2.1. РЕЦЕПТОРНАЯ ФУНКЦИЯ. ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ
МЕМБРАНЫ И НЕКОТОРЫЕ ИХ СВОЙСТВА.
В основе рецепции лежит свойство биоструктур клеточного уровня переходить от состояния покоя в возбужденное состояние под действием внешних раздражителей и трансформировать энергию раздражения в информационный импульс (нервный, гуморальный, электромагнитный, акустический). Главенствующую роль в формировании возбуждения клетки играют структура и функциональное состояние ее цитоплазматической мембраны. Как известно, цитоплазматические мембраны представляют собой двойной слой фосфолипидных молекул с встроенными или примыкающими к нему белками и комплексами небелкового происхождения, включающими стероидные гормоны, простагландины, ионы металлов и т. п. (рис. 1).
Рис. 1. Схематическое изображение цитоплазматической бислойной мембраны.
Не останавливаясь на описанных в многочисленной специальной литературе биофизических и физико-химических свойствах этих мембран, выделим из них лишь наиболее важные с точки зрения понимания механизмов клеточной рецепции.
Для нормально функционирующей цитоплазматической мембраны необходима строго определенная среда по ионному составу и температуре. Известно, что мембрана обладает избирательностью по проницаемости для различных ионов и периодически ее меняет при возбуждении. С изменением температуры в биомембранах обнаружены генерализованные скачкообразные фазовые переходы, резко изменяющие их свойства, такие как вязкость, активность ферментативных реакций и др. [12]. Природа этих явлений остается недостаточно изученной.
Молекулы фосфолипидов и белков, составляющих структуру биомембраны, при физиологических температурах обладают высокой подвижностью в плоскости мембраны. Это явление называют латеральной диффузией и природу его относят к хаотическому тепловому перемещению. Следует отметить, что относительно размеров клетки скорость так называемой хаотической диффузии весьма высока. По данным, приведенным Ю. А. Владимировым с соавт. [13, с. 120-121], в отдельных видах липосом молекула фосфолипида в среднем перемещается за 1 секунду на 5 мкм, а для антигенов на поверхности лимфоцита скорость перемещения составляет примерно 0,2 мкмЧс
-1. Биомолекулы в мембранах также совершают достаточно интенсивные вращательные движения: поворот на 1 радиан происходит для различных молекул за период 10
-9ё10
-4 секунды.
Известно, что встроенные в фосфолипидный бислой сложные по структуре молекулы белка обладают конформационной динамикой под действием факторов как внутриклеточной, так и внеклеточной (внешней) сред. Так, по А. Б. Рубину [14, с. 192], "флуктуации молекулярного объема у молекул с молекулярной массой до 14000 могут составить при 300 К 0,03-0,04 нм
3, а флуктуации поверхности - до 0,01 нм
2, то есть 0,1 % всей площади поверхности молекулы. Длина водородной связи - основного фактора, стабилизирующего вторичную структуру, может меняться при тепловых флуктуациях(300 К) на 0,01 нм, а углы - на 20-25
о". Конформационные состояния создаются балансом сил ковалентных, ион-дипольных, водородных и других взаимодействий, каждое из которых обладает определенной энергией. Наиболее слабые гидрофобные и водородные связи обладают энергией взаимодействия 4
ё25 кДжЧмоль
-1, ковалентные связи, определяющие первичную структуру белка - 150-700 кДжЧмоль
-1. При этом каждое конформационное состояние молекулы белка обладает специфичным только для данного его состояния набором физико-химических проявлений, в частности, энергией активации реакций обмена.
Характерным свойством любой живой клетки является наличие разности электрического потенциала между внешней и внутренней сторонами цитоплазматической мембраны, при этом внутри клетки потенциал отрицательный по отношению к наружной стороне. Обычно трансмембранная разность потенциалов (D) в состоянии покоя для нервных и мышечных клеток составляет 60
ё90 мВ. Здесь следует обратить внимание на то, что если применить расчет для плоского конденсатора, то при толщине (d) мембраны 4
ё9 нм напряженность (Е) электрического поля составит весьма внушительную величину. Например,
если принять
D=70 мВ=70*10
-3 В, а d=7 нм=7*10
-9 м, то:
В/м.
Прежде чем рассматривать механизмы рецепторной функции клеток, обратим внимание на соотношение размеров объектов взаимодействия в процессе рецепции: клетка - кванты света (фотоны), молекулы вещества, ионы. Поперечный размер клеток составляет от долей до одного-двух десятков микрометров (10
-6 м). Для фотона примем размерность электрона -10
-15 м, для молекул-10
-9 м. Теперь, чтобы упростить наше ассоциативное представление увеличим перечисленные размерности, например, в 10
10 раз. Размерность клетки станет 10
4 м, тогда участок длиной в 1 мкм превращается в 10 км, а площадь поверхности цитоплазматической мембраны в 1 мкм
2 составит 10
8 м
2 или 10 тысяч гектаров. Фотон будет иметь размерность 10
-5 м или 0,01 мм, а молекула - 10 м. Таким образом, возникает наглядное соотношение: на поверхность 10 тыс. га могут воздействовать как частицы с размером много меньшим макового зерна, так и десятиметровые "глыбы". Но, что такое даже десяти метровое в диаметре тело по отношению к 10 тыс. га поверхности - это меньше одной миллионной ее части.
При таком соотношении размерностей фотоны или молекулы вещества могут вызвать возбуждение клеточных процессов за счет скорости движения, энергетического уровня, резонансных, электрохимических и других явлений взаимодействия со специализированными в сенсорном отношении структурами - рецептивными центрами клетки. Такими центрами (структурами) являются, прежде всего, белки и их ассоциации с лигандами, встроенные в фосфолипидный бислой и специфически реагирующие своей структурной организацией на тот или иной вид воздействия, иначе говоря, способные "узнавать" воздействующий сигнал, создавать возмущение мембраны в зоне своей локализации и тем самым выполнять функцию рецепторного аппарата клеток. Эти белки называют белками-рецепторами. Комплексы небелкового происхождения, обладающие определенной структурой, также могут исполнять роль рецептивных центров [15]. В состав рецептивных центров входят стероидные гормоны, простагландины и ионы металлов, связанные в специфические структуры посредством водородных, ионных, гидрофобных и других взаимодействий.