеза фермента и он изменяет количество, а не активность белков.
Ключевые моменты
- Мембрана — билипидный слой из амфифильных фосфолипидов с включением холестерола и белков.
- Холестерол поддерживает оптимальную текучесть мембраны.
- Транспорт веществ делится на пассивный (простая и облегчённая диффузия) и активный (первичный и вторичный).
- Аденилатциклазная система (глюкагон, адреналин) повышает цАМФ и активирует протеинкиназу А, фосфорилируя ферменты.
- Инозитолфосфатная система через ИФ₃ и ДАГ повышает уровень Ca²⁺ и активирует протеинкиназу С.
- Холерный токсин блокирует ГТФазную активность αs-субъединицы, вызывая стойкую активацию аденилатциклазы.
- Инсулиновый рецептор — тирозинкиназа, итогом её действия является дефосфорилирование регуляторных ферментов.
- Стероидные гормоны и йодтиронины действуют через внутриклеточные рецепторы, регулируя транскрипцию генов.