Трансмембранні (інтегральні) білки. Трансмембранні білки Трансмембранний білок

4. "Rositive inside"

5. Транс-мембранний бета-барель у грам-позитивних бактерій

Селективний по відношенню до катіонів завдяки високій щільності негативного заряду на поверхні. Також транспортує глюкозу, серин, гідрофільні бета-лактами та ін.
Існує дві відмінності від бета-барелів грам-негативних бактерій:

6. Альфа-спіральний білок у зовнішній мембрані грам-негативних бактерій

Білок, який бере участь у кон'югації бактерій, при якій відбувається обмін генетичною інформацієюміж двома особинами.

8. Сервіси, що передбачають трансмембранні бета-барелі за послідовністю

Білки, пов'язані з полярними «головками» ліпідів мембран

Білки, що утворюють комплекси з інтегральними білками мембрани

Поверхневі білки

Поверхневі білки часто прикріплюються до мембрани, взаємодіючи з інтегральними білками або поверхневими ділянками ліпідного шару.

Ряд травних ферментів, що беруть участь у гідролізі крохмалю та білків, прикріплюється до інтегральних білків мембран мікроворсинок кишечника.

Прикладами таких комплексів можуть бути сахараза-ізомальтаза та мальтаза-глікоамілаза. Можливо, зв'язок цих травних ферментів з мембраною дозволяє з високою швидкістюгідролізувати субстрати та засвоювати продукти гідролізу клітиною.

Полярні або заряджені домени білкової молекули можуть взаємодіяти з полярними "головками" ліпідів, утворюючи іонні та водневі зв'язки. Крім того, множина розчинних у цитозолі білків за певних умов можуть зв'язуватися з поверхнею мембрани на нетривалий час. Іноді зв'язування білка є необхідною умовою прояву ферментативної активності. До таких білків, наприклад, відносять протеїнкіназу С, фактори згортання крові.

Закріплення за допомогою мембранного "якоря"

Якорем може бути неполярний домен білка, побудований з амінокислот з гідрофобними радикалами. Прикладом такого білка може бути цитохром b 5 мембрани ЕР. Цей білок бере участь в окислювально-відновних реакціях як переносник електронів.

Роль мембранного "якоря" може виконувати також ковалентно пов'язаний з білком залишок жирної кислоти (миристинової - 14 або пальмітинової - 16). Білки, пов'язані з жирними кислотами, локалізовані переважно на внутрішній поверхні плазматичної мембрани. Міристинова кислота приєднується до N-кінцевого гліцину з утворенням амідного зв'язку. Пальмітінова кислота утворює тіоефірний зв'язок з цистеїном або складноефірний із залишками серину і треоніну.

Невелика група білків може взаємодіяти із зовнішньою поверхнею клітини за допомогою ковалентно приєднаного до С-кінця білка фосфатидилінозитолглікану. Цей "якір" - часто єдина сполучна ланка між білком і мембраною, тому при дії фосфоліпази цей білок відокремлюється від мембрани.

Деякі з трансмембранних білківпронизують мембрану один раз (глікофорин), інші мають кілька ділянок (доменів), що послідовно перетинають бислой.

Інтегральні білки мембран, що містять від 1 до 12 доменів трансмембранних. 1-рецептор ЛПНЩ; 2 – ГЛЮТ-1 – транспортер глюкози; 3 – рецептор інсуліну; 4 – адренорецептор.

Трансмембранні домени, що пронизують бислой, мають конформацію α-спіралі. Полярні залишки амінокислот звернені всередину глобули, а неполярні контактують з мембранними ліпідами. Такі білки називають "вивернутими" в порівнянні з розчинними у воді білками, в яких більшість гідрофобних залишків амінокислот заховано всередину, а гідрофільні розташовуються на поверхні.

Принципи структурної організаціїмембранних білків та способи її передбачення для трансмембранних білків

З високою роздільною здатністювдалося встановити структуру лише одного класу мембранних білків - реакційного центру бактерій, проте й у разі положення білка щодо ліпідного бислоя не визначено однозначно. Поширювати принципи організації на інші мембранні білки слід з обережністю. Деяку ясність може внести використання термодинамічних принципів, а також врахування того факту, що основна маса експериментальних даних узгоджується з припущенням про високий вміст мембранних білків а-спіралей. Термодинамічні чинники накладають певні обмеження те що, якого типу білково-ліпідні структури може бути стабільними.

Мембранні білки – це амфіфільні сполуки

Будь-які мембранні білки, які безпосередньо контактують з гідрофобною серцевиною ліпідного бислоя, повинні бути амфіфільними. Ті ділянки поліпептиду, які експоновані в розчинник, швидше за все збагачені полярними та іонізованими амінокислотними залишками, а залишки, що контактують з лілідними вуглеводневими ланцюгами, повинні бути переважно неполярними. Все це логічно випливає з енергетичних принципів, розглянутих у розд. 2.3.1. Заряджені чи полярні амінокислоти взагалі можуть перебувати всередині бислоя, проте цього накладаються певні обмеження.

Розглянемо три рівні амфіфільних структур у мембранних білках: первинну, вторинну та третинну амфіфільність.

1. Первинні амфіфільні структуримістять протяжну ділянку переважно неполярних амінокислотних залишків, довжина якого достатня для перетину бислоя. Такі структури виявлено як у реакційному центрі, так і в бактеріородопсин. У цих білків усі пронизливі мембрану елементи є аспіральними. а-Спіральна структура переважна тому, що при цьому утворюються всі водневі зв'язки, в яких можуть брати участь атоми водню поліпептидного каркасу. Альтернативна структура, у якої відсутня один із водневих зв'язків, менш стабільна приблизно на 5 ккал/моль. Все це дозволяє висловити припущення, що поворот поліпептидного ланцюга всередині мембрани малоймовірний. У місцях повороту від трьох до п'яти амінокислотних залишків не змогли б утворити водневі зв'язки, і це дестабілізувало б структуру приблизно на 15-20 ккал/моль. У глобулярних водорозчинних білках області повороту розташовуються переважно на поверхні білкової глобули, де амідні групи можуть утворювати водневі зв'язки з водою; мабуть, в молекулах мембранних білків повороти також відбуватимуться лише в експонованих у воду ділянках.

Не виключено, що 3-шар також може утворювати трансмембранні елементи, що мають, наприклад, форму /J-циліндрів, як у випадку поріна. Вимоги, що пред'являються до утворення водневих зв'язків атомами водню поліпептидного кістяка в подібних структурах, можуть бути задоволені, але лише за умови взаємодії між окремими ланцюгами. Як така структура може вбудовуватись у мембрану, не зовсім ясно, а обмеження, що накладаються механізмами збирання мембранних білків, взагалі невідомі.

2. Вторинні амфіфільні структури.У таких структурах гідрофобні залишки періодично зустрічаються вздовж ланцюга, і при укладанні поліпептиду у певну вторинну структуру вони утворюють суцільну поверхню. Періодичність деяких елементів вторинної структури вказано у табл. 1. Як приклад білків, у яких вторинні амфіфільні структури, очевидно, грають значної ролі, можна навести порини. Вони полярні і неполярні амінокислотні залишки у кожному з /3-цепей чергуються. Всі полярні залишки знаходяться на одній стороні шару складчастого, вистилаючи наповнену водою пору. Зауважимо, що це сказане про порині носить гіпотетичний характер.

Таблиця 1. Параметри вторинної структури

а-спіраль, в якій гідрофобні залишки зустрічаються через кожну другу або третю мономерну одиницю, повинна мати гідрофобну та полярну поверхні. Подібні структури часто представляють у вигляді спірального кільця із зазначенням бічних ланцюгів – так, як це зроблено на рис. Вторинні амфіфільні структури можуть виникати у ситуаціях, схематично показаних на рис. ЗЛО.

а. Поверхнево-активні сегменти білка; одна сторона спіралі взаємодіє з гідрофобною областю ліпідного бислоя, а інша контактує з водною фазою та полярною областю бислоя. Амфіфільні а-спіралі здатні утворювати багато пептидні гормони, а також пептиди, що руйнують мембрану, наприклад мелітин.

б. Трансмембранні елементи; неполярна поверхня спіралі звернена до ліпідної фази, а полярна вистилає водний канал, що пронизує бислой. Це дуже поширена модель, побудована головним чином виходячи з результатів дослідження ацетилхолінового нікотинового рецептора, що функціонує як хімічно збудливий канал. Однак засновані на експериментальних даних висновки про те, що мембрану пронизує саме амфіфільна спіраль, викликали заперечення. Такий наповнений водою канал, як у порині, може утворити і амфіфільний 3-ланцюг.

в. Трансмембранні елементи; неполярна частина поверхні контактує з ліпідами, а полярні групи з полярними групами інших трансмембранних елементів. Саме цей принцип є основою «вивернутих» структур, яким імовірно є бактеріородопсин. Полярні взаємодії між амфіфільними спіралями в принципі могли б стабілізувати взаємодії між субодиницями в олігомерних білках.

3. Третинні амфіфільні структури.Про їх існування можна говорити лише ймовірно. Їхня гідрофобна поверхня повинна формуватися на рівні третинної структури залишків, розташованих у різних ділянках поліпептидного ланцюга. Подібні структури можуть бути характерними для білків, що зв'язуються з бислоем, але не мають чітко виражених гідрофобних доменів, що визначаються за будь-яким із зазначених вище критеріїв. Можливим прикладом такого роду є а-лактальбумін.

Іонізовані амінокислотні залишки у трансмембранних сегментах

Багато моделей мембранних білків припускають, що у трансмембранних сегментах перебувають іонізовані залишки. Ці залишки, ймовірно, відіграють важливу функціональну та/або структурну роль. У деяких випадках ця роль однозначно встановлена: 1) залишки лізину в бактеріородопсині та родопсині утворюють шифові основи з простетичною групою ретиналю, що необхідно для світлового збудження молекули; 2) залишки гістидину в поліпептидах реакційного центру бактерій беруть участь у зв'язуванні з фотосинтетичними пігментами; 3) заряджені залишки в лактозопермеазі з е. coli беруть участь у здійсненні цим білком транспортних функцій; можливо, ці залишки утворюють мережу водневих зв'язків усередині молекули білка.

Перенесення заряджених груп із води в середу з низькою діелектричною проникністю всередині мембрани енергетично дуже невигідне, і ці групи необхідно якимось чином стабілізувати. Неодноразово передбачалося, що для стабілізації достатньо утворення іонних пар, і цей принцип використовувався при побудові тривимірної моделі бактеріородопсину. Однак розрахунки показали, що вільна енергія перенесення іонної пари з води в середу з низькою діелектричною проникністю також дуже велика. Для подальшої стабілізації необхідні додаткові полярні взаємодії, можливо, за участю інших полярних груп або водневих зв'язків.

У принципі, навіть одиночна заряджена група всередині мембрани може стабілізуватися через взаємодії з полярними групами і за участю водневих зв'язків, що ефективно деколізують заряд. Можна навести кілька прикладів ізольованих, десольватованих іонів, стабілізованих за рахунок взаємодії у водорозчинних білках. Аналогічні принципи, мабуть, діють у разі заряджених залишків трансмембранних сегментів інтегральних білків.

Однак більш ймовірним, що іонізовані амінокислоти нейтралізуються всередині мембрани за рахунок протонування або депротонування. Вільна енергія нейтралізації заряджених амінокислот, за оцінками, становить приблизно 10-17 ккал/моль. У відсутність специфічних умов для полярних взаємодій, що стабілізують заряджений залишок у трансмембранному сегменті, він, швидше за все, буде нейтралізований.

Заряджені амінокислоти у сегментах, експонованих у водне середовище

Як ми вже говорили, заряджені залишки розподілено між двома сторонами реакційного центру бактерій асиметрично. Така асиметрія й у деяких інших внутрішніх мембранних білків бактерій. Так, основні залишки Lys і Arg вчетверо частіше зустрічаються в тих ділянках, що з'єднують трансмембранні елементи, які розташовані на внутрішній стороні мембрани, а не на зовнішній. Для кислих залишків Asp та Glu подібна тенденція не виявляється. Можливо, ця асиметрія пов'язана з механізмом збирання мембранного білка, але як саме – неясно. Більше того, невідомо, чи можна узагальнити це спостереження та чи має воно якусь передбачувану цінність.

У глобулярних водорозчинних білках залишки проліну рідко знаходяться в серединній частині а-спіралі. За даними досліджень 58 білків, що містять 331 а-спіраль, виявлено 30 таких випадків. У половині їх пролін розташовувався у місцях ушкодження спіралі, а інших випадках перебував у сфері викривлення чи нерегулярності структури.

У той же час у бактеріородопсину пролінові залишки розташовані в середній частині трьох із семи трансмембранних спіралей, а у родопсину. - у п'яти із семи таких спіралей. Така тенденція виявлено й інших трансмембранних сегментів інтегральних білків, особливо транспортних. Значення цього феномена невідоме. Слід зазначити, однак, що через наявність циклічного бічного ланцюга пролін не утворює водневих зв'язків із залишками, що знаходяться на попередньому витку а-спіралі. Це може сприяти формуванню структур, в яких водневий зв'язок утворюється за рахунок специфічної взаємодії з залишком, розташованим в іншій ділянці, що пронизує мембрану. Подібна полярна взаємодія всередині бислоя могла б стабілізувати тривимірну структуру мембранних білків.

Способи ідентифікації первинних амфіфільних структур

Однозначна структурна інформація про мембранні білки отримана лише в декількох випадках, зате в розпорядженні дослідників є великі дані про амінокислотну послідовність, засновані на результатах секвенування ДНК. Для ідентифікації трансмембранних а-спіралей, що мають довжину - 20 залишків і складаються переважно з гідрофобних амінокислот, розроблено кілька методів аналізу амінокислотної послідовності. В основі кожного з них лежить розташування амінокислот у ряд відповідно до деякого параметра, який відображає ймовірність виявлення цього залишку в трансмембранному сегменті.

Існує два типи шкал. В одному випадку амінокислоти класифікують щодо їх відносної полярності або «гідрофобності». Ці шкали мають термодинамічну природу і засновані на величині зміни вільної енергії при перенесенні амінокислоти з водного розчину у вуглеводневе середовище. Однак число способів кількісної оцінки гідрофобності амінокислот дуже велике, і вони не у всьому узгоджуються між собою. Часто використовуються дані, що належать одночасно до більш ніж однієї фізичної характеристики. Прикладом такого роду є шкала «гідропатії» Кайта та Дуліттла, заснована на даних про гідрофобність, що вимірюється за потенціалом гідрації, а також про ймовірність знаходження залишків усередині глобули.

Шкала Голдмана, Енгелмана та Стейця заснована на кількісній оцінці вільної енергії перенесення а-спіралей із водного середовища всередину мембрани. На рис. порівнюється шкала Кайта - Дуліттла зі шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейца.

За оцінкою Енгелмана та ін, зміна вільної енергії при впровадженні в мембрану поліаніонної а-спіралі завдовжки 20 залишків становить 30 ккал/моль. Розрахунок заснований на оцінці площі поверхні спіралі, експонованої розчинник. Внесок в енергію кожної бічної групи оцінювали з урахуванням площі поверхні, що експонована у водне середовище всередині спіралі. Враховували також вільну енергію перенесення до бісла полярних груп. Наприклад, припускали, що глутамін при перенесенні в бішар протонуватиметься і вільна енергія цього процесу складе 10,8 ккал/моль. Подібно до цього, перенесення гідроксилів «коштуватиме» приблизно 4,0 ккал/моль.

Все сказане вище показує, як виграш енергії взаємодій при переносі а-спіралі всередину бислоя може використовуватися для «втягування» в бислой полярних бічних груп. Наприклад, один залишок аргініну може вбудуватися в бішар у складі неполярної трансмембранної спіралі, якщо він депротонований; для цього потрібно 16,7 ккал/моль при рН 7,0. Сумарна вільна енергія перенесення аспіралі, як і раніше, залишиться негативною. Однак ситуація зміниться, якщо в бішар знадобиться вбудувати два аргінінових залишки або якщо аргінін буде позитивно заряджений. Звичайно, полярні залишки можуть стабілізуватися всередині бісла завдяки специфічним взаємодіям, але реально врахувати це при розрахунках дуже важко. Наприклад, бічні групи серину, цистеїну і треоніну можуть утворювати водневі зв'язки з поліпептидним кістяком, а кислі та основні залишки можуть утворювати іонні пари; Поява таких пар можлива, якщо ці залишки розташовані через чотири або п'ять мономерних одиниць один від одного.

Другий тип шкал, який використовується для класифікації амінокислот, заснований на даних про частоту, з якою амінокислоти дійсно зустрічаються в сегментах, що пронизують мембрану.

При цьому емпірично враховується гідрофобність, а також багато інших факторів, які не можна оцінити кількісно як гідрофобність. Недолік цього напівемпіричного підходу полягає у відсутності точних даних про межі трансмембранних ділянок. Тим не менш, подібні шкали можуть бути настільки ж корисні, як і шкали, засновані на термодинамічних параметрах. Як приклад можна навести шкалу «схильності» до мембрани Куна і Лейгха або шкалу «зануреності спіралі в мембрану» Рао та Аргоса. Чотири найбільш гідрофобні залишки за шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейца є також чотирма залишками з найвищим значенням параметра за шкалою Рао та Аргоса.

На рис. представлені профілі трьох різних мембранних білків, одержані з використанням різних шкал. При побудові цих профілів враховуються середні значення чисел на шкалах, що приписуються кожній амінокислоті в межах вибраного вікна; це середнє відкладається щодо номера залишку поліпептиді. Наприклад, якщо вікно становить 19 залишків, значення, приписане положенню 40, буде середнім числом на шкалі для всіх амінокислот від 31 до 49 включно. Значення, приписане положенню 41 буде середнім для залишків з 32 по 50 і т.д. Піки на профілі відповідають гідрофобним ділянкам або ділянкам, які з більшою ймовірністю утворюють трансмембранні спіралі. Для побудови профілю важливий розмір вікна; більшість кривих на рис. були побудовані при розмірі вікна 19 залишків.

Спробуємо проінтерпретувати збудовані профілі. За шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейца піки при значеннях, близьких до нуля, відповідають трансмембранним спіралям. Значення 1,25 за шкалою Кайта-Дуліттла є найменшим значенням, що відповідає відомої трансмембранної спіралі в L-суб'є-диниці реакційного центру R . viridis . У всіх трьох випадках представлені на рис. 3.12 профілі для субодиниць реакційного центру подібні.

На рис. наведено два профілі для цитохрому Р450 з мікросом. Цей білок був обраний тому, що дані про його первинну структуру дозволяють висловити припущення про наявність восьми трансмембранних спіралей. Однак наявні експериментальні дані вказують на існування лише одного N- koh- цевого якоря в мембрані Як профіль Кайта-Дуліттла, так і профіль Голдмана-Енгелмана-Стейца виявляють N-кінцеву ділянку, але вони вказують і на наявність одного або більше додаткових трансмембранних сегментів, що не відповідає дійсності. Зазначимо, що багато з побудованих моделей мембранних білків, які ґрунтуються лише на даних про амінокислотну послідовність, можуть бути некоректними.

На рис. наведено три профілю для бактеріородопсину. Незважаючи на їхню подібність, видно відмінності у формі піків, що відповідають семи трансмембранним сегментам. Алгоритм Голдмана-Енгелма-на-Стейца не враховує стабілізуючого ефекту, пов'язаного з утворенням іонної пари із близько розташованих заряджених залишків у межах однієї спіралі. З урахуванням цього чинника поділ між двома останніми спіралями стає чіткішим.

Одна з проблем, з якими стикається застосування всіх описаних вище алгоритмів, полягає в тому, щоб виключити гідрофобні сегменти у відомих глобулярних білках, які не є трансмембранними, але розташовані всередині білка. Однак коли ми шукаємо досить протяжні ділянки, ця проблема не виникає.

Зазначимо, що алгоритми, використовувані виявлення а-спиральных структур в розчинних глобулярних білках, наприклад алгоритм Чоу-Фасмана, непридатні виявлення трансмембранних елементів. Ці алгоритми не застосовні для опису структури неглобулярних ділянок, як сегменти, розташовані всередині бислоя.

Алгоритми, призначені для ідентифікації трансмембранних ділянок, не можна використовувати у разі сегментів, які є вторинними амфіфільних структур або перетинають мембрану у вигляді /3-шару. У першому випадку ця ділянка виключається з розгляду через наявність у ньому полярних залишків, а в другому трансмембранний сегмент виявляється занадто коротким, оскільки для перетину бісла необхідно лише 10-12 амінокислотних залишків у складі /3-структури. Деякі алгоритми призначалися скоріш виявлення ^-поворотів, а чи не самих трансмембранних елементів. Хоча це дозволяє уникнути деяких проблем, пов'язаних із виділенням різних класів трансмембранних елементів, неясно, наскільки прийнятними вони виявляться при більш широкому застосуванні.

Способи ідентифікації вторинних амфіфільних структур

Розроблено кілька підходів до виявлення вторинної амфіфільності або асиметрії у розподілі гідрофобних залишків у сегментах поліпептидного ланцюга. Досить часто а-спіралі та /3-шари в глобулярних білках характеризуються періодичністю у розподілі гідрофобних залишків. Використання спірального кільця як якісного показника не завжди виправдане, потрібні більш кількісні підходи. Основний їх - це визначення періодичності у розподілі гидрофобных залишків з допомогою методів фурье-преобразования. Як приклад можна навести гідрофобний момент.

1. Гідрофобний момент.Цей параметр був запропонований Ейзенбергом та ін. Він визначається як

і являє собою певну векторну суму гідрофобності залишків у сегменті N елементів. Гідрофобність кожного залишку представлена ​​у вигляді вектора, що характеризується кутом , утвореним бічним ланцюгом і віссю поліпептидного кістяка. Для а-спіралі 6 = 100 °. На рис. 3.9, Б"вектори" гідрофобності представлені в проекції на площину спірального кільця, і гідрофобний момент дорівнює їхній векторній сумі. Гідрофільний залишок є вектором з негативною спрямованістю. Для випадкової послідовності значення цічерез випадковий розподіл гідрофобних залишків буде дуже мало. У той самий час у пептиді мелітіні гідрофобні залишки розташовані з одного боку структури, а полярні - з іншого. Чисельне значення гідрофобного моменту приписується амінокислоті, що у центрі аналізованого сегмента. Отже, можна «просканувати» послідовність та приписати кожному положенню середню гідрофобність, а також знайти ^н-

Ейзенберг та ін. проаналізували сегменти довжиною 11 залишків з багатьох білків та пептидів, визначивши гідрофобний момент

та середню гідрофобність для кожного з досліджуваних сегментів. Для поліпептидних сегментів глобулярних білків характерні низькі значення як, так і ці -Трансмембранні елементи гідрофобного характеру мають високі значення, але низькі значення рН, будучи переважно неполярними. Пептиди та ділянки білків, що належать до «поверхнево-активних», мають високі значення цнчерез сильну асиметрію у розподілі полярних та неполярних залишків. За допомогою цього алгоритму були ідентифіковані деякі сегменти поверхнево-активних білків, наприклад ділянки дифтерійного токсину та піруватоксидази з е. coli.

Гідрофобний момент служить кількісною мірою періодичності у розподілі гідрофобних залишків у різних ділянках поліпептиду. Важливу роль при цьому відіграє вибір 6. Гідрофобний момент є по суті одним із параметрів фур'є перетворення функції гідрофобності. Більш загальні методи, описані нижче, дозволяють проаналізувати всі фур'є-компоненти та виявити будь-яку можливу періодичність.

2. Періодичність послідовності.Розроблено багато методів ідентифікації ділянок білкових молекул, котрим характерні періодичні зміни гідрофобності уздовж ланцюга. Всі вони включають фур'є-перетворення функції, яка залежить від гідрофобності амінокислотних залишків уздовж поліпептиду. Наявність піка з періодом 3,6 вказує на те, що гідрофобний залишок в даному сегменті поліпептиду, що аналізується, зустрічається в середньому через кожні 3,6 залишку. Це означає, що сегмент є а-спіраллю, на одній стороні якої переважно гідрофобні залишки. Цей метод використовувався для ідентифікації амфіфільних ділянок деяких транспортних білках і білках, що утворюють канали; як приклад можна навести ацетилхоліновий рецептор, натрієвий канал, переносник глюкози, білок-роз'єднувач мітохондрій та білок смуги 3 еритроцитів, що є аніонним переносником. Однак чітких вказівок на те, що ці передбачувані амфіфільні спіралі є трансмембранними, відсутні.

Ці методи використовувалися також для аналізу пептидів, що взаємодіють з мембранною поверхнею, та аполіпопроте-інів.

Пептиди – моделі мембранних білків

Пептиди стали використовуватися вивчення білково-ліпідних взаємодій багато років тому. Найчастіше це були природні мембраноактивні пептиди, насамперед граміцидин А, аламетицин і мелітин. В даний час як модельні системи частіше застосовують синтетичні пептиди. При цьому необхідно пам'ятати про два моменти: при зв'язуванні пептиду з мембраною істотні як первинна, так і вторинна амфіфільність; 2) пептиди часто мають поліморфізм, тобто. здатністю змінювати конформацію залежно від оточення. Ні; виключено, що в майбутньому за допомогою синтетичних пептидів вдасться детально вивчити білково-ліпідні взаємодії, але поки що ми ще дуже далекі від цього.

Якщо основна роль ліпідів у складі мембран полягає у стабілізації бислоя, то білки відповідають за функціональну активність мембран. Одні з них забезпечують транспорт певних молекул та іонів, інші є ферментами, треті беруть участь у зв'язуванні цитоскелета з позаклітинним матриксом або служать рецепторами для гормонів, медіаторів,

ейкозаноїдів, ліпопротеїнів, оксиду азоту (N0) Перед білків припадає від 30 до 70% маси мембран. Білки визначають особливості функціонування кожної мембрани.

Особливості будови

та локалізації білків у мембранах

Мембранні білки, що контактують з гідрофобною частиною ліпідного бісла, повинні бути амфіфільними. Ті ділянки білка, які взаємодіють із вуглеводневими ланцюгами жирних кислот, містять переважно неполярні амінокислоти. Ділянки білка, що знаходяться в ділянці полярних «головок», збагачені гідрофільними амінокислотними залишками.

Локалізація білків у мембранах.Трансмембранні білки, наприклад: 1 – глікофорин А; 2 – рецептор адреналіну. Поверхневі білки: 3 - білки, пов'язані з інтегральними білками, наприклад, фермент сукцинатдегідрогеназу; 4 - білки, приєднані до полярних «головок» ліпідного шару, наприклад, протеїнкінаеа С; 5 - білки, "заякорені" в мембрані за допомогою короткого гідрофобного кінцевого домену, наприклад, цитохрої b 5 ;6 - "заякорені" білки, ковалентно з'єднані з піпідом мембрани (наприклад, фермент лужна фосфатаза).

Поверхневі білки

Поверхневі білки часто прикріплюються до мембрани, взаємодіючи з інтегральними

білками чи поверхневими ділянками ліпідного шару.

Білки, що утворюють комплекси з інтегральними білками мембрани

Ряд травних ферментів, що беруть участь у гідролізі крохмалю та білків, прикріплюється до інтегральних білків мембран мікроворсинок кишечника.

Прикладами таких комплексів можуть бути сахараза-ізомальтаза та мальтаза-глікоамілаза.

Білки, пов'язані з полярними «головками» ліпідів мембран

Полярні або заряджені домени білкової молекули можуть взаємодіяти з полярними «головками» ліпідів, утворюючи іонні та водневі зв'язки. Крім того, множина розчинних у цитозолі білків за певних умов можуть зв'язуватися з поверхнею мембрани на нетривалий час. Іноді зв'язування білка – необхідна умова прояву ферментативної активності. До таких білків, наприклад, відносять протеїнкіназу С, фактори згортання крові.

Закріплення за допомогою мембранного «якоря»

«Якорем» може бути неполярний домен білка, побудований з амінокислот з гідро-

фобними радикалами. Прикладом такого білка може бути цитохром b 5 мембрани ЕР. Цей білок бере участь в окислювально-відновних реакціях як переносник електронів.

Роль мембранного «якоря» може виконувати також ковалентно пов'язаний з білком залишок жирної кислоти (миристинової - 14 або пальмітинової - 16). Білки, пов'язані з жирними кислотами, локалізовані переважно на внутрішній поверхні плазматичної мембрани. Міристинова кислота приєднується до N-кінцевого гліцину з утворенням амідного зв'язку. Пальмітінова кислота утворює тіоефірний зв'язок з цистеїном або складноефірну з залишками серину і треоніну.

Невелика група білків може взаємодіяти із зовнішньою поверхнею клітини за допомогою ковалентно приєднаного до С-кінця білка фосфатидилінозитолглікану. Цей «якір» - часто єдина сполучна ланка між білком і мембраною, тому при дії фосфоліпази цей білок відокремлюється від мембрани.

Трансмембранні (інтегральні) білки

Деякі з трансмембранних білків пронизують мембрану один раз (глікофорин), інші мають кілька ділянок (доменів), які послідовно перетинають бислой.

Трансмембранні домени, що пронизують бислой, мають конформацію -спіралі. Полярні залишки амінокислот звернені всередину глобули, а неполярні контактують з мембранними ліпідами. Такі білки називають «вивернутими» порівняно з розчинними у воді білками, у яких більшість гідрофобних залишків амінокислот заховано всередину, а гідрофільні розташовуються на поверхні.

Радикали заряджених амінокислот у складі цих доменів позбавлені заряду і протоніровані (-СООН) або депротоновані (-NH 2).

Глікозильовані білки

Поверхневі білки або домени інтегральних білків, розташовані на зовнішній поверхні всіх мембран, майже завжди глікозовані. Олігосахаридні Залишки можуть бути приєднані через амідну групу аспарагіну або гідроксильні групи серину та треоніну.

Олігоцукрові залишки захищають білок від протеолізу, беруть участь у впізнанні лігандів або адгезії.

Латеральна дифузія білків

Деякі мембранні білки переміщаються вздовж бислоя (Латеральна дифузія)або повертаються навколо осі, перпендикулярно його поверхні.

Латеральна дифузія інтегральних білків у мембрані обмежена, це пов'язано з їх великими розмірами, взаємодією з іншими мембранними білками, елементами цитоскелету або позаклітинного матриксу.

Білки мембран не здійснюють переміщень з одного боку мембрани на іншу («фліп-флоп» перескоки), подібно до фосфоліпідів.