Как правило именно белки ответственны за функциональную активность мембран. К ним относятся разнообразные ферменты транспортные белки рецепторы каналы поры и. До этого считалось что мембранные белки имеют исключительно β – складчатую структуру вторичная структура белка но данные работы показали что мембраны содержат большое количество α – спиралей. Дальнейшие исследования показали что мембранные белки могут глубоко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его и их стабилизация осуществляется за счёт гидрофобных...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 5

Строение и функции мембранных белков

Клеточные мембраны содержат белка от 20 до 80% (по весу). Как правило, именно белки ответственны за функциональную активность мембран. К ним относятся разнообразные ферменты, транспортные белки, рецепторы, каналы, поры и. т.д., которые обеспечивают уникальность функций каждой мембраны. Первые успехи в изучении мембранных белков были достигнуты тогда, когда биохимики научились использовать детергенты для выделения мембранных белков в функционально активной форме. Это были работы по изучению ферментных комплексов внутренней мембраны митохондрий. До этого считалось, что мембранные белки имеют исключительно β – складчатую структуру (вторичная структура белка), но данные работы показали, что мембраны содержат большое количество α – спиралей. Значительно реже встречается β – спираль, которой, однако, придают важное биологическое значение. Дело в том, что на участках, окружённых липидами, β – спираль представляет собой полый цилиндр, в наружной стенке которого сосредоточены неполярные (гидрофобные) аминокислотные остатки, а во внутренней – гидрофильные. Такой цилиндр мог бы образовать в мембране канал, через который свободно проходят ионы и водорастворимые вещества. Дальнейшие исследования показали, что мембранные белки могут глубоко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его и их стабилизация осуществляется за счёт гидрофобных взаимодействий. Существует, как минимум, четыре вида расположения белков в мембранах: Первый вид – трансмембранный, когда белок пронизывает всю мембрану, а гидрофобный участок белка имеет α – конфигурацию. Похожее расположение в мембране имеет молекула бактериородопсина из Halobacterium halobium его α – спирали последовательно пересекают бислой; Второй вид – связывание с помощью гидрофобного якоря, когда у белка есть короткий участок, состоящего из гидрофобных остатков аминокислот вблизи карбоксильного конца. Это, так называемый, гидрофобный якорь, который можно удалить с помощью протеолиза, а высвобождённый белок становится водорастворимым. Такое расположение в мембране присуще многим цитохромам. Третий вид – связывание с поверхностью бислоя, когда взаимодействие белков имеет в первую очередь электростатическую природу или гидрофобную природу. Данный тип взаимодействия может использоваться как дополнение к другим взаимодействиям, например, к трансмембранному заякориванию. Четвёртый тип- связывание с белками, погружёнными в бислой, это когда некоторые белки связываются с белками, которые располагаются внутри липидного бислоя. Например, F 1 - часть Н + - АТФазы, которая связывается с F 0 – частью, погружённой в мембрану, а также некоторые белки цитоскелета.

В основе современных представлений о структуре мембранных белков лежит идея о том, что их полипептидная цепь уложена так, чтобы образовалась неполярная, гидрофобная поверхность, контактирующая с неполярной областью липидного бислоя. Полярные домены белковой молекулы могут взаимодействовать с полярными головками липидов на поверхности бислоя. Многие белки являются трансмембранными и пронизывают бислой. Некоторые белки, по – видимому, связаны с мембраной лишь за счёт их взаимодействия с другими белками.

Многие мембранные белки обычно связываются с мембраной с помощью нековалентных взаимодействий. Однако есть белки, которые связаны с липидами ковалентно. Многие белки плазматических мембран относятся к классу гликопротеинов. Углеводные остатки этих белков всегда находятся с наружной стороны плазматической мембраны.

Обычно мембранные белки подразделяют на наружные (периферические) и внутренние (интегральные). При этом критерием служит степень жёсткости обработки, необходимой для извлечения этих белков из мембраны. Периферические белки высвобождаются при промывании мембран буферными растворами с низкой ионной силой, низким или, наоборот, с высоким значением рН и в присутствии хелатирующих агентов (например, ЭДТА), связывающих двухвалентные катионы. Часто бывает, что очень трудно отличить периферические мембранные белки от белков, связавшихся с мембраной в процессе выделения.

Для высвобождения интегральных мембранных белков необходимо использовать детергенты или даже органические растворители.

Многие мембранные белки эукариот и прокариот ковалентно связаны с липидами, которые присоединяются к полипептиду после трансляции.

Мембранные белки, ковалентно связанные с липидами

В некоторых случаях эти липиды играют роль гидрофобного якоря, с помощью которого белок прикрепляется к мембране. В других случаях липиды, вероятно, выполняют функцию помощника при миграции белка в соответствующую область клетки или (как в случае белков оболочки вирусов) в слиянии мембран.

У прокариот наиболее полно охарактеризован белок липопротеин Брауна – основной липопротеин наружной мембраны E . coli . Зрелая форма этого белка содержит ацилглицерол, который связан тиоэфирной связью с N – концевым цистеином. Кроме того, N – концевая аминокислота связана с жирной кислотой амидной связью. Мембраносвязанная форма пенициллазы прикрепляется к цитоплазматической мембране с помощью N – концевого ацилглицерола аналогично липопротеинам мембраны.

Мембранные белки эукариот ковалентно связанные с липидами, как показано в таблице, их можно разделить на три класса. Белки первых двух классов, по – видимому, локализованы в основном на цитоплазматической поверхности плазматической мембраны, а белки третьего класса на наружной поверхности.

Существуют мембранные белки, которые ковалентно связаны с углеводами. К ним относятся поверхностные белки клеток в основном, выполняющих функции транспорта и рецепции. До сих пор неясно, в чём тут дело. Возможно, это связано с тем, что белки нужно сортировать при направлении их к плазматической мембране. Сахарные остатки могут защищать белок от протеолиза или участвовать в узнавании или адгезии. Поэтому сахарные остатки в мембранных гликопротеинах локализованы исключительно на наружной стороне мембраны.

Можно выделить два основных класса олигосахаридных структур мембранных гликопротеинов: 1) N – гликозидные олигосахариды, связанные с белками через амидную группу аспаргина; 2) О-гликозидные олигосахариды, связанные через гидроксильные группы серина и треонина. Данный класс олигосахаридов состоит из трёх подклассов.

1. Простой или обогащённый маннозой комплекс, в котором олигосахарид содержит маннозу и N – ацетилглюкозамин.
2. Нормальный комплекс, в котором обогащённый маннозой кор имеет дополнительные боковые ветви, содержащие другие сахаридные остатки, например сиаловую кислоту.
3. Большой комплекс, который связан с анионным переносчиком мембраны эритроцитов

Большинство олигосахаридов мембранных гликопротеинов принадлежат к подклассу 1 или2.

Мембранные белки бактерий

Как уже отмечалось выше, белки в цитоплазматической мембране составляют около 50% её поверхности. Примерно 10% мембраны образовано прочно связанными белково–липидными комплексами. Молекула любого встроенного в мембрану белка окружена 45 – 130 и более липидными молекулами. Около половины свободных липидов связано с периферическими белками мембраны.

Белковый состав цитоплазматической мембраны бактерий более разнообразен, чем липидный. Так, в цитоплазматической мембране E . coli K 12 обнаружено около 120 различных белков. В зависимости от ориентации в мембране и характера связи с липидным бислоем, как уже отмечалось выше, белки делят на интегральные и периферические. К периферическим белкам бактерий можно отнести ряд ферментов таких как, НАДН – дегидрогеназа, малатдегидрогеназа и др., а также некоторые белки, которые входят в состав АТФазного комплекса. Этот комплекс представляет собой группу определённым образом расположенных белковых субъединиц, контактирующих с цитоплазмой, периплазматическим пространством и образующих в мембране канал, через который осуществляется переход протона. Участок комплекса, обозначаемый F 1 , погружён в цитоплазму, а и с – компоненты участка F 0 – гидрофобными сторонами молекул погружены в мембрану. Субъединица b частично погружена в мембрану своей гидрофобной частью и осуществляет связь мембранной и цитоплазматической частей ферментного комплекса, а также связь синтеза АТФ в участке F 1 с протонным потенциалом в мембране. Субъединицы а, b и с обеспечивают протонный канал. Другие компоненты комплекса обеспечивают его структурную и функциональную целостность.

К интегральным белкам E . coli , которые для проявления энзиматической активности необходимы липиды, можно отнести сукцинатдегидрогеназу, цитохром b . Очень интересными свойствами обладает антибиотики грамицидин А, аламетицин, амфотерицин и нистацин. Они при взаимодействии с мембраной бактерий становятся интегральными белками (антибиотики являются полипептидами и макроциклами).

Грамицидин А – это гидрофобный пептид, состоящий из 15 L - D -аминокислот. При встраивании в мембрану он образует каналы, которые пропускают одновалентные катионы. Этот канал, который образует грамицидин А – охарактеризован наиболее полно. Канал образован двумя молекулами грамицидина А. В результате чередования L - и D - аминокислот образуется спираль, в которой боковые цепи располагаются снаружи, а карбоксильные группы остова – внутри канала. Этот тип спирали, не встречается больше ни в каких белках и образуется из – за необычного чередования стереоизомеров аминокислот в грамицидине А. Грамицидиновый канал, как уже отмечалось выше, катионселективен. Небольшие неорганические и органические катионы проходят через него, в тоже время проницаемость по Cl - равна нулю.

Аламетицин – это пептидный антибиотик из 20 аминокислотных остатков, способный образовывать в мембране электовозбудимые каналы. Аминокислотная последовательность аламетицина включает необычные остатки –α –аминомасляную кислоту и L –фенилаланин. При связывании с мембраной в отличие от грамицидина А он образует пору. Она намного по размеру меньше, чем канал, который образует грамицидин А. Прежде всего это связано с тем, что пространство вокруг α – спирали слишком мало, чтобы через него мог пройти ион.

Марколидные антибиотки, такие как, нистатин и амфотерицин связываются с холестерином и образуют каналы. Каналы образуют 8 –10 молекул этих полиеновых антибиотиков, через которые, правда, с невысокими скоростями проникают ионы.

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).

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.

9.5.1. Одна из главных функций мембран - участие в переносе веществ. Этот процесс обеспечивается при помощи трёх основных механизмов: простой диффузией, облегчённой диффузией и активным транспортом (рисунок 9.10). Запомните важнейшие особенности этих механизмов и примеры транспортируемых веществ в каждом случае.

Рисунок 9.10. Механизмы транспорта молекул через мембрану

Простая диффузия - перенос веществ через мембрану без участия специальных механизмов. Транспорт происходит по градиенту концентрации без затраты энергии. Путём простой диффузии транспортируются малые биомолекулы - Н2 О, СО2 , О2 , мочевина, гидрофобные низкомолекулярные вещества. Скорость простой диффузии пропорциональна градиенту концентрации.

Облегчённая диффузия - перенос веществ через мембрану при помощи белковых каналов или специальных белков-переносчиков. Осуществляется по градиенту концентрации без затраты энергии. Транспортируются моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды, глицерол, некоторые ионы. Характерна кинетика насыщения - при определённой (насыщающей) концентрации переносимого вещества в переносе принимают участие все молекулы переносчика и скорость транспорта достигает предельной величины.

Активный транспорт - также требует участия специальных белков-переносчиков, но перенос происходит против градиента концентрации и поэтому требует затраты энергии. При помощи этого механизма через клеточную мембрану транспортируются ионы Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ , через митохондриальную - протоны. Для активного транспорта веществ характерна кинетика насыщения.

9.5.2. Примером транспортной системы, осуществляющей активный транспорт ионов, является Na+ ,K+ -аденозинтрифосфатаза (Na+ ,K+ -АТФаза или Na+ ,K+ -насос). Этот белок находится в толще плазматической мембраны и способен катализировать реакцию гидролиза АТФ. Энергия, выделяемая при гидролизе 1 молекулы АТФ, используется для переноса 3 ионов Na+ из клетки во внеклеточное пространство и 2 ионов К+ в обратном направлении (рисунок 9.11). В результате действия Na+ ,K+ -АТФазы создаётся разность концентраций между цитозолем клетки и внеклеточной жидкостью. Поскольку перенос ионов неэквивалентен, то возникает разность электрических потенциалов. Таким образом, возникает электрохимический потенциал, который складывается из энергии разности электрических потенциалов Δφ и энергии разности концентраций веществ ΔС по обе стороны мембраны.

Рисунок 9.11. Схема Na+ , K+ -насоса.

9.5.3. Перенос через мембраны частиц и высокомолекулярных соединений

Наряду с транспортом органических веществ и ионов, осуществляемым переносчиками, в клетке существует совершенно особый механизм, предназначенный для поглощения клеткой и выведения из неё высокомолекулярных соединений при помощи изменения формы биомембраны. Такой механизм называют везикулярным транспортом .

Рисунок 9.12. Типы везикулярного транспорта: 1 - эндоцитоз; 2 - экзоцитоз.

При переносе макромолекул происходит последовательное образование и слияние окружённых мембраной пузырьков (везикул). По направлению транспорта и характеру переносимых веществ различают следующие типы везикулярного транспорта:

Эндоцитоз (рисунок 9.12, 1) — перенос веществ в клетку. В зависимости от размера образующихся везикул различают:

а) пиноцитоз — поглощение жидкости и растворённых макромолекул (белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот) с помощью небольших пузырьков (150 нм в диаметре);

б) фагоцитоз — поглощение крупных частиц, таких, как микроорганизмы или обломки клеток. В этом случае образуются крупные пузырьки, называемые фагосомами диаметром более 250 нм.

Пиноцитоз характерен для большинства эукариотических клеток, в то время как крупные частицы поглощаются специализированными клетками - лейкоцитами и макрофагами. На первой стадии эндоцитоза вещества или частицы адсорбируются на поверхности мембраны, этот процесс происходит без затраты энергии. На следующей стадии мембрана с адсорбированным веществом углубляется в цитоплазму; образовавшиеся локальные впячивания плазматической мембраны отшнуровываются от поверхности клетки, образуя пузырьки, которые затем мигрируют внутрь клетки. Этот процесс связан системой микрофиламентов и является энергозависимым. Поступившие в клетку пузырьки и фагосомы могут сливаться с лизосомами. Содержащиеся в лизосомах ферменты расщепляют вещества, содержащиеся в пузырьках и фагосомах до низкомолекулярных продуктов (аминокислот, моносахаридов, нуклеотидов), которые транспортируются в цитозоль, где они могут быть использованы клеткой.

Экзоцитоз (рисунок 9.12, 2) — перенос частиц и крупных соединений из клетки. Этот процесс, как и эндоцитоз, протекает с поглощением энергии. Основными разновидностями экзоцитоза являются:

а) секреция - выведение из клетки водорастворимых соединений, которые используются или воздействуют на другие клетки организма. Может осуществляться как неспециализированными клетками, так и клетками эндокринных желёз, слизистой желудочно-кишечного тракта, приспособленными для секреции производимых ими веществ (гормонов, нейромедиаторов, проферментов) в зависимости от определённых потребностей организма.

Секретируемые белки синтезируются на рибосомах, связанных с мембранами шероховатого эндоплазматического ретикулума. Затем эти белки транспортируются к аппарату Гольджи, где они модифицируются, концентрируются, сортируются, и затем упаковываются в пузырьки, которые отщепляются в цитозоль и в дальнейшем сливаются с плазматической мембраной, так что содержимое пузырьков оказывается вне клетки.

В отличие от макромолекул, секретируемые частицы малых размеров, например, протоны, транспортируются из клетки при помощи механизмов облегчённой диффузии и активного транспорта.

б) экскреция - удаление из клетки веществ, которые не могут быть использованы (например, удаление в ходе эритропоэза из ретикулоцитов сетчатой субстанции, представляющей собой агрегированные остатки органелл). Механизм экскреции, по-видимому, состоит в том, что вначале выделяемые частицы оказываются в цитоплазматическом пузырьке, который затем сливается с плазматической мембраной.

Биологическая химия Лелевич Владимир Валерьянович

Белки мембран.

Белки мембран.

Мембранные белки отвечают за функциональную активность мембран и на их долю приходится от 30 до 70%. Белки мембран отличаются по своему положению в мембране. Они могут глубоко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его – интегральные белки, разными способами прикрепляться к мембране – поверхностные белки, либо, ковалентно контактировать с ней – заякоренные белки. Поверхностные белки почти всегда гликозилированы. Олигосахаридные остатки защищают белок от протеолиза, участвуют в узнавании лигандов и адгезии.

Белки, локализованные в мембране, выполняют структурную и специфические функции:

1. транспортную;

2. ферментативную;

3. рецепторную;

4. антигенную.

Ну а белки? В шестидесятых годах я неоднократно пытался завести в доме и белок, но каждая такая попытка кончалась самым печальным образом. Через некоторое время белки слабели, задние конечности у них отнимались и несчастные животные в судорогах погибали. Поначалу я