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). 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.

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.