Интегральные мембранные белки

 

Поистине замечательной составляющей мембраны являются оливки нашего бутерброда. Это белки, которые позволяют питательным веществам, шлакам и другим формам «информации» переноситься сквозь мембрану. При этом белковые «оливки» пропускают в клетку не просто молекулярный мусор, а только те молекулы, которые необходимы для бесперебойного функционирования цитоплазмы. Белки, выполняющие эту функцию, называются интегральными мембранными белками (ИМБ). Они встраиваются в «масляный» слой мембраны точно так же, как оливки на моей иллюстрации.

Как же удается ИМБ внедриться в «масло»? Вспомните, что белки представляют собой линейную цепочку связанных друг с другом остатков аминокислот. Из двадцати различных аминокислот одни представляют собой тяготеющие к воде (гидрофильные) полярные молекулы, а другие – гидрофобные, неполярные молекулы. Та область белковой цепочки, которая составлена из гидрофобных аминокислот, стремится достичь устойчивости в окружении, тяготеющем к жирам, – каким является, например, липидная сердцевина мембраны (см. стрелку на рисунке ниже). Именно таким образом гидрофобные части белка встраиваются во внутренний слой мембраны. Из‑за того, что некоторые области белковой цепочки состоят из полярных аминокислотных остатков, а другие – из неполярных, белковая молекула изгибается внутри и снаружи нашего «бутерброда».

 

 

Существует масса разновидностей и наименований ИМБ, но все они могут быть подразделены на две функциональные группы: белки‑рецепторы и белки‑эффекторы. ИМБ‑рецепторы – это органы чувств клетки, эквивалент наших глаз, ушей, носа, вкусовых луковиц и т. д. Рецепторы действуют как молекулярные «наноантенны», настроенные на восприятие определенных сигналов внешнего окружения. Часть этих рецепторов входит внутрь клетки для отслеживания состояния ее внутренней среды, а другие выведены наружу для улавливания сигналов извне.

Как и все прочие белки, о строении которых мы говорили выше, рецепторы имеют активную и неактивную конформацию и переходят от одной к другой, когда меняется их электрический заряд. Когда белок‑рецептор связывается с сигналом внешней среды, возникающее в результате перераспределение электрического заряда заставляет белковую цепочку свернуться по‑новому, и белок принимает «активную» конформацию. У клетки имеются нужным образом настроенные белки‑рецепторы для всех внешних сигналов, которые необходимо улавливать.

Некоторые рецепторы реагируют на сигналы физического характера. Один из таких примеров – эстрогенный рецептор, устройство которого в точности соответствует конфигурации и заряду молекулы белка эстрогена. Когда рядом оказывается молекула эстрогена, рецептор надежно сцепляется с ней, подходя как ключ к замку. Как только это происходит, электрический заряд рецептора перераспределяется, и белок переключается в свою активную конформацию. Аналогичным образом, гистаминные рецепторы по своей конфигурации соответствуют молекулам гистамина, инсулиновые рецепторы – молекулам инсулина и т. д.

«Антенны» рецепторов способны также улавливать колебания различных энергетических полей – света, звука и радиоволн. При этом они вибрируют наподобие ножек камертона, и если энергетические колебания во внешней среде оказываются в резонансе с антенной рецептора, то в нем происходит перераспределение заряда и изменение конфигурации. Я остановлюсь на этом более подробно в следующей главе, а сейчас хочу только подчеркнуть, что поскольку белки‑рецепторы могут воспринимать энергетические поля, то нам необходимо отказаться от представления о влиянии на физиологические процессы в клетке только молекул каких‑то веществ. Биологическое поведение может быть обусловлено незримыми силами, например мыслями, не в меньшей степени, чем химическими молекулами, например пенициллина. Данный факт подводит научное основание для нефармацевтической, энергетической медицины.

Белки‑рецепторы – штука замечательная, но непосредственно они на поведение клетки не влияют. Проинформированная рецепторами о внешних сигналах, клетка должна еще предпринять адекватные ответные действия для поддержания своей жизнедеятельности. Это задача белков‑эффекторов. Тандем рецепторов и эффекторов представляет собой механизм типа «раздражение – отклик», наподобие рефлекторной реакции во время медосмотра. Когда доктор ударяет вас по колену молоточком, сенсорный нерв получает сигнал и тут же передает информацию моторному нерву, который и заставляет ногу вздрагивать. По своим функциям рецепторы мембраны эквивалентны сенсорным нервам, а белки‑эффекторы – моторным нервам, непосредственно вызывающим действие. В целом комплекс рецептор‑эффектор действует как коммутатор, переводя сигналы из окружения клетки в ее поведение.

Значение ИМБ ученые осознали только за последние двадцать лет. Оно оказалось настолько велико, что изучение их функционирования превратилось в отдельное научное направление под названием «сигнальная трансдукция». Исследователи сигнальной трансдукции заняты тем, что пытаются классифицировать сотни сложнейших информационных путей, лежащих между восприятием мембраной сигналов окружающей среды и активацией белков, отвечающих за поведение клетки. Изучение трансдукции выводит клеточную мембрану на авансцену – точно так же, как эпигенетика устанавливает особую роль хромосомных белков.

Существует целый ряд разновидностей белков‑эффекторов, управляющих поведением клетки, поскольку для обеспечения ее нормального функционирования требуется решать целый ряд задач. Например, операция транспорта белка требует участия обширного семейства канальных белков, переносящих молекулы и информацию с одной стороны мембранного барьера на другую. В связи с этим настало время вспомнить о душистом перце из нашей «бутербродной» модели. Многие из канальных белков имеют форму туго смотанного шарика и напоминают нафаршированные душистым перцем оливки из нашего примера (см. рисунок на стр. 107). Когда электрический заряд белковой молекулы меняется, она изменяет форму – так, что возникает открытый канал, проходящий сквозь ее сердцевину. Канальный белок – это, по существу, одна и та же, единая в двух лицах оливка, меняющая облик в зависимости от электрического заряда. В активном состоянии структура такого белка напоминает пустую оливку, открывающую свободный проход. А в неактивном состоянии его конфигурация сходна с нафаршированной оливкой, наглухо закрытой от внешнего мира.

Особого внимания заслуживает деятельность такого белкового канала, как натрий‑калиевая АТФаза. В мембране каждой клетки насчитываются тысячи таких каналов. На их совокупную деятельность приходится едва ли не половина той энергии, которую ежедневно потребляет наш организм. Эти каналы открываются и закрываются с такой частотой, что напоминают вращающиеся двери универсама в день распродажи. С каждым оборотом такой канал выпускает наружу из цитоплазмы три положительно заряженных иона натрия и одновременно впускает внутрь два положительно заряженных иона калия из окружающей среды.

Натрий‑калиевая АТФаза не только потребляет большое количество энергии, но она и поставляет энергию ничуть не хуже привычных нам батареек (если только вы не забудете удалить их перед большой грозой[17]). На самом деле натрий‑калиевая АТФаза вырабатывает энергию гораздо лучше, чем батарейки в игрушках ваших детей, так как благодаря ей клетка превращается в постоянно перезаряжаемый биологический источник энергии.

 

Биологическое поведение может быть обусловлено незримыми силами, например мыслями, не в меньшей степени, чем химическими молекулами, например пенициллина.

 

Этот свой трюк натрий‑калиевая АТФаза проделывает следующим образом. При каждом своем обороте молекула этого белка выбрасывает наружу больший положительный заряд, чем впускает внутрь. Таких молекул в каждой клетке тысячи, и каждая из них совершает по несколько сотен циклов в секунду, так что внутреннее пространство клетки приобретает отрицательный заряд, а внешнее – положительный. Об отрицательном заряде на внутренней поверхности мембраны еще говорят как о мембранном потенциале. Само собой, липидный («масляный») слой мембраны не позволяет электрически заряженным атомам (ионам) пройти сквозь барьер, так что общий заряд внутри клетки остается отрицательным. Положительно заряженная снаружи и отрицательно – внутри, клетка превращается в самозаряжающуюся «батарейку», энергия которой используется для обеспечения различных биологических процессов.

Другая разновидность белков‑эффекторов, цитоскелетные белки, управляет формой и подвижностью клетки. Еще одна разновидность, называемая ферментами, способствует расщеплению или синтезу различных молекул – именно поэтому ферменты продаются в магазинах здорового питания в качестве пищевых добавок. Будучи активированы, все виды белков‑эффекторов – канальные, цитоскелетные, ферменты и их производные – могут выполнять и роль сигналов, активирующих гены. Именно ИМБ и их производные выступают в качестве сигналов, которые управляют связыванием хромосомных регуляторных белков, образующих «рукав» вокруг ДНК. Вопреки расхожим представлениям, гены не контролируют свою собственную активность. «Считывание» генов, ответственных за замену изношенных и синтез новых белков, управляется мембранными белками‑эффекторами, откликающимися на сигналы окружающей среды.

 

Как этот мозг работает

 

Как только я понял, как действуют ИМБ, я сделал вывод, что функции клетки формируются, прежде всего, ее взаимодействием с окружающей средой, а не генетическим кодом. Безусловно, генетические программы в молекулах ДНК ядра – уникальный объект, формировавшийся в течение трех миллиардов лет эволюции. Но при всей своей уникальности эти программы не «управляют» функционированием клетки. Даже с чисто логической точки зрения гены не могут служить раз и навсегда определенной программой жизни клетки или организма, ведь выживаемость последних определяется умением динамически приспосабливаться к изменчивому окружению.

Способность мембраны «осмысленно» взаимодействовать с окружающей средой, обусловливая поведение клетки, делает ее самым настоящим клеточным мозгом. Давайте подвергнем мембрану такому же испытанию, какому мы подвергали, пробуя ядро на роль клеточного мозга. Если разрушить мембрану, клетка погибнет точно так же, как погибнет человек, если удалить ему мозг. Даже если оставить мембрану в целости и уничтожить только лишь ее белки‑рецепторы (это легко делается в лаборатории при помощи пищеварительных ферментов), клетка окажется «живым трупом». Она впадет в коматозное состояние, потому что больше не будет получать извне необходимых для своего функционирования сигналов. Аналогичным образом клетка впадает в кому, если обездвижить ее эффекторы, не трогая белки‑рецепторы.

Демонстрировать «осмысленное» поведение клетка может только при наличии функционирующей мембраны, имеющей как рецепторы (обеспечивающие восприятие информации), так и эффекторы (обеспечивающие действие). Эти белковые комплексы – фундаментальные составляющие клеточного «разума». Говоря условно, их можно было бы назвать средствами «восприятия». Это восприятие определяется как «осознание элементов окружения через посредство физического ощущения». Первая часть этого определения описывает функцию мембранных белков‑рецепторов, а вторая – роль ответственных за создание «физического ощущения» белков‑эффекторов.

Изучая эти основные составляющие восприятия, мы предаемся чисто редукционистскому занятию – разбираем клетку на ее элементарные винтики и гаечки. В связи с этим важно отметить, что в каждый момент времени в клеточной мембране присутствуют сотни тысяч таких переключателей. Соответственно, поведение клетки невозможно понять, изучив только какой‑то один из них. Чтобы понять ее поведение, необходимо принять во внимание деятельность всех переключателей в тот или иной момент. В этом состоит холистический – противоположный редукционистскому, подход, который я намереваюсь развить в следующей главе.

На клеточном уровне история эволюции есть в значительной мере история увеличения количества базовых единиц «разума» – мембранных белков‑рецепторов и эффекторов. Утонченность организации достигалась клетками за счет более эффективного использования мембраны и ее растягивания, благодаря которому на ее поверхности появлялось место для новых интегральных белков. У примитивных организмов‑прокариот ИМБ осуществляют все основные физиологические функции – пищеварение, дыхание, выделение. На последующих этапах эволюции участки мембраны, ответственные за эти функции, ушли внутрь, образуя покрытые мембраной органеллы, характерные для эукариотической цитоплазмы. Благодаря этому увеличилась общая площадь мембраны и, соответственно, возможное количество воспринимающих ИМБ. Учтем также, что эукариоты в тысячи раз крупнее прокариот, что влечет за собой колоссальный рост площади мембранной поверхности – а значит, и доступного места для новых ИМБ. Результатом всего этого явилась бóльшая информированность, а значит, и повышение выживаемости.

Итак, в процессе эволюции клеточная мембрана растягивалась, но этому есть физический предел. Начиная с какого‑то момента истончившаяся клеточная мембрана оказывается не в состоянии удержать внутри себя большое количество цитоплазмы. Представьте себе, что вы наполняете водой воздушный шарик. Какое‑то количество жидкости он вполне сможет выдержать, но если вы нальете ее слишком много, он лопнет и забрызгает все вокруг. Точно так же повела бы себя и клеточная мембрана, заполненная слишком большим количеством цитоплазмы. Когда ее толщина достигла критической величины, эволюция индивидуальной клетки подошла к своему пределу. Вот почему в первые три миллиарда лет эволюции отдельные клетки были единственными организмами на нашей планете. Ситуация изменилась, лишь когда клетки нашли новый способ увеличить свою информированность об окружающей среде. Они начали соединяться друг с другом, образуя многоклеточные сообщества. В таких сообществах клетки обрели возможность делиться своими знаниями – я говорил об этом в первой главе.

В широком смысле необходимые для выживания отдельной клетки и сообществу клеток функции – одни и те же. Но когда клетки образовали многоклеточные организмы, у них появилась специализация. В многоклеточных сообществах существует разделение труда. В особенности оно очевидно для тканей и органов, выполняющих те или иные специализированные функции. Например, в одиночной клетке дыхание осуществляется митохондриями. А в многоклеточном организме ту же функцию выполняют миллиарды специализированных клеток, образующих легкие. Еще один пример: в одиночной клетке движение возникает в результате взаимодействия белков цитоплазмы, называемых актином и миозином. В многоклеточном же организме работу по обеспечению подвижности выполняют сообщества специализированных мышечных клеток, каждая из которых содержит большое количество актина и миозина.

Я повторяю эти сведения из первой главы, потому что хочу подчеркнуть: если в отдельной клетке задачу восприятия информации об окружающей среде и включение необходимого отклика на эту среду выполняет мембрана, то в нашем организме эти функции перешли к специальной группе клеток, которую мы называем нервной системой. Вовсе неслучайно и то, что нервная система человека ведет свое происхождение из кожи эмбриона, человеческого аналога клеточной мембраны.

И повторю еще раз: несмотря на то что мы достаточно далеко отстоим от одноклеточных организмов, изучение отдельных клеток, по моему убеждению, – весьма эффективный способ исследования многоклеточных организмов. Даже такой сложнейший человеческий орган, как мозг, охотнее раскроет нам свои тайны, если мы во всех подробностях ознакомимся с работой мембраны – его клеточного эквивалента.

 

Тайна жизни

 

Как вы уже знаете из этой главы, в последнее время ученые достигли значительных успехов в разрешении многочисленных загадок такой обманчиво простой клеточной мембраны. Но в общих чертах функции ее были известны еще много лет назад. Собственно говоря, именно в 1985 г. я впервые осознал, какие далеко идущие последствия может иметь изучение работы мембраны. Озарение, которое на меня тогда снизошло, чем‑то напоминало поведение пересыщенных растворов. Внешне эти растворы выглядят как обычная вода, но в них так много растворенного вещества, что лишь еще одна его крупинка порождает бурную реакцию, в результате которой все растворенное вещество выпадает в виде огромного кристалла.

В 1985 г. я жил в съемном доме на просоленном карибском острове Гренада и преподавал в другой «оффшорной» медицинской школе. Было два часа ночи, и я сидел, перелопачивая свои многолетние записи по биологии, химии и физике клеточной мембраны, освежая в памяти механику мембраны и стараясь понять ее работу как системы обработки информации. И вот тут‑то я и пережил момент озарения, который превратил меня… нет, не в кристалл, но в биолога, который поверил в первенство мембраны и потому не имел более морального права растрачивать жизнь попусту.

В тот ранний утренний час я коренным образом пересмотрел свои представления о структурной организации клеточной мембраны. Я как будто в первый раз посмотрел на выстроившиеся в ряд, словно солдаты на параде, фосфолипидные молекулы. Структуру, молекулы которой организованы регулярным, повторяющимся образом, принято называть кристаллом. Существует два основных типа кристаллов. Те, что знакомы большинству людей, представляют собой твердые, неподатливые минералы – к ним относятся алмазы, рубины и даже обычная соль. Кристаллы же второго типа, несмотря на то что их молекулы соединены в регулярную структуру, имеют более текучую консистенцию. Хорошо знакомым примером использования жидких кристаллов может служить индикатор электронных часов и экран ноутбука.

Чтобы лучше разобраться в том, что представляют собой жидкие кристаллы, вернемся к нашему сравнению с солдатами на параде. Когда марширующие солдаты поворачивают за угол, они сохраняют общий строй, хотя каждый из них движется индивидуально. Они ведут себя подобно текущей жидкости, но не утрачивают при этом своей кристаллической организации. Фосфолипидные молекулы клеточной мембраны ведут себя схожим образом. Их подвижная кристаллическая организация позволяет мембране динамически менять форму, сохраняя при этом свою целостность. Это – необходимое свойство гибкого мембранного барьера. В качестве определения я записал: «Мембрана – это жидкий кристалл».

После этого я задумался над тем обстоятельством, что мембрана, состоящая из одних только фосфолипидов, представляла бы собой аналог хлеба с маслом – без оливок. В описанном выше опыте подкрашенная жидкость в этом случае не смогла бы проникнуть сквозь «масляный» (липидный) барьер. Такой бутерброд из хлеба и масла не мог бы ничего проводить. Но если в игру вступают «оливки» – ИМБ, мембрана становится проводящей для одних веществ и непроводящей для других. Поэтому я продолжил свое описание мембраны следующим утверждением: «Мембрана – это полупроводник».

Наконец, я решил включить в свое описание две наиболее распространенные разновидности ИМБ. Таковыми являются рецепторы и класс эффекторов, называемых каналами, – именно эти белки позволяют клетке выполнять важнейшую функцию пропуска внутрь питательных веществ и выпуска наружу шлаков. Я уже готов был написать, что мембрана содержит «рецепторы и каналы», но тут до меня дошло, что рецепторы в данном случае – это, по существу, вентили. Соответственно, я закончил свое описание фразой: «Мембрана содержит вентили и каналы».

Я откинулся на спинку кресла и перечитал получившееся описание: «Мембрана – это жидкокристаллический полупроводник, содержащий вентили и каналы». Эта фраза меня словно ударила: я совершенно определенно уже слышал или читал что‑то подобное – вот только не мог вспомнить, где именно. Но в одном был абсолютно уверен: речь там шла не о биологии.

И тут мой взгляд упал на угол письменного стола, где стоял новенький симпатичный «Макинтош» – мой первый персональный компьютер. Рядом с ним лежала ярко‑красная книжка, а заголовок на ее обложке гласил: «Как работает ваш компьютер». Это было купленное мною на днях справочное руководство для пользователей. Схватив книгу, я пробежал глазами введение и почти сразу наткнулся на определение: «Микрочип – это полупроводниковый кристалл с электрическими вентилями и каналами».

В первые пару секунд я только молча сидел, огорошенный таким совпадением. Еще несколько секунд я лихорадочно сопоставлял и противопоставлял биологические мембраны и кремниевые полупроводники. Но настоящий шок испытал, когда понял, что сходство определений компьютерного чипа и клеточной мембраны не случайно. Мембрана в самом деле гомологична кремниевой микросхеме – т. е. представляет собой ее структурный и функциональный эквивалент!

Двенадцать лет спустя австралийский коллектив исследователей, возглавляемый Б. А. Корнеллом, опубликовал в журнале Nature статью, которая подтвердила мою гипотезу о гомологичности клеточной мембраны и компьютерного чипа. Исследователи выделили клеточную мембрану и присоединили к ней снизу кусочек золотой фольги. Затем они заполнили пространство между мембраной и фольгой раствором электролита. При стимуляции соответствующим электрическим сигналом каналы открывались и позволяли электролиту пройти сквозь мембрану. Что же до фольги, то она играла роль датчика, благодаря которому электрическая активность каналов могла быть измерена и отображена в виде цифровых показаний датчика. Это устройство показало, что клеточная мембрана не только выглядит как электронный чип, но и функционирует подобно ему. Корнеллу и его коллегам удалось превратить биологическую клеточную мембрану в электронное устройство с цифровой индикацией.

«Ну и что с того?» – спросите вы. Гомологичность клеточной мембраны и компьютерного чипа означает, что сравнение живой клетки и персонального компьютера не только правомерно, но и способно помочь нам лучше разобраться в том, как работает клетка. И первая сногсшибательная мысль, на которую наводит такое упражнение, состоит в том, что клетки программируемы подобно компьютерам. Из этой мысли тут же следует и другая – что программист в обоих случаях находится снаружи. Биологическое поведение и генная активность динамически связаны с информацией, поступающей в клетку из окружающей среды.

Суть в следующем: клетка является «программируемым чипом», поведение и генетическая активность которого управляется главным образом сигналами из окружающей среды, а не генами.

Полученное мной биологическое образование было столь же «ядроцентристским», как было геоцентристским астрономическое образование Коперника, так что мне потребовалось определенное усилие для осознания того факта, что ядро с его генами не задает программу для клетки. Данные из внешней среды вводятся в клеточный компьютер через посредство мембранных рецепторов – клеточной «клавиатуры». Рецепторы приводят в действие мембранные белки‑эффекторы, играющие роль «центрального процессора» клетки. В свою очередь, этот «центральный процессор» преобразует информацию, поступающую из окружающей среды, в бинарный код, используемый оперативной системой компьютера. Рецепторно‑эффекторные белковые комплексы представляют собой функциональное дополнение процессора компьютера. Входящая экологическая информация передается от рецептора к белку‑эффектору, который преобразует входящий сигнал на поведенческий язык биологии.