Организация и функции мембранных белков. Образование и выход трансмембранных белков клетки Конечный продукт сопряженной работы трансмембранных белков

Клетки. Связывание с сигнальной молекулой (гормоном или медиатором) происходит с одной стороны от мембраны, а клеточный ответ формируется на другой стороне от мембраны. Таким образом, они играют уникальную и важную роль в межклеточных связях и передаче сигнала.

Многие трансмембранные рецепторы состоят из двух или нескольких субъединиц, которые действуют в совокупности и могут диссоциировать при связывании с лигандом или менять свою конформацию и переходить на следующую стадию цикла активации. Зачастую они классифицируются на основе их молекулярной структуры. Полипептидные цепи простейших из этих рецепторов пересекают липидный бислой лишь один раз, между тем как многие - семь раз (например, связанные с G-белками рецепторы).

Строение

Внеклеточный домен

Внеклеточный домен - это участок рецептора, который находится вне клетки или органоида. Если полипептидная цепь рецептора пересекает клетку несколько раз, то внешний домен может состоять из нескольких петель. Основная функция рецептора состоит в том, чтобы опознавать гормон (хотя некоторые рецепторы также способны реагировать на изменение мембранного потенциала), и во многих случаях гормон связывается именно с этим доменом.

Трансмембранный домен

Некоторые рецепторы являются также и белковыми каналами. Трансмембранный домен в основном состоит из трансмембранных α-спиралей. В некоторых рецепторах, таких как никотиновый ацетилхолиновый рецептор, трансмембранный домен формирует мембранную пору или ионный канал. После активации внеклеточного домена (связывания с гормоном) канал может пропускать ионы . У других рецепторов после связывания гормона трансмембранный домен меняет свою конформацию, что оказывает внутриклеточное воздействие.

Внутриклеточный домен

Внутриклеточный, или цитоплазматический, домен взаимодействует с внутренней частью клетки или органоида, ретранслируя полученный сигнал. Существуют два принципиально разных пути такого взаимодействия:

• Внутриклеточный домен связывается с эффекторными сигнальными белками, которые в свою очередь передают сигнал по сигнальной цепи к месту его назначения.
• В случае если рецептор связан с ферментом или сам обладает ферментативной активностью, внутриклеточный домен активирует фермент (или осуществляет ферментативную реакцию).

Классификация

Большинство трансмембранных рецепторов относится к одному из трёх классов, выделяемых по основному механизму трансдукции сигнала. Классифицируют ионотропные и метаботропные трансмембранные рецепторы. Ионотропные рецепторы, или рецепторы, сопряжённые с ионными каналами, участвуют, например, в быстрой передаче синаптических сигналов между нейронами и другими клетками-мишенями, которые могут воспринимать электрические сигналы.

Метаботропные рецепторы передают химические сигналы. Они подразделяются на два больших класса: рецепторы, сопряжённые с G-белками , и рецепторы, сопряжённые с ферментами .

Рецепторы, сопряжённые с G-белками, также называются 7TM-рецепторами (seven-transmembrane domain receptors, рецепторы с семью трансмембранными доменами). Это трансмембранные белки с внешним сегментом для связывания лиганда, мембранным сегментом и цитозольным сегментом, связанным с G-белком. В них выделяют шесть классов на основании подобия структуры и функций рецепторов, классы A-F (или 1-6), которые, в свою очередь, подразделяются на множество семейств. К этому классу относятся рецепторы органов чувств и адренорецепторы .

Как и GPCR, рецепторы, сопряжённые с ферментами - это трансмембранные белки, у которых домен связывания с лигандом расположен снаружи мембраны. В отличие от GPCR, их цитозольный домен не сопряжён с G-белком, а сам обладает ферментативной активностью или связывает фермент напрямую. Обычно вместо семи сегментов, как у GPCR, такие рецепторы имеют только один трансмембранный сегмент. Эти рецепторы могут включать те же сигнальные пути, что и GPCR. К этому классу относится, например, инсулиновый рецептор.

Выделяют шесть основных классов рецепторов, сопряжённых с ферментами:

• Рецепторные тирозиновые киназы - могут непосредственно фосфорилировать тирозиновые остатки, как собственные, так и для небольшого набора внутриклеточных сигнальных белков.
• Рецепторы, сопряжённые с тирозинкиназами - сами по себе не является активными ферментами, но непосредственно связывают цитоплазматические тирозинкиназы для передачи сигнала.
• Рецепторные серин-треониновые киназы - могут непосредственно фосфорилировать сериновые или треониновые остатки, как собственные, так и для белков регуляции генов, с которыми они связываются.
• Рецепторы, связанные с гистидиновыми киназами - активируют двухстадийный сигнальный путь, в котором киназа фосфорилирует собственный гистидин и немедленно передаёт фосфат второму внутриклеточному сигнальному белку.
• Рецепторные гуанилатциклазы - прямо катализируют производство молекул цГМФ в цитозоле, которые действуют как небольшой внутриклеточный посредник по механизмам, во многом схожим с цАМФ.
• Рецептороподобные тирозинфосфатазы - удаляют фосфатные группы с тирозинов внутриклеточных сигнальных белков. Они называются рецептороподобными, потому что механизм их действия как рецепторов остается невыясненным.

Регуляция

В клетке существует несколько путей регуляции активности трансмембранных рецепторов, наиболее важными способами являются фосфорилирование и интернализация рецепторов.

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Трансмембранные рецепторы" в других словарях:

Ацетилхолин Холинэргические рецепторы (ацетилхолиновые рецепторы) трансмембранные рецепторы, лигандом которых является ацетилхолин … Википедия

Трансмембранные рецепторы мембранные белки, которые размещаются и работают не только во внешней клеточной мембране, но и в мембранах компартментов и органелл клетки. Связывание с сигнальной молекулой (гормоном или медиатором) происходит с одной… … Википедия - Нейропилин 1 Обозначения Символы NRP1 Entrez Gene … Википедия

Димер комплекса сенсорного родопсина II и белка трансдьюсера. Сенсорный родопсин изображен голубым. Вид в плоскости мембраны. Сенсорный родопси … Википедия

Действующее вещество ›› Хориогонадотропин альфа* (Choriogonadotropin alfa*) Латинское название Ovitrelle АТХ: ›› G03GA08 Хориогонадотропин альфа Фармакологическая группа: Гормоны гипоталамуса, гипофиза, гонадотропины и их антагонисты… … Словарь медицинских препаратов

Протеинкиназа А протеинкиназа, активность которой зависит от уровня цАМФ в клетке. Протеинкиназа А осуществляет активацию и инактивацию ферментов и других белков за счёт фосфорилирования (то есть присоединения фосфатной группы). Содержание… … Википедия

Протеинкиназа А протеинкиназа, активность которой зависит от уровня цАМФ в клетке. Протеинкиназа А осуществляет активация и инактивация ферментов и других белков за счёт фосфорилирования (то есть присоединения фосфатной группы). Содержание 1… … Википедия

скачать

Реферат на тему:

Мембранные белки

План:

Введение

• 1 Классификация
  • 1.1 Топологическая классификация
  • 1.2 Биохимическая классификация

Введение

Альфа-спиральный трансмембранный фрагмент интегрального белка.

К мембранным белкам относятся белки, которые встроены в клеточную мембрану или мембрану клеточной органеллы или ассоциированы с таковой. Около 25 % всех белков являются мембранными.

1. Классификация

Мембранные белки могут быть классифицированы по топологическому или биохимическому принципу. Топологическая классификация основана на локализации белка по отношению к липидному бислою. Биохимическая классификация основана на прочности взаимодействия белка с мембраной.

Различные категории политопических белков. Связывание с мембраной за счёт (1) единичной трансмембранной альфа-спирали, (2) множественных трансмембранных альфа-спиралей, (3) бета-складчатой структуры.

Различные категории интегральных монотопических белков. Связывание с мембраной за счёт (1) амфипатической альфа-спирали, параллельной плоскости мембраны, (2) гидрофобной петли, (3) ковалентно соединённого жирнокислотного остатка, (4) электростатического взаимодействия (прямого или кальций-опосредованного).

1.1. Топологическая классификация

По отношению к мембране мембранные белки делятся на поли- и монотопические.

• Политопические, или трансмембранные, белки полностью пронизывают мембрану и, таким образом, взаимодействуют с обеими сторонами липидного бислоя. Как правило, трансмембранный фрагмент белка является альфа-спиралью, состоящей из гидрофобных аминокислот (возможно от 1 до 20 таких фрагментов). Только у бактерий, а также в митохондриях и хлоропластах трансмембранные фрагменты могут быть организованы как бета-складчатая структура (от 8 до 22 поворотов полипептидной цепи).
• Интегральные монотопические белки постоянно встроены в липидный бислой, но соединены с мембраной только на одной стороне, не проникая на противоположную сторону.

1.2. Биохимическая классификация

По биохимической классификации мембранные белки делятся на интегральные и периферические .

• Интегральные мембранные белки прочно встроены в мембрану и могут быть извлечены из липидного окружения только с помощью детергентов или неполярных растворителей. По отношению к липидному бислою интегральные белки могут быть трансмембранными политопическими или интегральными монотопическими.
• Периферические мембранные белки являются монотопическими белками. Они либо связаны слабыми связями с липидной мембраной, либо ассоциируют с интегральными белками за счёт гидрофобных, электростатических или других нековалентных сил. Таким образом, в отличие от интегральных белков они диссоциируют от мембраны при обработке соответствующим водным раствором (например, с низким или высоким pH, с высокой концентрацией соли или под действием хаотропного агента). Эта диссоциация не требует разрушения мембраны.

Мембранные белки могут быть встроены в мембрану за счёт жирнокислотных или пренильных остатков либо гликозилфосфатидилинозитола, присоединённых к белку в процессе их посттрансляционной модификации.

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии . Синхронизация выполнена 14.07.11 05:26:08
Похожие рефераты:

Принципы структурной организации мембранных белков и способы ее предсказания для трансмембранных белков

С высоким разрешением удалось установить структуру только одного класса мембранных белков - реакционного центра бактерий, однако и в этом случае положение белка относительно липидного бислоя не определено однозначно. Распространять принципы его организации на другие мембранные белки следует с осторожностью. Некоторую ясность может внести использование термодинамических принципов, а также учет того факта, что основная масса экспериментальных данных согласуется с предположением о высоком содержании в мембранных белках а-спиралей. Термодинамические факторы налагают определенные ограничения на то, какого типа белково-липидные структуры могут быть стабильными.

Мембранные белки - это амфифильные соединения

Любые мембранные белки, непосредственно контактирующие с гидрофобной сердцевиной липидного бислоя, должны быть амфифильными. Те участки полипептида, которые экспонированы в растворитель, скорее всего обогащены полярными и ионизируемыми аминокислотными остатками, а остатки, контактирующие с лилидными углеводородными цепями, должны быть в основном неполярными. Все это логически следует из энергетических принципов, рассмотренных в разд. 2.3.1. Заряженные или полярные аминокислоты вообще говоря могут находиться внутри бислоя, однако на это налагаются определенные ограничения.

Рассмотрим три уровня амфифильных структур в мембранных белках: первичную, вторичную и третичную амфифильность.

1. Первичные амфифильные структуры содержат протяженный участок из преимущественно неполярных аминокислотных остатков, длина которого достаточна для пересечения бислоя. Такие структуры выявлены как в реакционном центре, так и в бактериородопсине. У этих белков все пронизывающие мембрану элементы являются а-спиральными. а-Спиральная структура предпочтительна потому, что при этом образуются все водородные связи, в которых могут участвовать атомы водорода полипептидного каркаса. Альтернативная структура, у которой отсутствует одна из водородных связей, менее стабильна примерно на 5 ккал / моль. Все это позволяет высказать предположение о том, что поворот полипептидной цепи внутри мембраны маловероятен. В местах поворота от трех до пяти аминокислотных остатков не смогли бы образовать водородные связи, и это дестабилизировало бы структуру примерно на 15-20 ккал / моль. В глобулярных, водорастворимых белках области поворота располагаются преимущественно на поверхности белковой глобулы, где амидные группы могут образовывать водородные связи с водой; по-видимому, в молекулах мембранных белков повороты также будут происходить лишь в экспонированных в воду участках.

Не исключено, что 3-слой тоже может образовывать трансмембранные элементы, имеющие, например, форму /J-цилиндров, как в случае порина. Требования, предъявляемые к образованию водородных связей атомами водорода полипептидного остова в подобных структурах, могут быть удовлетворены, но лишь при условии взаимодействия между отдельными ^-цепями. Как такая структура может встраиваться в мембрану, не совсем ясно, а ограничения, налагаемые механизмами сборки мембранных белков, вообще неизвестны.

2. Вторичные амфифильные структуры. В таких структурах гидрофобные остатки периодически встречаются вдоль цепи, и при укладке полипептида в определенную вторичную структуру они образуют сплошную поверхность. Периодичность некоторых элементов вторичной структуры указана в табл. 1. В качестве примера белков, в которых вторичные амфифильные структуры, по-видимому, играют важную роль, можно привести порины. В них полярные и неполярные аминокислотные остатки в каждой из /3-цепей чередуются. Все полярные остатки находятся на одной стороне складчатого слоя, выстилая наполненную водой пору. Заметим, что все сказанное о порине носит гипотетический характер.

Таблица 1. Параметры вторичной структуры

Структура	Периодичность или число остатков на виток	Расстояние между остатками, А	Радиус или ширина, А
Неизогнутая
(З-цепь
Изогнутая /З-цепь
Зю-Спираль
а-Спираль

а-спираль, в которой гидрофобные остатки встречаются через каждую вторую или третью мономерную единицу, должна иметь гидрофобную и полярную поверхности. Подобные структуры часто представляют в виде спирального кольца с указанием боковых цепей - так, как это сделано на рис. Вторичные амфифильные структуры могут возникать в ситуациях, схематически показанных на рис. ЗЛО.

а. Поверхностно-активные сегменты белка; одна сторона спирали взаимодействует с гидрофобной областью липидного бислоя, а другая контактирует с водной фазой и полярной областью бислоя. Амфифильные а-спирали способны образовывать многие пептидные гормоны, а также разрушающие мембрану пептиды, например меллитин.

б. Трансмембранные элементы; неполярная поверхность спирали обращена к липидной фазе, а полярная выстилает водный канал, пронизывающий бислой. Это весьма распространенная модель, построенная главным образом исходя из результатов исследования никотинового ацетилхолинового рецептора, функционирующего как химически возбудимый канал. Однако основанные на экспериментальных данных выводы о том, что мембрану пронизывает именно амфифильная спираль, вызвали возражения. Такой наполненный водой канал, как в порине, может образовать и амфифильная 3-цепь.

в. Трансмембранные элементы; неполярная часть поверхности контактирует с липидами, а полярные группы - с полярными группами других трансмембранных элементов. Именно этот принцип лежит в основе «вывернутых» структур, каким предположительно является бактериородопсин. Полярные взаимодействия между амфифильными спиралями в принципе могли бы стабилизировать взаимодействия между субъединицами в олигомерных белках.

3. Третичные амфифильные структуры. Об их существовании можно говорить только предположительно. Их гидрофобная поверхность должна формироваться на уровне третичной структуры остатков, расположенных в самых разных участках полипептидной цепи. Подобные структуры могут быть характерны для белков, связывающихся с бислоем, но не имеющих четко выраженных гидрофобных доменов, определяемых по любому из указанных выше критериев. Возможным примером такого рода является а-лактальбумин.

Ионизируемые аминокислотные остатки в трансмембранных сегментах

Многие модели мембранных белков предполагают, что в их трансмембранных сегментах находятся ионизируемые остатки. Эти остатки, вероятно, играют важную функциональную и / или структурную роль. В некоторых случаях эта роль однозначно установлена: 1) остатки лизина в бактериородопсине и родопсине образуют шиффовы основания с простетической группой ретиналя, что необходимо для светового возбуждения молекулы; 2) остатки гистидина в полипептидах реакционного центра бактерий участвуют в связывании с фотосинтетическими пигментами; 3) заряженные остатки в лактозопермеазе из Е. coli участвуют в осуществлении этим белком транспортных функций; возможно, эти остатки образуют сеть водородных связей внутри молекулы белка.

Перенос заряженных групп из воды в среду с низкой диэлектрической проницаемостью внутри мембраны энергетически очень невыгоден, и эти группы необходимо каким-либо образом стабилизировать. Неоднократно предполагалось, что для стабилизации достаточно образования ионных пар, и этот принцип использовался при построении трехмерной модели бактериородопсина. Однако расчеты показали, что свободная энергия переноса ионной пары из воды в среду с низкой диэлектрической проницаемостью тоже весьма велика. Для дальнейшей стабилизации необходимы дополнительные полярные взаимодействия, возможно, с участием других полярных групп или с помощью водородных связей.

В принципе даже одиночная заряженная группа внутри мембраны может стабилизироваться через взаимодействия с полярными группами и при участии водородных связей, эффективно делокализующих заряд. Можно привести несколько примеров изолированных, де-сольватированных ионов, стабилизированных за счет взанмодействий в водорастворимых белках. Аналогичные принципы, по-видимому, действуют в случае заряженных остатков трансмембранных сегментов интегральных белков.

Однако представляется более вероятным, что ионизируемые аминокислоты нейтрализуются внутри мембраны за счет протонирования или депротонирования. Свободная энергия нейтрализации заряженных аминокислот, по оценкам, составляет примерно 10-17 ккал / моль. В отсутствие специфических условий для полярных взаимодействий, стабилизирующих заряженный остаток в трансмембранном сегменте, он скорее всего будет нейтрализован.

Заряженные аминокислоты в сегментах, экспонированных в водную среду

Как мы уже говорили, заряженные остатки распределены между двумя сторонами реакционного центра бактерий асимметрично. Такая асимметрия характерна и для некоторых других внутренних мембранных белков бактерий. Так, основные остатки Lys и Arg в четыре раза чаще встречаются в тех соединяющих трансмембранные элементы участках, которые расположены на внутренней стороне мембраны, а не на наружной. Для кислых остатков Asp и Glu подобная тенденция не выявляется. Возможно, эта асимметрия связана с механизмом сборки мембранного белка, но как именно - неясно. Более того, неизвестно, можно ли обобщить это наблюдение и имеет ли оно какую-либо предсказательную ценность.

В глобулярных, водорастворимых белках остатки пролина редко находятся в серединной части а-спирали. По данным исследований 58 белков, содержащих 331 а-спираль, выявлено 30 таких случаев. В половине из них пролин располагался в местах повреждения спирали, а в остальных случаях находился в области искривления или нерегулярности структуры.

В то же время у бактериородопсина пролиновые остатки расположены в средней части трех из семи трансмембранных спиралей, а у родопсина - в пяти из семи таких спиралей. Подобная тенденция выявлена и для других трансмембранных сегментов интегральных белков, особенно транспортных. Значение этого феномена неизвестно. Следует отметить, однако, что из-за наличия циклической боковой цепи пролин не образует водородных связей с остатками, находящимися на предыдущем витке а-спирали. Это может способствовать формированию структур, в которых водородная связь образуется за счет специфичного взаимодействия с остатком, расположенным в другом пронизывающем мембрану участке. Подобное полярное взаимодействие внутри бислоя могло бы стабилизировать трехмерную структуру мембранных белков.

Способы идентификации первичных амфифильных структур

Однозначная структурная информация о мембранных белках получена лишь в нескольких случаях, но зато в распоряжении исследователей имеются обширные данные об аминокислотной последовательности, основанные на результатах секвенирования ДНК. Для идентификации трансмембранных а-спиралей, предположительно имеющих длину - 20 остатков и состоящих преимущественно из гидрофобных аминокислот, разработано несколько методов анализа аминокислотной последовательности. В основе каждого из них лежит расположение аминокислот в ряд в соответствии с неким параметром, который отражает вероятность обнаружения этого остатка в трансмембранном сегменте.

Существует два типа шкал. В одном случае аминокислоты классифицируют по их относительной полярности или «гидрофобности». Эти шкалы имеют термодинамическую природу и основаны на величине изменения свободной энергии при переносе аминокислоты из водного раствора в углеводородную среду. Однако число способов количественной оценки гидрофобности аминокислот весьма велико, и они не во всем согласуются между собой. Часто используются данные, относящиеся одновременно к более чем одной физической характеристике. Примером такого рода является шкала «гидропатии» Кайта и Дулиттла, основанная на данных о гидрофобности, измеряемой по потенциалу гидрации, а также о вероятности нахождения остатков внутри глобулы.

Шкала Голдмана, Энгелмана и Стейца основана на количественной оценке свободной энергии переноса а-спиралей из водной среды внутрь мембраны. На рис. сравнивается шкала Кайта - Дулиттла со шкалой Голдмана-Энгелмана-Стейца.

По оценка Энгелмана и др., изменение свободной энергии при внедрении в мембрану полианионной а-спирали длиной 20 остатков составляет 30 ккал / моль. Расчет основан на оценке площади поверхности спирали, экспонированной в растворитель. Вклад в энергию каждой боковой группы оценивали с учетом площади поверхности, экспонированной в водную среду внутри спирали. Учитывали также свободную энергию переноса в бислой полярных групп. Например, предполагали, что глутамин при переносе в бислой будет протонироваться и свободная энергия этого процесса составит 10,8 ккал / моль. Подобно этому, перенос гидроксилов будет «стоить» примерно 4,0 ккал / моль.

Все сказанное выше показывает, как выигрыш в энергии взаимодействий при переносе а-спирали внутрь бислоя может использоваться для «втягивания» в бислой полярных боковых групп. Например, один остаток аргинина может встроиться в бислой в составе неполярной трансмембранной спирали, если он депротонирован; для этого требуется 16,7 ккал / моль при рН 7,0. Суммарная свободная энергия переноса а-спирали по-прежнему останется отрицательной. Однако ситуация изменится, если в бислой понадобится встроить два аргининовых остатка или если аргинин будет положительно заряжен. Конечно, полярные остатки могут стабилизироваться внутри бислоя благодаря специфическим взаимодействиям, но реально учесть это при расчетах очень трудно. Например, боковые группы серина, цистеина и треонина могут образовывать водородные связи с полипептидным остовом, а кислые и основные остатки могут образовывать ионные пары; появление таких пар возможно, если эти остатки расположены через четыре или пять мономерных единиц друг от друга.

Второй тип шкал, который используется для классификации аминокислот, основан на данных о частоте, с которой аминокислоты действительно встречаются в пронизывающих мембрану сегментах.

При этом эмпирически учитывается гидрофобность, а также многие другие факторы, которые нельзя оценить количественно, как гидрофобность. Недостаток этого полуэмпирического подхода состоит в отсутствии точных данных о границах трансмембранных участков. Тем не менее подобные шкалы могут быть столь же полезны, как и шкалы, основанные на термодинамических параметрах. В качестве примера можно привести шкалу «склонности» к мембране Куна и Лейгха или шкалу «погруженности спирали в мембрану» Рао и Аргоса. Четыре наиболее гидрофобных остатка по шкале Голдмана-Энгелмана-Стейца являются также четырьмя остатками с наивысшим значением параметра по шкале Рао и Аргоса.

На рис. представлены профили трех разных мембранных белков, полученные с использованием различных шкал. При построении этих профилей учитываются средние значения чисел на шкалах, приписываемые каждой аминокислоте в пределах выбранного «окна»; это среднее откладывается относительно номера остатка в полипептиде. Например, если «окно» составляет 19 остатков, значение, приписанное положению 40, будет средним числом на шкале для всех аминокислот от 31 до 49 включительно. Значение, приписанное положению 41, будет средним для остатков с 32 по 50 и т.д. Пики на профиле соответствуют гидрофобным участкам или тем участкам, которые с большей вероятностью образуют трансмембранные спирали. Для построения профиля важен размер окна; большинство кривых на рис. были построены при размере окна в 19 остатков.

Попытаемся проинтерпретировать построенные профили. По шкале Голдмана-Энгелмана-Стейца пики при значениях, близких к нулю, соответствуют трансмембранным спиралям. Значение 1,25 по шкале Кайта-Дулиттла является наименьшим значением, отвечающим известной трансмембранной спирали в L-субъе-динице реакционного центра R. viridis. Во всех трех случаях, представленных на рис. 3.12, профили для субъединиц реакционного центра сходны.

На рис. приведены два профиля для цитохрома Р450 из микросом. Этот белок был выбран потому, что данные о его первичной структуре позволяют высказать предположение о наличии у него восьми трансмембранных спиралей. Однако имеющиеся экспериментальные данные указывают на существование только одного N - koh - цевого якоря в мембране. Как профиль Кайта-Дулиттла, так и профиль Голдмана-Энгелмана-Стейца выявляют N-конце-вой участок, но они указывают и на наличие одного или более дополнительных трансмембранных сегментов, что не соответствует действительности. Отметим, что многие из построенных моделей мембранных белков, которые основываются лишь на данных об аминокислотной последовательности, могут быть некорректными.

На рис. приведены три профиля для бактериородопсина. Несмотря на их сходство, видны различия в форме пиков, отвечающих семи трансмембранным сегментам. Алгоритм Голдмана-Энгелма-на-Стейца не учитывает стабилизирующего эффекта, связанного с образованием ионной пары из близко расположенных заряженных остатков в пределах одной спирали. С учетом этого фактора разделение между двумя последними спиралями становится более четким.

Одна из проблем, с которыми сталкивается применение всех описанных выше алгоритмов, состоит в том, чтобы исключить гидрофобные сегменты в известных глобулярных белках, не являющиеся трансмембранными, но располагающиеся внутри белка. Однако, когда мы ищем достаточно протяженные участки, эта проблема не возникает.

Отметим, что алгоритмы, используемые для выявления а-спиральных структур в растворимых глобулярных белках, например алгоритм Чоу-Фасмана, непригодны для обнаружения трансмембранных элементов. Эти алгоритмы неприменимы для описания структуры неглобулярных участков, какими являются сегменты, расположенные внутри бислоя.

Алгоритмы, предназначенные для идентификации трансмембранных участков, нельзя использовать в случае сегментов, являющихся вторичными амфифильными структурами или пересекающих мембрану в виде /3-слоя. В первом случае этот участок исключается из рассмотрения из-за наличия в нем полярных остатков, а во втором трансмембранный сегмент оказывается слишком коротким, поскольку для пересечения бислоя необходимо лишь 10-12 аминокислотных остатков в составе /3-структуры. Некоторые алгоритмы предназначались скорее для выявления ^-поворотов, а не самих трансмембранных элементов. Хотя это позволяет избежать некоторых проблем, связанных с выделением различных классов трансмембранных элементов, неясно, насколько приемлемыми они окажутся при более широком их применении.

Способы идентификации вторичных амфифильных структур

Разработано несколько подходов к выявлению вторичной амфифильности или асимметрии в распределении гидрофобных остатков в сегментах полипептидной цепи. Достаточно часто а-спирали и /3-слои в глобулярных белках характеризуются периодичностью в распределении гидрофобных остатков. Использование спирального кольца как качественного показателя не всегда оправданно, необходимы более количественные подходы. Основной из них - это определение периодичности в распределении гидрофобных остатков с помощью методов фурье-преобразования. В качестве примера можно привести гидрофобный момент.

1. Гидрофобный момент. Этот параметр был предложен Эйзенбергом и др. Он определяется как

и представляет собой некую векторную сумму гидрофобности остатков в сегменте из N элементов. Гидрофобность каждого остатка представлена в виде вектора, который характеризуется углом, образуемым боковой цепью и осью полипептидного остова. Для а-спирали 6 = 100°. На рис. 3.9, Б «векторы» гидрофобности представлены в проекции на плоскость спирального кольца, и гидрофобный момент равен их векторной сумме. Гидрофильный остаток представляется вектором с отрицательной направленностью. Для случайной последовательности значение ци в силу случайного распределения гидрофобных остатков будет очень мало. В то же время в пептиде меллитине гидрофобные остатки расположены с одной стороны структуры, а полярные - с другой. Численное значение гидрофобного момента приписывается аминокислоте, находящейся в центре анализируемого сегмента. Следовательно, можно «просканировать» последовательность и приписать каждому положению среднюю гидрофобность, а также найти ^н-

Эйзенберг и др. проанализировали сегменты длиной 11 остатков из многих белков и пептидов, определив гидрофобный момент

и среднюю гидрофобность для каждого из исследуемых сегментов. Для полипептидных сегментов глобулярных белков характерны низкие значения как, так и ци - Трансмембранные элементы гидрофобного характера имеют высокие значения, но низкие значения рн, являясь в основном неполярными. Пептиды и участки белков, относящиеся к «поверхностно-активным», имеют высокие значения цн из-за сильной асимметрии в распределении полярных и неполярных остатков. С помощью этого алгоритма были идентифицированы некоторые сегменты поверхностно-активных белков, например участки дифтерийного токсина и пируватоксидазы из Е. coli.

Гидрофобный момент служит количественной мерой периодичности в распределении гидрофобных остатков в разных участках полипептида. Важную роль при этом играет выбор 6. Гидрофобный момент является по существу одним из параметров фурье-преобразования функции гидрофобности. Более общие методы, описанные ниже, позволяют проанализировать все фурье-компоненты и выявить любую возможную периодичность.

2. Периодичность последовательности. Разработано много методов идентификации участков белковых молекул, для которых характерны периодические изменения гидрофобности вдоль цепи. Все они включают фурье-преобразование функции, зависящей от гидрофобности аминокислотных остатков вдоль полипептида. Наличие пика с периодом 3,6 указывает на то, что гидрофобный остаток в данном сегменте анализируемого полипептида встречается в среднем через каждые 3,6 остатка. Это означает, что сегмент является а-спиралью, на одной стороне которой находятся преимущественно гидрофобные остатки. Этот метод использовался для идентификации амфифильных участков в некоторых траспортных белках и белках, образующих каналы; в качестве примера можно привести ацетилхолиновый рецептор, натриевый канал, переносчик глюкозы, белок-разобщитель митохондрий и белок полосы 3 эритроцитов, являющийся анионным переносчиком. Однако четкие указания на то, что эти предполагаемые амфифильные спирали являются трансмембранными, отсутствуют.

Эти методы использовались также для анализа пептидов, взаимодействующих с мембранной поверхностью, и аполипопроте-инов.

Пептиды - модели мембранных белков

Пептиды стали использоваться для изучения белково-липидных взаимодействий много лет назад. В большинстве случаев это были природные мембраноактивные пептиды, в первую очередь грамицидин А, аламетицин и меллитин. В настоящее время в качестве модельных систем чаще применяют синтетические пептиды. При этом необходимо помнить о двух моментах: 1) при связывании пептида с мембраной существенны как первичная, так и вторичная амфифильности; 2) пептиды часто обладают полиморфизмом, т.е. способностью изменять конформацию в зависимости от окружения. Не; исключено, что в будущем с помощью синтетических пептидов удастся детально изучить белково-липидные взаимодействия, но пока мы еще очень далеки от этого.

Образование трансмембранных белков должно включать этапы узнавания трансмембранных доменов и их интеграцию в липидный бислой

Трансмембранные домены выходят из транслокона в латеральном направлении через белок-липидную поверхность раздела

Позиционирование на транслокационном канале и начало переноса секреторных и трансмембранных белков происходят одинаково. Однако транслокация мембранных белков должна сочетаться с их интеграцией или вставкой в липидный бислой ЭПР. Интеграция происходит в тот момент, когда трансмембранные домены узнаются транслоконом, тогда их транслокация в просвет ЭПР прекращается, и они начинают переноситься из канала в липидный бислой в латеральном направлении. Таким путем синтезируются и интегрируются много различных типов трансмембранных белков, включая те, которые пронизывают мембрану несколько раз.

Первым шагом на пути интеграции белка в мембрану является узнавание трансмембранных доменов транслоконом. Эти домены простираются на расстояние около двадцати гидрофобных аминокислот. Из-за своего гидрофобного характера некоторые трансмембранные домены узнаются SRP как сигнальные последовательности. Эти так называемые сигнальные якорные последовательности вначале позиционируют новообразующийся белок на ЭПР, а затем направляются в канал как обычные сигнальные последовательности.

Однако сигнальные якорные последовательности не отщепляются от белка, а интегрируются в мембрану. Как показано на рисунке ниже, в отличие от сигнальной якорной последовательности, большинство трансмембранных доменов узнаются транслоконом, как только они сошли с рибосомы, после завершения адресования с помощью обычной N-терминальной сигнальной последовательности. Информация о том, что трансмембранный домен уже синтезировался, должна передаваться на транслокон другим путем, отличным от переноса с SRP.

Сигнальные якорные последовательности переносятся непосредственно от SRP на транслокон,
однако узнавание внутренних трансмембранных доменов должно происходить по мере их высвобождения из рибосомы.

Самый простой признак , свидетельствующий о том, что трансмембранный домен находится в транслоконе, это гидрофобность самого домена. Из-за особенности структуры транслокационный канал обнаруживает эту гидрофобность. Как показано на рис. 3.21, структура транслокона предполагает, что канал способен открываться подобно раковине моллюска, что позволяет трансмембранному домену одновременно контактировать с каналом и с липидным бислоем. По-видимому, сигнальные последовательности и трансмембранные домены связываются с белком Sec61a, расположенным со стороны открывающихся створок, и это связывание затем вызывает латеральное открытие канала.

Такая схема предложена на основании экспериментальных данных , согласно которым трансмембранные домены в канале контактируют с Sec61a и . В результате, хотя в составе транслокона находится водный канал, в мембране присутствует достаточно гидрофобных каналов, в которых перемещаемые полипептиды могут попасть в окружение липидов. Следует ожидать, что участки, содержащие полярные аминокислоты, должны продвигаться через канал без остановки, в то время как гидрофобные домены за счет сильного взаимодействия с липидами будут оставаться связанными с боковыми стенками канала, препятствуя транслокации.

В некоторых случаях транслокон может по-другому идентифицировать трансмембранный домен. Например, иногда в процессе синтеза трансмембранного домена изменения во взаимодействии между рибосомой и транслоконом происходят до того момента, как домен сошел с рибосомы. Эти изменения служат для транслокона сигналом о скором появлении трансмембранного домена. Каким образом трансмембранный домен вызывает изменения в рибосоме и передает их транслокону, остается невыясненным. Иногда для узнавания также необходимы полярные элементы новообразующейся цепи, примыкающие к трансмембранному домену. Это позволяет предположить, что, по крайней мере, в некоторых случаях процесс узнавания должен включать нечто большее, чем просто гидрофобное взаимодействие между доменом и канально-липидным окружением.

Граница канала и липидного слоя , по-видимому, служит путем выхода трансмембранных доменов из канала после их узнавания. Однако механизм выхода домена из транслокона несколько варьирует от субстрата к субстрату. Некоторые домены покидают транслокон почти сразу после узнавания их в канале. В этих случаях трансмембранный домен сначала контактирует с Sec61a и с липидами, а затем только с липидами; при этом предполагается, что домен уже проник в липидный бислой.

Для интеграции таких доменов других белков , за исключением комплекса Sec61, не требуется. Другие трансмембранные домены интегрируются более медленно и после узнавания долго не выходят из транслокона, иногда даже оставаясь там до окончания трансляции. По мере выхода из канала в бислой эти трансмембранные домены вступают в контакт с белком TRAM, хотя его дальнейшая роль остается пока неясной.

Степень гидрофобности частично определяет, интегрируется ли трансмембранный домен сразу же, или это происходит на более позднем этапе синтеза белка. Более гидрофобные домены могут быстрее продвигаться в липидный бислой, но менее гидрофобные могут оставаться на границе, и им необходимы дополнительные транспортные факторы. Не исключено, что TRAM и другие белки служат шаперонами для некоторых трансмембранных доменов. Они способствуют интеграции таких доменов, гидрофобность которых оказывается недостаточной для перемещения.

Очевидно, что по крайней мере группа трансмембранных белков может представлять собой множественные формы, содержащие определенный домен, который в одних случаях интегрируется в мембрану, а в других остается неузнанным. Такие белки, как TRAM, могут определять, при каких условиях такие замены будут интегрированы.

Транслокон изображен в виде цилиндра,
который открывается и закрывается двумя способами,
позволяющими движение новообразующейся цепи через пору и продвижение в мембрану трансмембранного домена.
Промежуток в стенке канала транслокации позволяет белкам поступать в липидный бислой,
а также узнавать и встраивать трансмембранные домены.
Поскольку домены обладают гидрофобными свойствами, они предпочитают липидное окружение и мигрируют из канала в липидный бислой.

Если основная роль липидов в составе мемб­ран заключается в стабилизации бислоя, то бел­ки отвечают за функциональную активность мембран. Одни из них обеспечивают транспорт определённых молекул и ионов, другие явля­ются ферментами, третьи участвуют в связыва­нии цитоскелета с внеклеточным матриксом или служат рецепторами для гормонов, медиаторов,

эйкозаноидов, липопротеинов, оксида азота (N0). На долю белков приходится от 30 до 70% массы мембран. Белки определяют особеннос­ти функционирования каждой мембраны.

Особенности строения

и локализации белков в мембранах

Мембранные белки, контактирующие с гид­рофобной частью липидного бислоя, должны быть амфифильными. Те участки белка, кото­рые взаимодействуют с углеводородными цепя­ми жирных кислот, содержат преимущественно неполярные аминокислоты. Участки белка, на­ходящиеся в области полярных «головок», обо­гащены гидрофильными аминокислотными ос­татками.

Локализация белков в мембранах. Трансмембранные белки, например: 1 - гликофорин А; 2 - рецептор адреналина. Поверхностные белки: 3 - белки, связанные с интегральными белками, например, фермент сукцинатдегидрогеназа; 4 - белки, присоединенные к полярным «головкам» липидного слоя, например, протеинкинаэа С; 5 - бел­ки, -заякоренные» в мембране с помощью короткого гидрофобного концевого домена, например, цитохрои b 5 ;6 - «заякоренные» белки, ковалентно соединённые с пипидом мембраны (например, фермент щелочная фосфатаза).

Белки мембран различаются по своему поло­жению в мембране. Они могут глу­боко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его - интегральные белки, либо разными способами прикрепляться к мембра­не - поверхностные белки.

Поверхностные белки

Поверхностные белки часто прикрепляются к мембране, взаимодействуя с интегральными

белками или поверхностными участками липидного слоя.

Белки, образующие комплексы с интеграль­ными белками мембраны

Ряд пищеварительных ферментов, участвую­щих в гидролизе крахмала и белков, прикреп­ляется к интегральным белкам мембран микро­ворсинок кишечника.

Примерами таких комплексов могут быть сахараза-изомальтаза и мальтаза-гликоамилаза.

Белки, связанные с полярными «головками» липидов мембран

Полярные или заряженные домены белковой молекулы могут взаимодействовать с полярны­ми «головками» липидов, образуя ионные и во­дородные связи. Кроме того, множество раство­римых в цитозоле белков при определённых условиях могут связываться с поверхностью мембраны на непродолжительное время. Иног­да связывание белка - необходимое условие проявления ферментативной активности. К та­ким белкам, например, относят протеинкиназу С, факторы свёртывания крови.

Закрепление с помощью мембранного «якоря»

«Якорем» может быть неполярный домен белка, построенный из аминокислот с гидро-

фобными радикалами. Примером такого белка может служить цитохром b 5 мембраны ЭР. Этот белок участвует в окислительно-восстанови­тельных реакциях, как переносчик электронов.

Роль мембранного «якоря» может выполнять также ковалентно связанный с белком остаток жирной кислоты (миристиновой - С 14 или пальмитиновой - С 16). Белки, связанные с жирными кислотами, локализованы в основном на внутренней поверхности плазматической мембраны. Миристиновая кислота присоединя­ется к N-концевому глицину с образованием амидной связи. Пальмитиновая кислота обра­зует тиоэфирную связь с цистеином или слож-ноэфирную с остатками серина и треонина.

Небольшая группа белков может взаимодей­ствовать с наружной поверхностью клетки с помощью ковалентно присоединённого к С-концу белка фосфатидилинозитолгликана. Этот «якорь» - часто единственное связующее зве­но между белком и мембраной, поэтому при действии фосфолипазы С этот белок отделяет­ся от мембраны.

Трансмембранные (интегральные) белки

Некоторые из трансмембранных белков про­низывают мембрану один раз (гликофорин), дру­гие имеют несколько участков (доменов), пос­ледовательно пересекающих бислой.

Трансмембранные домены, пронизывающие бислой, имеют конформацию α -спирали. Поляр­ные остатки аминокислот обращены внутрь глобулы, а неполярные контактируют с мембранны­ми липидами. Такие белки называют «вывернуты­ми» по сравнению с растворимыми в воде белка­ми, в которых большинство гидрофобных остатков аминокислот спрятано внутрь, а гидрофильные располагаются на поверхности.

Радикалы заряженных аминокислот в соста­ве этих доменов лишены заряда и протониро-ваны (-СООН) или депротонированы (-NH 2).

Гликозилированные белки

Поверхностные белки или домены интеграль­ных белков, расположенные на наружной по­верхности всех мембран, почти всегда гликози-лированы. Олигосахаридные Остатки могут быть присоединены через амидную группу аспараги-на или гидроксильные группы серина и треонина.

Олигосахаридные остатки защищают белок от протеолиза, участвуют в узнавании лигандов или адгезии.

Латеральная диффузия белков

Некоторые мембранные белки перемещают­ся вдоль бислоя (латеральная диффузия) или по­ворачиваются вокруг оси, перпендикулярно его поверхности.

Латеральная диффузия интегральных белков в мембране ограничена, это связано с их боль­шими размерами, взаимодействием с другими мембранными белками, элементами цитоскелета или внеклеточного матрикса.

Белки мембран не совершают перемещений с одной стороны мембраны на другую («флип-флоп» перескоки), подобно фосфолипидам.