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).
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.
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 .
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Большинство мембранных белков являются интегральными компонентами мембран (они взаимодействуют с фосфолипидами); почти все достаточно полно изученные белки имеют протяженность , превышающую 5-10 нм, – величину, равную толщине бислоя . Эти интегральные белки обычно представляют собой глобулярные амфифильные структуры . Оба их конца гидрофильны, а участок, пересекающий сердцевину бислоя, гидрофобен. После установления структуры интегральных мембранных белков стало ясно, что некоторые из них (например, молекулы белков-переносчиков) могут пересекать бислой многократно , как это показано на рис. 12.
Интегральные белки распределены в бислое асимметрично (рис. 13). Если мембрану, содержащую асимметрично распределенные интегральные белки, растворить в детергенте (небольшие амфипатические молекулы, образующие в воде мицеллы; с их помощью трансмембранные белки могут быть солюбилизированы. При смешивании детергента с мембраной гидрофобные концы его молекул связываются с гидрофобными участками на поверхности мембранных белков, вытесняя оттуда молекулы липидов. Поскольку противоположный конец молекулы детергента полярный, такое связывание приводит к тому, что мембранные белки переходят в раствор в виде комплексов с детергентом), а затем детергент медленно удалить, то произойдет самоорганизация фосфолипидов и интегральных белков и сформируется мембранная структура, но белки в ней уже не будут специфическим образом ориентированы. Таким образом, асимметричная ориентация в мембране по крайней мере некоторых белков может задаваться при их включении в липидный бислой. Наружная гидрофильная часть амфифильного белка, которая, конечно, синтезируется внутри клетки, должна затем пересечь гидрофобный слой мембраны и в конечном итоге оказаться снаружи.
Периферические белки не взаимодействуют с фосфолипидами в бислое непосредственно; вместо этого они образуют слабые связи с гидрофильными участками специфических интегральных белков . Например, анкирин, периферический белок, связан с интегральным белком полосы III эритроцитарной мембраны. Спектрин, образующий скелет мембраны эритроцита, в свою очередь связан с анкирином и, таким образом, играет важную роль в поддержании двояковогнутой формы эритроцита (см. ниже). Молекулы иммуноглобулина являются интегральными белками плазматической мембраны и высвобождаются только вместе с небольшим фрагментом мембраны. Интегральными белками являются многие рецепторы различных гормонов, и специфические полипептидные гормоны, связывающиеся с этими рецепторами, можно, таким образом, считать периферическими белками . Такие периферические белки, как пептидные гормоны, могут даже детерминировать распределение в плоскости бислоя интегральных белков – их рецепторов.
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.
Доля белка в общей массе мембраны может колебаться в очень широких пределах – от 18% в миелине до 75% в митохондриальной мембране.
По расположению в мембране белки можно разделить на: интегральные и периферические .
Интегральные белки являются, как правило, гидрофобными и легко встраиваются в липидный бислой.
Взаимодействие такого белка с мембраной происходит в несколько стадий. Сначала белок адсорбируется на поверхности бислоя, изменяет свою конформацию , устанавливая гидрофобный контакт с мембраной. Затем происходит внедрение белка в бислой. Глубина внедрения зависит от силы гидрофобного взаимодействия и соотношения гидрофобных и гидрофильных участков на поверхности белковой глобулы. Гидрофильные участки белка взаимодействуют с примембранными слоями по одну или обе стороны мембраны. Фиксация белковой глобулы в мембране происходит благодаря электростатическим и гидрофобным взаимодействиям. Углеводная часть белковых молекул (если она имеется) выступает наружу. Интегральные белки в силу тесной связи с бислоем оказывают на него существенное воздействие: конформационные перестройки белка приводят к изменению состояния липидов, так называемой деформации бислоя.
Периферические белки обладают меньшей глубиной проникновения в липидный бислой, и, соответственно, более слабо взаимодействуют с липидами мембраны, оказывая, на них гораздо меньшее воздействие, чем интегральные.
По характеру взаимодействия с мембраной белки делятся на монотопические, битопические, политопические :
монотопические белки взаимодействуют с поверхностью мембраны (моно – одним из слоев липидов);
битопические пронизывают мембрану насквозь (би – двумя слоями липидов);
политопические пронизывают мембрану несколько раз (поли- многократное взаимодействие с липидами).
Понятно, что первые относятся к периферическим белкам, а вторые и третьи к интегральным.
Белки мембран можно так же классифицировать по выполняемой ими функции. В связи с этим выделяют структурные белки:
· белки – ферменты;
· белки – рецепторы;
· транспортные белки.
Особую группу составляют белки цитоскелета клетки. Строго говоря, эти белки не являются компонентами мембраны, примыкая к ней с цитоплазматической стороны. Белки цитоскелета входят в состав всех его компонентов: миофиламенты содержат молекулы белка актина; в состав микротрубочек входит белок тубулин, промежуточные филаменты также содерждат более полиморфный белковый комплекс. Цитоскелет не только обеспечивают эластичность мембраны, противостоят изменениям объема клетки, но, по-видимому, участвует в и различных внутри- и внеклеточных механизмах регуляции.
В отличие от липидов, мембранные белки трудно классифицировать по структуре, целесообразнее подразделять основные вили мембранных белков исходя из их функций. Как правило, именно белки ответственны за функциональную активность мембран. К таким белкам относятся разнообразные ферменты, транспортные белки, рецепторы, канальные белки, белки, образующие водные поры (аквапорины), а также различные структурные и регуляторные белки, которые обеспечивают многообразные функции клеточных мембран. По биологической роли мембранные белки можно разделить на четыре группы:
1) белки-ферменты, обладающие каталитической активностью;
2) рецепторные белки, специфически связывающие те или иные вещества;
3) структурные белки;
4) белки, обеспечивающие межклеточные взаимодействия.
Белки-ферменты наиболее распространены среди всех мембранных белков. В их число входят как интегральные (мембранные АТФазы, выполняющие транспортную функцию), так и периферические (ацетилхолинэстераза, кислая и щелочная фосфатазы, РНКаза) белки. Транспортные белки создают устойчивые потоки определенных веществ и ионов через мембраны. Транспорт ионов приводит к возникновению трансмембранного потенциала во всех клетках, а так же к его изменениям в нервной и мышечной клетках. Последнее явление лежит в основе таких важнейших свойств этих тканей, как возбудимость и проводимость.
Рецепторными белками называют белки, специфически связывающие те или иные лиганды, участвующие в передаче сигналов от одних клеток к другим.Такая передача осуществляется различными способами. Часто рецепторы входят в состав более сложных мембранных комплексов, содержащих белки-исполнители. Например, в нервных и нервно-мышечных синапсах сигнальной молекулой (медиатором) является определенное низкомолекулярное вещество, а плазматическая мембрана содержит специальные рецепторные белки, соединенные с ионными каналами, изменяющие свои свойства при связывании рецептора с лигандами. Эта реакция обеспечивает проницаемость мембраны для различных ионов (натрия, калия, кальции, хлора) и формирует возбуждающий потенциал. Некоторые рецепторы (например, никотиновый холинорецептор) сами являются ионными каналами (за счет включения в рецепторный ансамбль дополнительных белковых субъединиц).
В ряде случаев рецепторный белок не является ионным каналом, но связан с внутриклеточным сигнальным каскадом, активация которого происходит при связывании с рецептором лиганда, несущего информацию. В результате активации таких рецепторов (их называют метаботропными, в противоположность ионотропным, регулирующим ионные потоки через мембрану) возникает каскад химических реакций, управляющих клеточными функциями через изменения метаболизма (отсюда и название этих рецепторов). Активация метаботропных рецепторов лигандами (их можно считать первичными сигнальными молекулами, или первичными мессенджерами) приводит к выработке в цитоплазме активируемой клетки вторичных сигнальных молекул (вторичных мессенджеров).
Структурные белки придают клеткам и органеллам определенную форму; обеспечивают те или иные механические свойства (например, эластичность) плазматической мембране; осуществляют связь мембраны с цитоскелетом, а в случае ядерной мембраны с хромосомами. Структурные мембранные белки, как правило, лишены ферментативных свойств (возможно они просто пока мало изучены в химическом отношении). Их исследование затрудняется главным образом двумя обстоятельствами. Во-первых, структурные белки «немы» - не обладают известной ферментативной активностью. Во-вторых, структурные белки имеют в составе своих молекул обширные гидрофобные участки. При очистке они образуют тесные ассоциаты друг с другом или с липидами, что усложняет их изучение.
Нейроспецифический белок В-50 - один из основных фосфорилируемых структурных белков плазматических мембран синаптических контактов. Методами иммунохимии установлено, что он локализован преимущественно в пресинаптических мембранах. Молекулярная масса белка 48 кПа. Он является эндогенным субстратом - зависимой протеинкиназы С. Активаторы протеинкиназы С стимулируют процесс синаптической передачи в срезах гиппокампа. Фосфорилирование белка В-50 приводит к увеличению времени возбужденного состояния синапса, что способствует удержанию ионных каналов в активированном (открытом) состоянии (в некоторых публикациях этот феномен называют состоянием проторенности синапса). Влияние фосфорилированного белка В-50 на метаболизм фосфоинозитидов может быть одной из причин этого феномена. Интересно, что в процессе старения организма интенсивность фосфорилирования белка В-50 в мозге снижается, что, возможно, и обусловливает снижение пластичности синапсов.
Еще одно доказательство роли процессов фосфорилирования белка В-50 в функционировании синапсов получено в экспериментах in vitro, подтвердивших, что нейропептид - фрагмент АКТГ1 _24 - в 10 раз более эффективно тормозит фосфорилирование В-50 в синаптических мембранах из септальной области мозга, чем в мембранах целого мозга.
В группу мембранных белков также входят множество белков-ферментов, образующих ионные каналы, - Na/К- и Са-АТФазы, рецепторные белки, синапсины и др.
Плазмин - сериновая протеиназа, в плазме крови действует в основном как тромболитический фермент, а также деградирует многие компоненты внеклеточного матрикса. В мозге плазмин вовлекается в осуществление многочисленных функций, таких как нейрональная пластичность, обучение и память. Активация плазминогеновой системы наблюдается в мозге во время и в первые дни после инсульта. При болезни Альцгеймера, напротив, происходит снижение уровня плазмина в тканях мозга.
Входящий в состав плазматических мембран нейронов плазмин находится в ассоциации с богатыми холестерином рафтами, которые считаются местом преимущественного образования амилоидного вета-А. Это свидетельствует о наличии функциональной связи между плазмином, холестерином и метаболизмом мозга.
Эндотепинконвертирующий фермент (ЕСЕ-1) является еще одним амилоиддеградирующим ферментом, который на 37% гомологичен НЕП по аминокислотной последовательности.ЕСЕ-1 тоже является мембраносвязанной цинкзависимой металлопротеазой, также как и НЕП он способен расщеплять большое число биологически активных веществ, включая брадикинин, нейротензин, ангиотензин-1 и В-цепь инсулина. В отличие от НЕП, ЕСЕ-1 существует в виде димеров, субъединицы которых соединены дисульфидной связью.
Эти две металлопротеазы (ЕСЕ-1 и НЕП) различаются и по чувствительности к ингибиторам. Для ингибирования НЕП требуются наномолярные концентрации тиорфана и фосфорамидона, в то время как ЕСЕ-1 ингибируется микромолярными концентрациями фосфорамидона и не чувствителен к тиорфану.
ЕСЕ-1 обнаружен во многих органах и тканях. Наиболее обогащены этим ферментом эндотелиальные клетки, он также экспрессируется в нервной ткани и мышцах. В гладкомышечных клетках ЕСЕ-1 находится в комплексе с альфа-актиновыми филаментами.
В настоящее время известны четыре изофоры ЕСЕ-1 человека (1a, 1b, 1c и 1d), которые не имеют существенных каталитических отличий, но различаются по внутриклеточной локализации. Изоформы 1a, 1b, 1c и 1d находятся на поверхности клетки, а ЕСЕ-1 является внутриклеточной формой, локализованной в аппарате Гольджи.
Обнаружен еще один белок, подобный ЕСЕ-1, который локализован преимущественно в мозге и в незначительных количествах - в эндотелиальных и гладкомышечных клетках. Его первичная структура на 59°/о идентична аминокислотной последовательности ЕСЕ-1. Он обозначается как ЕСЕ-2 и отличается от ЕСЕ-1 более кислым рН-оптимумом.
| | | | | | | | | 10 |