Биологические мембраны играют ключевую роль в процессах приема, переработки и передачи информации в клетке, обеспечивающих согласованное протекание множества биохимических реакций целостного организма. Проблемы клеточной сигнализации – это область мембранологии, она начала развиваться во второй половине XX века после создания Е. Сазерлендом (Нобелевский лауреат, 1971) концепции вторичных сигналов (мессенджеров). Внешний сигнальный агент, называемый первичным мессенджером (посредником), как правило, не проникает внутрь клетки, а специфически взаимодействует с клеточными рецепторами. В качестве первичных мессенджеров выступают различные химические соединения (гормоны, нейромедиаторы) или физические факторы (квант света). Гидрофобные гормоны способны диффундировать через липидный бислой внутрь клетки и связываться с растворимыми (внутриклеточными) рецепторными белками. Гидрофильные вещества (первичные мессенджеры) внутрь клетки не проникают и поэтому имеют мембранные рецепторы. Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны, то она активирует их, и они передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на белки-преобразователи, связанные с рецепторами, и ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями и активирующие вторичные внутриклеточные мессенджеры, переносящие информацию внутрь клетки. В роли вторичных мессенджеров выступают малые молекулы и ионы: сАМР, циклический гуанозин-3,5-монофосфат (сГМР), инозитол- 1,4,5-трифосфат (IР3), диацилглицерол, арахидоновая кислота, ионы кальция и др. Вторичные мессенджеры характеризуются следующими свойствами: – имеют небольшую молекулярную массу; – с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; – быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы (например, ионы кальция выкачиваются во внешнюю среду или поступают во внутриклеточные депо с помощью Са2+ -АТФаз). Это необходимо для того, чтобы сигнал первичного мессенджера был обратим, иначе произойдет нарушение метаболических реакций в клетке и возникновение патологических состояний организма.

 В плазматических мембранах клеток локализованы различные специализированные рецепторные системы, в процессе функционирования которых осуществляются следующие стадии: – связывание первичного мессенджера с рецептором; – передача информации о связывании внешнего сигнала с рецептором на мембранные белковые компоненты каскада; – образование вторичного мессенджера; – формирование клеточного ответа. Процесс передачи внешнего сигнала с помощью внутримембранных компонентов каскада представляет собой последовательные стадии изменения конформационного состояния и функциональной активности белков, связанных друг с другом непосредственно или опосредованно с участием других структурных элементов мембран.

 Все процессы жизнедеятельности у человека и животных находятся под контролем нервных клеток, которые секретируют в синаптическую щель нейромедиаторы, и эндокринных желез, которые выделяют в кровь гормоны. Гормоны и нейромедиаторы сообщают органам и тканям, что, когда и сколько они должны производить. Отклонение от нормы того или иного процесса жизнедеятельности включает нервную систему регуляции, и нейромедиаторы, изменяя активность ионных каналов (являющихся одновременно рецепторами нейромедиаторов), вызывают гипер- или деполяризацию мембраны. Эта регуляция клеточной активности, происходящая за счет физических процессов (перемещение ионов через мембрану), развивается и гасится за доли секунды. Если нервная система не в состоянии вернуть тот или иной фактор гомеостаза к норме, подключаются гормоны (гидрофильные), действующие через мембранные рецепторы и системы вторичных мессенджеров. Эта регуляция, происходящая за счет химических процессов (синтез вторичных мессенджеров, химическая модификация белков-эффекторв) развивается и гасится за минуты.

Если отклонения от нормы того или иного процесса достигают опасных для организма величин, или должны произойти фенотипические изменения клеток, подключаются стероидные и тиреоидные гормоны, имеющие внутриклеточные рецепторы. Гормон- рецепторный комплекс в этом случае связывается с ДНК и влияет на экспрессию генов, а, следовательно, на концентрацию определенных белков в клетке. Эта регуляция реализуется через 3–6 часов после появления гормона в крови, а гасится спустя 6–12 ч.

 Вопросы и задания для самоподготовки

1. Что собой представляет каскад передачи сигнала?

2.  Какие вы знаете типы клеточных рецепторов?

Рекомендуемая литература

1. Ткачук В.А. Молекулярные механизмы нейро-эндокринной регуляции / В.А. Ткачук // Соросовский образовательный журнал. – 1998. - № 6. – С. 16-20.

 2. Филиппов П.П. Как внешние сигналы передаются внутрь клетки / П.П. Филиппов // Соросовский образовательный журнал. – 1998. - № 3. – С. 28-34.

 Тема 4. Квантовая биофизика. Фотобиология

 4.1. Взаимодействие квантов света с молекулами. Электронные переходы при поглощении света в биомолекулах

 Квантовая биофизика изучает электронную структуру биологически важных молекул (преимущественно макромолекул), электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов. Квантовая биофизика рассматривает: структуру электронных энергетических уровней биомолекул; их донорно-акцепторные свойства; электронные переходы при поглощении и испускании света веществом; свойства свободных радикалов и механизмы свободнорадикальных процессов; механизм хемилюминесценции, обусловленной процессами превращения энергии, выделяющейся в ходе биохимических реакций, в энергию электронно-возбужденных состояний. Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали (ζ, π, n-орбитали) и обладает определенной энергией, поэтому в молекуле существует система электронных энергетических уровней. Электронные уровни в молекулах представлены семейством колебательных подуровней, а каждый колебательный подуровень – семейством вращательных. Полная энергия молекулы как многоэлектронной системы есть сумма энергий движения электронов, колебаний атомов в молекуле, вращения молекул:

 Е_общ = Е_эл+ Е_кол + Е_вращ

Для упрощения вклад вращательных переходов в общую энергию обычно не рассматривается. Совокупность колебательных (К) и вращательных (В) подуровней соответствует одному электронному уровню (Э). Э₁ – электронный уровень основного состояния молекулы, Э₂ – уровень возбужденного состояния. Все эти виды движения подчиняются законам квантовой механики, совершаются одновременно и при этом сильно различаются по энергиям. Энергия всех видов движения электронов в молекуле принимает только дискретные значения (квантуется). На каждом заполненном уровне могут находиться только два электрона, имеющие противоположные собственные магнитные спиновые числа (спины). Это следует из принципа Паули, согласно которому в атоме не может быть двух и более электронов с одинаковыми квантовыми числами.

 Биофизика фотобиологических процессов изучает закономерности и механизмы действия оптического излучения на биологические системы различной сложности организации. Под оптическим понимают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения.