Все клетки и различные органеллы внутри них окружены очень тонкими, но необычайно прочными пленками, состоящими из липидов и белков, — биологическими мембранами. Основная функция мембран — создание непроницаемого для многих веществ барьера между клеткой и внешней средой или между различными отсеками внутри клетки, благодаря чему содержимое их не смешивается и в живой клетке поддерживается стройная система химических процессов.
Однако биологические мембраны — это непросто перегородки, они служат высоко специфичными посредниками между клеткой и средой или между органеллами и их окружением. Разнообразные функции клеток и органелл в значительной степени определяются строением их мембран и свойствами мембранных белков. Мембранные белки выполняют целый ряд жизненно важных функций. Так, высокая избирательность проницаемости мембран достигается благодаря тому, что специальные белки образуют каналы, пропускающие лишь определенные ионы и молекулы, а также помпы, способные переносить вещества против градиента их концентрации.
Мембранные белки-рецепторы обеспечивают передачу через мембрану внутрь клетки сигналов от внешних эффекторов, таких, как гормоны, нейромедиаторы или чужеродные антигены. Некоторые реакции должны протекать не в растворе, а на поверхности клеток или органелл, и осуществляется это также мембранными белками — ферментами и антигенами, — прикрепленными к мембранам. Для того чтобы понять, как работают мембранные белки, необходимо знать, какова их трехмерная структура и как она изменяется в ответ на те или иные внешние стимулы.
Мы исследовали структуру мембранных белков с помощью электронного микроскопа. Это позволило выяснить некоторые важные детали. Основой биологической мембраны является бимолекулярный слой липидов. Липидная молекула амфифильна, т.е. часть ее гидрофильна, а часть гидрофобна. «Голова» молекулы гидрофильна: она легко взаимодействует с водой, образуя с ней водородные связи. Два длинных углеводородных «хвоста» молекулы гидрофобны: они не способны образовывать водородные связи и не имеют сродства к воде. В физиологических условиях в водной среде такие молекулы стремятся образовать бислойную мембрану.
Их гидрофильные головы при этом образуют поверхность мембраны и взаимодействуют с водным окружением — межклеточной средой, цитоплазмой или матриксом органелл, а гидрофобные хвосты взаимодействуют друг с другом внутри биополя. Такая липидная мембрана имеет толщину около 45 А. Молекулы липидов находятся в постоянном тепловом движении и могут перемещаться в плоскости мембраны. Таким образом, липидный бислой представляет собой по существу двумерную пленку жидкости, лишь немного более вязкой, чем вода.
Несмотря на малую толщину и свойства жидкости, бислой очень стабилен, так как амфифильные молекулы липидов собраны в нем в наиболее энергетически выгодную структуру. Мембранные белки плотно встраиваются между липидными молекулами бислоя. Они могут быть разбросаны в мембране по одной или же образовывать скопления. Как ни разнообразны мембранные белки, все они отличаются от водорастворимых тем, что одновременно контактируют с двумя различными средами — липидным слоем и водой (часто мембранный белок насквозь пронзает бислой и соприкасается с водной фазой по обе стороны от него), т.е. находятся на границе раздела фаз.
Белки прочно связаны с бислоем (хотя и могут перемещаться в плоскости мембраны) благодаря тому, что так же, как липиды, обладают амфифильными свойствами. Гидрофильные участки белка взаимодействуют с водой и головами липидов, а гидрофобные участки погружены в мембрану и взаимодействуют с хвостами липидных молекул. Мембранные белки могут взаимодействовать также с водорастворимыми белками, друг с другом и с небольшими молекулами, способными растворяться в липидах.
Мы исходим из того, что, с одной стороны, особые свойства липидного окружения накладывают определенные ограничения на структуру мембранных белков, а с другой — к этим белкам вполне приложимы фундаментальные принципы белковой химии. Все белки состоят из аминокислот, соединенных пептидными связями в линейные последовательности. Полипептидная цепь (или несколько цепей) уложена в пространстве строго определенным образом, который диктуется самой последовательностью аминокислот.
Последовательность определяет укладку цепи потому, что 20 аминокислотных остатков, входящих в состав белков, различаются по размеру, форме, заряду, способности образовывать водородные связи и химической активности. В ходе эволюции были отобраны такие последовательности, которые дают стабильные и функционально активные белковые структуры.