Биологическая химия - часть 73

Таким образом, представленные данные о вторичных мессенджерах

свидетельствуют о том, что каждой из этих систем посредников гормональ-

ного эффекта соответствует определенный класс протеинкиназ, хотя нельзя

исключить возможности существования тесной связи между этими система-

ми. Активность  п р о т е и н к и н а з  т и п а А регулируется цАМФ,  п р о т е и н -

к и н а з ы G – цГМФ; Са

2+

-кальмодулинзависимые  п р о т е и н к и н а з ы на-

ходятся под контролем внутриклеточной [Са

2+

], а  п р о т е и н к и н а з а  т и п а

С регулируется диацилглицеролом в синергизме со свободным Са

2+

 и кис-

лыми фосфолипидами. Повышение уровня какого-либо вторичного мес-

сенджера приводит к активации соответствующего класса протеинкиназ

и последующему фосфорилированию их белковых субстратов. В результате

меняется не только активность, но и регуляторные и каталитические

свойства многих ферментных систем клетки: ионных каналов, внутрикле-

точных структурных элементов и генетического аппарата.

Известно, что эффект стероидных гормонов реализуется через генетиче-

ский аппарат путем изменения экспрессии генов. Гормон после доставки

с белками крови в клетку проникает (путем диффузии) через плазматиче-

скую мембрану и далее через ядерную мембрану и связывается с внутри-

ядерным рецептором–белком. Комплекс стероид–белок затем связывается

с регуляторной областью ДНК, с так называемыми гормончувствительны-

ми элементами, способствуя транскрипции соответствующих структурных

генов, индукции синтеза белка de novo (см. главу 14) и изменению

метаболизма клетки в ответ на гормональный сигнал.

Следует подчеркнуть, что главной и отличительной особенностью моле-

кулярных механизмов действия двух основных классов гормонов является

то, что действие пептидных гормонов реализуется в основном путем

посттрансляционных (постсинтетических) модификаций белков в клетках,

в то время как стероидные гормоны (а также тиреоидные гормоны,

ретиноиды, витамин D

3

-гормоны) выступают в качестве регуляторов

экспрессии генов. Это обобщение, однако, не является абсолютным, и

здесь возможны модификации, рассмотренные при описании отдельных

гормонов.

297

Фосфатидил-инозитол

Фосфатидил-

инозитол-

киназа

Фосфатидил-инозитол-бисфосфат

Фосфолипаза С

Диацилглицерол

Инозитол-1,4,5-три-

фосфат

2АТФ

2АДФ

Н

2

О

Глава 9

БИОМЕМБРАНЫ И БИОЭНЕРГЕТИКА

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ БИОМЕМБРАН

Все клетки отграничены друг от друга и от окружающей среды с помощью

специальной оболочки – клеточной мембраны. Со времен К. Негели, опи-

савшего в 1855 г. структуру мембран, окружающих живые клетки, пред-

ставления об устройстве и функциях мембран существенно обогатились.

Клеточная мембрана во многом определяет свойства, поведение и даже

форму клетки. Мембраны прокариот и эукариот различаются между собой

по составу и свойствам. Растительные и животные клетки также отличаются

друг от друга как по набору органелл, так и по свойствам мембран

(рис. 9.1).

Состав и строение биологических мембран. Биологические мембраны

состоят из белков и липидов. Углеводы присутствуют лишь в качестве

составных частей сложных белков (гликопротеинов) и сложных липидов

(гликолипидов). Нуклеиновые кислоты в небольшом количестве бывают

ассоциированы с мембранами, но в состав мембранных структур не

включаются. Вода составляет 20% от мембранного материала, а отноше-

ние белок/липид в зависимости от вида мембран колеблется от 0,25 (клетки

миелиновой оболочки) до 3,0 (митохондриальные мембраны).

Липиды мембран представлены четырьмя основными группами: фосфо-

липидами (основная доля), сфинголипидами, гликолипидами и стероидами.

Фосфолипиды – это сложные эфиры фосфатидной кислоты. Основными

фосфолипидами являются фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фос-

фатидилинозит и фосфатидилхолин. В состав фосфолипидов входят также

дифосфатидилглицерины (кардиолипин), плазмалогены (1-О-алкенил-2-О

ацилфосфолипиды) и диольные фосфолипиды. Сфинголипиды, которые

являются производными церамида и монофосфорных эфиров различных

спиртов, представлены в основном сфингомиелином. Гликолипиды – глико-

зильные производные церамида – представлены как нейтральными церебро-

зидами, так и их кислыми сульфоэфирами – сульфатидами. Производные

церамида и нейраминовой кислоты – ганглиозиды – часто выделяют в от-

дельную группу липидов – гликосфинголипиды. Стероиды представлены

холестерином (в мембранах животных клеток), ситостерином (в раститель-

ных клетках) и тетрахименином (обнаружен у тетрахимены).

Несмотря на различия в составе, все мембранные липиды построены по

единому плану и легко смешиваются друг с другом, образуя монослойные

или бислойные структуры (рис. 9.2). В этих структурах реализуется 2 типа

взаимодействий: ионные взаимодействия полярных «голов» и гидрофобные

взаимодействия жирнокислотных цепей. Благодаря этому мицеллы и липо-

сомы, создаваемые протяженными бислойными структурами, достаточно

стабильны в водном окружении.

В наружных (плазматических) мембранах животных клеток обнаружива-

ется большое количество холестерина (около 21 моль%), меньше – фос-

298

Рис. 9.1. Схематическое изображение животной (слева) и растительной (справа)

клетки.

фатидилэтаноламина и еще меньше фосфатидилхолина. Для внутриклеточ-

ных мембран основным компонентом является фосфатидилхолин, и соотно-

шение фосфатидилхолин/фосфатидилэтаноламин в них всегда больше 1.

Соотношение основных классов липидов мембран нейронов у различных

животных почти не подвержено изменениям. По-видимому, это соотноше-

ние сформировалось на самых ранних стадиях эволюции и обеспечивает как

стабильность липидного бислоя, так и возможность включения в него

белковых молекул. В то же время жирнокислотные компоненты мембран-

ных липидов сильно подвержены эволюционной и сезонной изменчивости.

Жирные кислоты, составляющие «хвост» липидных молекул, представ-

лены насыщенными [от лауриновой (С

12

) до лигноцериновой (С

24

)] и нена-

сыщенными (мононенасыщенные пальмитоолеиновая и олеиновая; полине-

насыщенные линолевая, линоленовая, арахидоновая) кислотами. У высших

растений преобладают пальмитиновая, олеиновая и линолевая кислоты,

а стеариновая почти не обнаруживается; в ряде случаев выявляются

оксикислоты. В мембранах животных клеток, кроме пальмитиновой и олеи-

новой, много стеариновой кислоты и больше высокомолекулярных жирных

кислот (содержат 20–24 углеродных фрагмента). Жирные кислоты, как

299

Клеточная стенка

Хлоропласт

Плазматическая

мембрана

Митохондрии

Эндоплаз-

матический

ретикулум

Ядро

Митохондрии

Аппарат

Гольджи

Вакуоль

(тонопласт)

Лизосома

10

 мкм

Рис. 9.2. Химические формулы распространенных липидов биологических мембран.

1 - фосфатидилэтаноламин; 2 - фосфатидилсерин; 3 - фосфатидилинозит; 4 - фосфатидилхолин;

5 - кардиолипин; 6 - сфингомиелин; 7 - цереброзид; 8 - холестерин; 9 - расположение молекулы

холестерина между двумя молекулами фосфолипидов: а - наименее упорядоченная область

бислоя, б - область, упорядочиваемая холестерином, в - область полярных «голов». Красным

отмечены полярные области молекул.

правило, имеют четное число атомов углерода, но у цереброзидов и ган-

глиозидов встречаются и нечетные углеводородные остовы. У бактерий

полиненасыщенные жирные кислоты практически отсутствуют, но часто

имеются разветвленные окси- и циклопропансодержащие кислоты. Для

мембран термоацидофильных, галофильных и метанообразующих архебак-

терий характерно наличие нетипичных липидов, содержащих изопреноид-

300