Мембранные белки. Образование и выход трансмембранных белков клетки Конечный продукт работы трансмембранных белков

Липидам в составе мембран отводят, в первую очередь, структурные свойства - они создают бислой, или матрикс, в котором размещаются активные компоненты мембраны - белки. Именно белки придают разнообразным мембранам уникальность и обеспечивают специфические свойства. Многочисленные мембранные белки выполняют следующие основные функции: обусловливают перенос веществ через мембраны (транспортные функции), осуществляют катализ, обеспечивают процессы фото- и окислительного фосфорилирования, репликацию ДНК, трансляцию и модификацию белков, рецепцию сигналов и передачу нервного импульса и др.

Принято делить мембранные белки на 2 группы: интегральные (внутренние) и периферические (наружные). Критерием такого разделения служит степень прочности связывания белка с мембраной и, соответственно, степень жесткости обработки, необходимой для извлечения белка из мембраны. Так, периферические белки могут высвобождаться в раствор уже при промывке мембран буферными смесями с низкой ионной силой, низкими значениями рН в присутствии хелатирующих веществ, например этилендиаминотетраацетата (ЭДТА), связывающих двухвалентные катионы. Периферические белки выделяются из мембран при таких мягких условиях, поскольку связаны с головками липидов или с другими белками мембраны при помощи слабых электростатических взаимодействий, либо с помощью гидро-фобных взаимодействий - с хвостами липидов. Наоборот, интегральные белки представляют собой амфифильные молекулы, имеют на своей поверхности большие гидрофобные участки и располагаются внутри мембраны, поэтому для их извлечения требуется разрушить бислой. Для этих целей наиболее часто используют детергенты или органические растворители. Способы прикрепления белков к мембране довольно разнообразны (рис. 4.8).

Транспортные белки . Липидный бислой является непроницаемым барьером для большинства водорастворимых молекул и ионов, и их перенос через биомембраны зависит от деятельности транспортных белков. Можно выделить два основных типа этих белков: каналы (поры) и переносчики . Каналы представляют собой туннели, пересекающие мембрану, в которых места связывания транспортируемых веществ доступны на обеих поверхностях мембраны одновременно. Каналы в процессе транспорта веществ не претерпевают каких-либо конформационных изменений, их конформация меняется лишь при открывании и закрывании. Переносчики, наоборот, в процессе переноса веществ через мембрану изменяют свою конформацию. Причем в каждый конкретный момент времени место связывания переносимого вещества в переносчике доступно только на одной поверхности мембраны.

Каналы, в свою очередь, можно разделить на две основные группы: потенциалзависимые и регулируемые химически. Примером потенциалзависимого канала является Na + -канал, его работа регулируется изменением напряжения электрического поля. Иными словами, эти каналы открываются и закрываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала . Химически регулируемые каналы

открываются и закрываются в ответ на связывание специфических химических агентов. Например, никотиновый ацетилхолиновый рецептор при связывании с ним нейромедиатора переходит в открытую конформацию и пропускает одновалентные катионы (подрадел 4.7 данной главы). Термины «пора» и «канал» обычно взаимозаменяемы, но под порой чаще понимают неселективные структуры, различающие вещества главным образом по размеру и пропускающие все достаточно малые молекулы. Под каналами чаще понимают ионные каналы. Скорость транспорта через открытый канал достигает 10 6 - 10 8 ионов в секунду.

Переносчики также можно разделить на 2 группы: пассивные и активные. С помощью пассивных переносчиков через мембрану осуществляется транспорт одного типа веществ. Пассивные переносчики задействованы в облегченной диффузии и лишь увеличивают поток вещества, осуществляемый по электрохимическому градиенту (например, перенос глюкозы через мембраны эритроцитов). Активные переносчики транспортируют вещества через мембрану с затратами энергии. Эти транспортные белки накапливают вещества на одной из сторон мембраны, перенося их против электрохимического градиента. Скорость транспорта с помощью переносчиков в очень сильной степени зависит от их типа и колеблется от 30 до 10 5 с -1 . Часто для обозначения отдельных переносчиков используют термины «пермеаза», «транслоказа», которые можно считать синонимами термина «переносчик».

Ферментные функции мембранных белков . В клеточных мембранах функционирует большое количество разнообразных ферментов. Одни из них локализуются в мембране, находя там подходящую среду для превращения гидрофобных соединений, другие благодаря участию мембран располагаются в них в строгой очередности, катализируя последовательные стадии жизненно важных процессов, третьи нуждаются в содействии липидов для стабилизации своей конформации и поддержания активности. В биомембранах обнаружены ферменты - представители всех известных классов. Они могут пронизывать мембрану насквозь, присутствовать в ней в растворенной форме или, являясь периферическими белками, связываться с мембранными поверхностями в ответ на какой-либо сигнал. Можно выделить следующие характерные типы мембранных ферментов:

1) трансмембранные ферменты, катализирующие сопряженные реакции на противоположных сторонах мембраны. Эти ферменты имеют, как правило, несколько активных центров, размещающихся на противоположных сторонах мембраны. Типичными представителями таких ферментов являются компоненты дыхательной цепи или фотосинтетические редокс-центры, катализирующие окислительно-восстановительные процессы, связанные с транспортом электронов и созданием ионных градиентов на мембране;

2) трансмембранные ферменты, участвующие в транспорте веществ. Транспортные белки, сопрягающие перенос вещества с гидролизом АТР, например, обладают каталитической функцией;

3) ферменты, катализирующие превращение связанных с мембраной субстратов. Эти ферменты участвуют в метаболизме мембранных компонентов: фосфолипидов, гликолипидов, стероидов и др.

4) ферменты, участвующие в превращениях водорастворимых субстратов. С помощью мембран, чаще всего в прикрепленном к ним состоянии, ферменты могут концентрироваться в тех областях мембран, где содержание их субстратов наибольшее. Например, ферменты, гидролизующие белки и крахмал, прикрепляются к мембранам микроворсинок кишечника, что способствует увеличению скорости расщепления этих субстратов.

Белки цитоскелета . Цитоскелет представляет собой сложную сеть белковых волокон разного типа и присутствует только в эукариотических клетках. Цитоскелет обеспечивает механическую опору для плазматической мембраны, может определять форму клетки, а также местоположение органелл и их перемещение при митозе. С участием цитоскелета осуществляются также такие важные для клетки процессы, как эндо- и экзоцитоз, фагоцитоз, амебоидное движение. Таким образом, цитоскелет является динамическим каркасом клетки и определяет ее механику.

Цитоскелет формируется из волокон трех типов:

1) микрофиламенты (диаметр ~ 6 нм). Представляют собой нитевидные органеллы - полимеры глобулярного белка актина и других связанных с ним белков;

2) промежуточные филаменты (диаметр 8- 10 нм). Сформированы кератинами и родственными им белками;

3) микротрубочки (диаметр ~ 23 нм) - длинные трубчатые структуры.

Состоят из глобулярного белка тубулина, субъединицы которого формируют полый цилиндр. Длина микротрубочек может достигать нескольких микрометров в цитоплазме клеток и нескольких миллиметров в аксонах нервов.

Перечисленные структуры цитоскелета пронизывают клетку в разных направлениях и тесно связываются с мембраной, прикрепляясь к ней в некоторых точках. Эти участки мембраны играют важную роль в межклеточных контактах, с их помощью клетки могут прикрепляться к субстрату. Они же играют важную роль в трансмембранном распределении липидов и белков в мембранах.

Биологические мембраны , находящиеся на границе клетки и внеклеточного пространства, а также на границе мембранных органелл клетки (митохондрий, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи , лизосом, пероксисом, ядра, мембранных пузырьков) и цитозоля существенно важны для функционирования как клетки в целом, так и её органелл. Клеточные мембраны имеют принципиально сходную молекулярную организацию. В этой главе биологические мембраны рассмотрены преимущественно на примере плазматической мембраны (плазмолеммы), отграничивающей клетку от внеклеточной среды.

Любая биологическая мембрана (рис. 2–1) состоит из фосфолипидов (~50%) и белков (до 40%). В меньших количествах в состав мембраны входят другие липиды, холестерол и углеводы.

Рис. 2–1. состоит из двойного слоя фосфолипидов , гидрофильные части которых (головки) направлены к поверхности мембраны, а гидрофобные части (хвосты, стабилизирующие мембрану в виде бислоя) внутрь мембраны. И - интегральные белки погружены в мембрану. Т - трансмембранные белки пронизывают всю толщу мембраны. П - периферические белки расположены либо на наружной, либо на внутренней поверхности мембраны.

Фосфолипиды . Молекула фосфолипида состоит из полярной (гидрофильной) части (головка) и аполярного (гидрофобного) двойного углеводородного хвоста. В водной фазе молекулы фосфолипидов автоматически агрегируют хвост к хвосту, формируя каркас биологической мембраны (рис. 2–1 и 2–2) в виде двойного слоя (бислой). Таким образом, в мембране хвосты фосфолипидов (жирные кислоты) направлены внутрь бислоя, а содержащие фосфатные группировки головки обращены кнаружи.

Арахидоновая кислота. Из мембранных фосфолипидов освобождается арахидоновая кислота - предшественник Пг, тромбоксанов, лейкотриенов и ряда других биологически активных веществ с множеством функций (медиаторы воспаления, вазоактивные факторы, вторые посредники и др.).

Липосомы - искусственно приготовленные из фосфолипидов мембранные пузырьки диаметром от 25 нм до 1 мкм. Липосомы используют как модели биологических мембран, а также для введения внутрь клетки различных веществ (например, генов, ЛС); последнее обстоятельство основано на том, что мембранные структуры (в т.ч. и липосомы) легко сливаются (за счёт фосфолипидного бислоя).

Белки биологических мембран подразделяют на интегральные (в том числе трансмембранные) и периферические (рис. 2–1 и 2–2).

Интегральные мембранные белки (глобулярные) встроены в липидный бислой. Их гидрофильные аминокислоты взаимодействуют с фосфатными группами фосфолипидов, а гидрофобные аминокислоты - с цепями жирных кислот. К интегральным мембранным белкам относятся белки адгезии, некоторые рецепторные белки (мембранные рецепторы).

Трансмембранный белок - молекула белка, проходящая через всю толщу мембраны и выступающая из неё как на наружной, так и на внутренней поверхности. К трансмембранным белкам относятся поры, ионные каналы, переносчики, насосы, некоторые рецепторные белки.

Поры и каналы - трансмембранные пути, по которым между цитозолем и межклеточным пространством (и в обратном направлении) перемещаются вода, ионы и молекулы метаболитов.

Переносчики осуществляют трансмембранное перемещение конкретных молекул (в том числе в сочетании с переносом ионов или молекул другого типа).

Насосы перемещают ионы против их концентрационного и энергетического градиентов (электрохимический градиент) при помощи энергии, освобождаемой при гидролизе АТФ.

Периферические мембранные белки (фибриллярные и глобулярные) находятся на одной из поверхностей клеточной мембраны (наружной или внутренней) и нековалентно связаны с интегральными мембранными белками.

Примеры периферических мембранных белков, связанных с наружной поверхностью мембраны - рецепторные белки и белки адгезии .

Примеры периферических мембранных белков, связанных с внутренней поверхностью мембраны, - белки цитоскелета, белки системы вторых посредников, ферменты и другие белки.

Латеральная подвижность. Интегральные белки могут перераспределяться в мембране в результате взаимодействия с периферическими белками, элементами цитоскелета, молекулами в мембране соседней клетки и компонентами внеклеточного матрикса.

Углеводы (преимущественно олигосахариды) входят в состав гликопротеинов и гликолипидов мембраны, составляя 2–10% её массы (рис. 2–2). С углеводами клеточной поверхности взаимодействуют лектины. Цепи олигосахаридов выступают на наружной поверхности мембран клетки и формируют поверхностную оболочку - гликокаликс .

Гликокаликс имеет толщину около 50 нм и состоит из олигосахаридов, ковалентно связанных с гликопротеинами и гликолипидами плазмолеммы. Функции гликокаликса: межклеточное узнавание, межклеточные взаимодействия, пристеночное пищеварение (гликокаликс, покрывающий микроворсинки каёмчатых клеток эпителия кишечника, содержит пептидазы и гликозидазы, завершающие расщепление белков и углеводов).

Проницаемость мембраны

Мембранный бислой разделяет две водные фазы. Так, плазмати­ческая мембрана отделяет межклеточную (интерстициальную) жид­кость от цитозоля, а мембраны лизосом, пероксисом, митохондрий и других мембранных внутриклеточных органелл их содержимое от цитозоля. Биологическая мембрана - полупроницаемый барьер .

Полупроницаемая мембрана. Биологическую мембрану определяют как полупроницаемую, т.е. барьер, не проницаемый для воды, но проницаемый для растворённых в ней веществ (ионы и молекулы).

Полупроницаемые тканевые структуры. К полупроницаемым тка­невым структурам относят также стенку кровеносных капилля­ров и различные барьеры (например, фильтрационный барьер почечных телец, аэрогематический барьер респираторного отде­ла лёгкого, гематоэнцефалический барьер и многие другие, хотя в состав таких барьеров - помимо биологических мембран (плазмолемма) - входят и немембранные компоненты. Проницаемость таких тканевых структур рассмотрена в разделе «Трансклеточная проницаемость» главы 4 .

Физико-химические параметры межклеточной жидкости и цито­золя существенно различны (см. табл. 2-1), также различны пара­метры каждого мембранного внутриклеточного органоида и цитозоля. Наружная и внутренняя поверхности биологической мембра­ны полярны и гидрофильны, но неполярная сердцевина мембраны гидрофобна. Поэтому неполярные вещества могут проникать через липидный бислой. В то же время именно гидрофобный характер сердцевины биологической мембраны определяет принципиальную невозможность непосредственного проникновения через мембрану полярных веществ.

Неполярные вещества (например, водонерастворимые холестерол и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. В частности, именно по этой причине рецепторы сте­роидных гормонов расположены внутри клетки.

Полярные вещества (например, ионы Na+, K+ C1- , Са2+; различ­ные небольшие, но полярные метаболиты, а также сахара, нукле-отиды, макромолекулы белка и нуклеиновых кислот) сами по себе не проникают через биологические мембраны. Именно поэтому рецепторы полярных молекул (например, пептидных гормонов) встроены в плазматическую мембрану, а передачу гормонального сигнала к другим клеточным компартментам осуществляют вто­рые посредники.

Избирательная проницаемость - проницаемость биологической мембраны по отношению к конкретным химическим веществам) –– важна для поддержания клеточного гомеостаза. оптимального со­держания в клетке ионов, воды, метаболитов и макромолекул. Пе­ремещение конкретных веществ через биологическую мембрану называют трансмембранным транспортом (чрезмембранный транспорт).

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

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.

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.