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.
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.
