Membran proteinlerinin yapısal organizasyonunun ilkeleri ve transmembran proteinler için tahmin yöntemleri. membran süreçleri. Plazma zarı Zar proteinleri amfifilik bileşiklerdir

Lipidlerin membran bileşimindeki ana rolü çift tabakayı stabilize etmekse, o zaman proteinler membranların fonksiyonel aktivitesinden sorumludur. Bazıları belirli moleküllerin ve iyonların taşınmasını sağlar, diğerleri enzimlerdir, diğerleri hücre iskeletinin hücre dışı matrise bağlanmasında rol oynar veya hormonlar, aracılar için reseptör görevi görür.

eikosanoidler, lipoproteinler, nitrik oksit (N0). Proteinler, zar kütlesinin %30 ila %70'ini oluşturur. Proteinler, her bir zarın işleyişinin özelliklerini belirler.

Yapısal özellikler

ve proteinlerin zarlarda lokalizasyonu

Lipit çift tabakasının hidrofobik kısmı ile temas halinde olan zar proteinleri amfifilik olmalıdır. Yağ asitlerinin hidrokarbon zincirleri ile etkileşime giren proteinin bu kısımları, ağırlıklı olarak polar olmayan amino asitler içerir. Polar "başlar" bölgesinde yer alan protein bölgeleri, hidrofilik amino asit kalıntıları açısından zenginleştirilmiştir.

Proteinlerin zarlarda lokalizasyonu. Transmembran proteinler, örneğin: 1 - glikoforin A; 2 - adrenalin reseptörü. Yüzey proteinleri: 3 - integral proteinlerle ilişkili proteinler, örneğin süksinat dehidrogenaz enzimi; 4 - lipit tabakasının polar "kafalarına" bağlı proteinler, örneğin protein kinae C; 5 - kısa bir hidrofobik terminal alanı kullanılarak zara "bağlanmış" proteinler, örneğin, sitokromlar b 5; 6 - zar pipidine kovalent olarak bağlanmış "bağlanmış" proteinler (örneğin, alkalin fosfataz enzimi).

Yüzey proteinleri

Yüzey proteinleri genellikle integral ile etkileşerek zara bağlanır.

lipid tabakasının proteinleri veya yüzey alanları.

İntegral membran proteinleri ile kompleksler oluşturan proteinler

Nişasta ve proteinlerin hidrolizinde yer alan bir dizi sindirim enzimi, bağırsak mikrovillus zarlarının bütünleyici proteinlerine bağlanır.

Bu tür komplekslerin örnekleri sükraz-izomaltaz ve maltaz-glikoamilazdır.

Membran Lipidlerinin Kutup Başlarıyla İlişkili Proteinler

Bir protein molekülünün polar veya yüklü alanları, lipitlerin polar "başları" ile etkileşerek iyonik ve hidrojen bağları oluşturabilir. Ayrıca sitozolde çözünen birçok protein, belirli koşullar altında kısa süreliğine membran yüzeyine bağlanabilir. Bazen protein bağlanması, enzimatik aktivitenin tezahürü için gerekli bir koşuldur. Bu tür proteinler, örneğin, protein kinaz C'yi, kan pıhtılaşma faktörlerini içerir.

Membran "ankraj" ile ankraj

"Çapa", hidro- ile amino asitlerden oluşturulmuş, proteinin polar olmayan bir alanı olabilir.

fobik radikaller. Böyle bir proteinin bir örneği, ER zarının sitokrom b5'idir. Bu protein, bir elektron taşıyıcısı olarak redoks reaksiyonlarında yer alır.

Membranın "çapa" rolü, proteine ​​(miristik - C 14 veya palmitik - C 16) kovalent olarak bağlı bir yağ asidi kalıntısı tarafından da gerçekleştirilebilir. Yağ asitleri ile ilişkili proteinler, esas olarak plazma zarının iç yüzeyinde lokalizedir. Miristik asit, bir amid bağı oluşturmak için N-terminal glisine eklenir. Palmitik asit, sistein ile bir tioeter bağı veya serin ve treonin kalıntıları ile bir ester bağı oluşturur.

Küçük bir protein grubu, proteinin C terminaline kovalent olarak bağlı bir fosfatidilinositolglikan kullanarak hücrenin dış yüzeyi ile etkileşime girebilir. Bu "çapa" genellikle protein ve zar arasındaki tek bağlantıdır, bu nedenle fosfolipaz C'nin etkisi altında bu protein zardan ayrılır.

Transmembran (integral) proteinler

Transmembran proteinlerin bazıları zara bir kez nüfuz eder (glikoforin), diğerleri iki tabakayı art arda geçen birkaç bölüme (alanlara) sahiptir.

Çift tabakaya nüfuz eden transmembran alanları, bir a-sarmal konformasyonuna sahiptir. Polar amino asit kalıntıları globül içinde yüzleşirken, polar olmayanlar zar lipitleri ile temas eder. Bu tür proteinler, hidrofobik amino asit kalıntılarının çoğunun içinde gizlendiği ve hidrofilik olanların yüzeyde bulunduğu suda çözünür proteinlere kıyasla "ters" olarak adlandırılır.

Bu alanlardaki yüklü amino asit radikalleri, yüksüz ve protonlanmış (-COOH) veya protonsuzlaştırılmıştır (-NH2).

glikosile proteinler

Tüm zarların dış yüzeyinde bulunan yüzey proteinleri veya integral proteinlerin alanları hemen hemen her zaman glikosile edilir. Oligosakarit Kalıntıları, asparajinin amid grubu veya serin ve treoninin hidroksil grupları aracılığıyla eklenebilir.

Oligosakkarit kalıntıları, proteini proteolizden korur ve ligand tanıma veya yapışmada rol oynar.

Proteinlerin yanal difüzyonu

Bazı zar proteinleri çift tabaka boyunca hareket eder. (yanal difüzyon) veya yüzeyine dik bir eksen etrafında döndürün.

İntegral proteinlerin zardaki yanal difüzyonu sınırlıdır, bunun nedeni büyük boyutları, diğer zar proteinleri, hücre iskeletinin elemanları veya hücre dışı matris ile etkileşimleridir.

Membran proteinleri, fosfolipidler gibi zarın bir tarafından diğerine hareket etmez (“flip-flop” sıçramaları).

Membran Lipidlerinin Kutup Başlarıyla İlişkili Proteinler

İntegral membran proteinleri ile kompleksler oluşturan proteinler

Yüzey proteinleri

Yüzey proteinleri, çoğu zaman, lipit tabakasının bütünleyici proteinleri veya yüzey bölgeleri ile etkileşime girerek zara bağlanır.

Nişasta ve proteinlerin hidrolizinde yer alan bir dizi sindirim enzimi, bağırsak mikrovillus zarlarının bütünleyici proteinlerine bağlanır.

Bu tür komplekslerin örnekleri sükraz-izomaltaz ve maltaz-glikoamilazdır. Bu sindirim enzimlerinin zarla birleşmesi, substratların yüksek oranda hidrolize edilmesini ve hidroliz ürünlerinin hücre tarafından asimile edilmesini mümkün kılar.

Bir protein molekülünün polar veya yüklü alanları, lipitlerin polar "başları" ile etkileşerek iyonik ve hidrojen bağları oluşturabilir. Ayrıca sitozolde çözünen birçok protein, belirli koşullar altında kısa süreliğine membran yüzeyine bağlanabilir. Bazen protein bağlanması, enzimatik aktivitenin tezahürü için gerekli bir koşuldur. Bu tür proteinler, örneğin, protein kinaz C'yi, kan pıhtılaşma faktörlerini içerir.

Membran "ankraj" ile ankraj

Bir "çapa", proteinin hidrofobik radikallere sahip amino asitlerden oluşturulan polar olmayan bir alanı olabilir. Böyle bir proteinin bir örneği, ER zarının sitokrom b5'idir. Bu protein, bir elektron taşıyıcısı olarak redoks reaksiyonlarında yer alır.

Membranın "çapa" rolü, proteine ​​(miristik - C 14 veya palmitik - C 16) kovalent olarak bağlı bir yağ asidi kalıntısı tarafından da gerçekleştirilebilir. Yağ asitleri ile ilişkili proteinler, esas olarak plazma zarının iç yüzeyinde lokalizedir. Miristik asit, bir amid bağı oluşturmak için N-terminal glisine eklenir. Palmitik asit, sistein ile bir tioeter bağı veya serin ve treonin kalıntıları ile bir ester bağı oluşturur.

Küçük bir protein grubu, proteinin C terminaline kovalent olarak bağlı bir fosfatidilinositolglikan kullanarak hücrenin dış yüzeyi ile etkileşime girebilir. Bu "çapa" genellikle protein ve zar arasındaki tek bağlantıdır, bu nedenle fosfolipaz C'nin etkisi altında bu protein zardan ayrılır.

Transmembran proteinlerin bazıları zara bir kez nüfuz eder (glikoforin), diğerleri iki tabakayı art arda geçen birkaç bölüme (alanlara) sahiptir.

1 ila 12 transmembran alanı içeren bütünleşik zar proteinleri. 1- LDL reseptörü; 2 - GLUT-1 - glikoz taşıyıcı; 3 - insülin reseptörü; 4 - adrenoreseptör.

İki tabakayı kapsayan transmembran alanları, bir a-sarmal konformasyonuna sahiptir. Polar amino asit kalıntıları globül içinde yüzleşirken, polar olmayanlar zar lipitleri ile temas eder. Bu tür proteinler, hidrofobik amino asit kalıntılarının çoğunun içinde gizlendiği ve hidrofilik olanların yüzeyde bulunduğu suda çözünür proteinlere kıyasla "ters" olarak adlandırılır.

Membranların bileşimindeki lipitler, her şeyden önce yapısal özelliklere atanır - bunlar, zarın aktif bileşenlerinin - proteinlerin - yerleştirildiği bir çift tabaka veya matris oluştururlar. Çeşitli zarlara benzersizliklerini veren ve belirli özellikler sağlayan proteinlerdir. Çok sayıda zar proteini aşağıdaki ana işlevleri yerine getirir: maddelerin zarlar boyunca transferini belirler (taşıma işlevleri), kataliz gerçekleştirir, foto- ve oksidatif fosforilasyon işlemleri sağlar, DNA replikasyonu, proteinlerin translasyonu ve modifikasyonu, sinyal alımı ve iletimi. sinir impulsu vb.

Membran proteinlerini 2 gruba ayırmak gelenekseldir: integral(dahili) ve Çevresel(harici). Böyle bir ayırmanın kriteri, proteinin zara bağlanma kuvvetinin derecesi ve buna bağlı olarak proteini zardan çıkarmak için gereken işleme şiddetinin derecesidir. Böylece, zarlar, iki değerli katyonları bağlayan etilendiaminotetraasetat (EDTA) gibi kenetleme maddelerinin varlığında düşük iyonik kuvvete, düşük pH değerlerine sahip tampon karışımları ile yıkandığında, periferik proteinler çözeltiye salınabilir. Periferik proteinler, lipid başları veya diğer zar proteinleri ile zayıf elektrostatik etkileşimler veya lipid kuyrukları ile hidrofobik etkileşimler yoluyla ilişkili olduklarından, bu tür yumuşak koşullar altında zarlardan salınır. Aksine, integral proteinler amfifilik moleküllerdir, yüzeylerinde büyük hidrofobik bölgelere sahiptir ve zarın içinde bulunurlar, bu nedenle onları çıkarmak için çift tabakayı yok etmek gerekir. Bu amaçlar için, çoğunlukla deterjanlar veya organik çözücüler kullanılır. Proteinleri zara bağlamanın yolları oldukça çeşitlidir (Şekil 4.8).

Taşıma proteinleri. Lipit çift tabakası, suda çözünen çoğu molekül ve iyon için aşılmaz bir bariyerdir ve bunların biyomembranlar yoluyla taşınması, taşıma proteinlerinin aktivitesine bağlıdır. Bu proteinlerin iki ana türü vardır: kanallar(gözenekler) ve taşıyıcılar. Kanallar, taşınan maddelerin bağlanma yerlerinin zarın her iki yüzeyinde aynı anda bulunduğu zar geçiş tünelleridir. Kanallar, maddelerin taşınması sırasında herhangi bir konformasyonel değişikliğe uğramazlar, konformasyonları sadece açılıp kapanırken değişir. Taşıyıcılar, aksine, maddelerin zar boyunca transferi sırasında konformasyonlarını değiştirirler. Ayrıca, zamanın her belirli noktasında, aktarılan maddenin taşıyıcıya bağlanma yeri, zarın yalnızca bir yüzeyinde mevcuttur.

Kanallar sırayla iki ana gruba ayrılabilir: voltaja bağlı ve kimyasal olarak düzenlenmiş. Voltaja bağlı bir kanal örneği, Na + kanalıdır, çalışması elektrik alan voltajındaki bir değişiklikle düzenlenir. Başka bir deyişle, bu kanallar bir değişikliğe tepki olarak açılır ve kapanır. transmembran potansiyeli. Kimyasal olarak düzenlenmiş kanallar

belirli kimyasal ajanların bağlanmasına yanıt olarak açılır ve kapanır. Örneğin, bir nörotransmitter nikotinik asetilkolin reseptörüne bağlandığında, açık bir konformasyona dönüşür ve tek değerlikli katyonların geçmesine izin verir (bu bölümün alt bölümü 4.7). "Gözenek" ve "kanal" terimleri genellikle birbirinin yerine kullanılabilir, ancak bazen maddeleri esas olarak boyuta göre ayıran ve yeterince küçük moleküllerin geçmesine izin veren seçici olmayan yapılar olarak anlaşılırlar. Kanallara genellikle iyon kanalları denir. Açık bir kanaldan taşıma hızı saniyede 10 6 - 10 8 iyona ulaşır.

Taşıyıcılar da pasif ve aktif olmak üzere 2 gruba ayrılabilir. Pasif taşıyıcıların yardımıyla, zar boyunca bir tür madde taşınır. Pasif taşıyıcılar devreye giriyor Kolaylaştırılmış difüzyon ve sadece elektrokimyasal gradyan boyunca gerçekleştirilen maddenin akışını arttırır (örneğin, eritrositlerin zarlarından glikoz transferi). Aktif taşıyıcılar, maddeleri zar boyunca enerji pahasına taşır. Bu taşıma proteinleri, maddeleri elektrokimyasal gradyana karşı taşıyarak zarın bir tarafında biriktirirler. Taşıyıcıların yardımıyla taşıma hızı, büyük ölçüde türlerine bağlıdır ve 30 ila 10 5 s-1 arasında değişir. Genellikle, "geçirgenlik", "translokaz" terimleri, "taşıyıcı" terimi ile eşanlamlı olarak kabul edilebilecek bireysel taşıyıcılara atıfta bulunmak için kullanılır.

Membran proteinlerinin enzimatik fonksiyonları. Hücre zarlarında çok çeşitli enzimler işlev görür. Bazıları zarda lokalizedir, orada hidrofobik bileşiklerin dönüşümü için uygun bir ortam bulur, diğerleri zarların katılımı nedeniyle içlerinde kesin bir düzende bulunur, hayati süreçlerin birbirini izleyen aşamalarını katalize eder ve diğerleri yardıma ihtiyaç duyar. lipitlerin konformasyonlarını stabilize etme ve aktivitelerini sürdürme. Bilinen tüm sınıfların temsilcileri olan biyomembranlarda enzimler bulundu. Membrandan geçebilirler, içinde çözünmüş formda bulunabilirler veya periferik proteinler olarak, bazı sinyallere yanıt olarak membran yüzeylerine bağlanabilirler. Aşağıdaki karakteristik membran enzim tipleri ayırt edilebilir:

1) zarın zıt taraflarında birleşik reaksiyonları katalize eden transmembran enzimler. Bu enzimler, kural olarak, zarın zıt taraflarında yer alan birkaç aktif merkeze sahiptir. Bu tür enzimlerin tipik temsilcileri, elektron taşınması ve zar üzerinde iyonik gradyanların yaratılması ile bağlantılı redoks işlemlerini katalize eden solunum zinciri bileşenleri veya fotosentetik redoks merkezleridir;

2) maddelerin taşınmasında yer alan transmembran enzimler. Örneğin, bir maddenin transferini ATP hidrolizi ile birleştiren taşıma proteinlerinin katalitik bir işlevi vardır;

3) zara bağlı substratların dönüşümünü katalize eden enzimler. Bu enzimler, zar bileşenlerinin metabolizmasında yer alır: fosfolipidler, glikolipidler, steroidler, vb.

4) suda çözünür substratların dönüşümünde yer alan enzimler. Çoğu zaman onlara bağlı durumda olan zarların yardımıyla, enzimler, substratlarının içeriğinin en yüksek olduğu zar alanlarında konsantre olabilir. Örneğin, proteinleri ve nişastayı hidrolize eden enzimler, bu substratların bozunma oranını artıran bağırsak mikrovilluslarının zarlarına bağlanır.

Hücre iskeletinin proteinleri . Hücre iskeleti, çeşitli türlerde protein liflerinden oluşan karmaşık bir ağdır ve yalnızca ökaryotik hücrelerde bulunur. Hücre iskeleti, plazma zarı için mekanik destek sağlar, hücrenin şeklini, ayrıca organellerin yerini ve mitoz sırasındaki hareketlerini belirleyebilir. Hücre iskeletinin katılımıyla hücre için endo ve ekzositoz, fagositoz ve amip hareketi gibi önemli işlemler de gerçekleştirilir. Böylece, hücre iskeleti hücrenin dinamik çerçevesidir ve mekaniğini belirler.

Hücre iskeleti üç tip liften oluşur:

1) mikrofilamentler(çap ~ 6 nm). Bunlar ipliksi organellerdir - küresel protein aktinin polimerleri ve onunla ilişkili diğer proteinler;

2) ara filamentler (çap 8-10 nm). Keratinler ve ilgili proteinlerden oluşan;

3) mikrotübüller(çap ~ 23 nm) - uzun boru şeklindeki yapılar.

Alt birimleri içi boş bir silindir oluşturan küresel protein tübülinden oluşurlar. Mikrotübüllerin uzunluğu, hücrelerin sitoplazmasında birkaç mikrometreye ve sinirlerin aksonlarında birkaç milimetreye ulaşabilir.

Hücre iskeletinin bu yapıları, hücreye farklı yönlerde nüfuz eder ve zarla yakından ilişkilidir ve ona bazı noktalarda bağlanır. Membranın bu bölümleri hücreler arası temaslarda önemli bir rol oynar; onların yardımıyla hücreler substrata bağlanabilir. Ayrıca, zarlardaki lipitlerin ve proteinlerin transmembran dağılımında da önemli bir rol oynarlar.

Transmembran proteinlerin oluşumu, transmembran bölgelerin tanınma aşamalarını ve bunların lipit çift tabakasına entegrasyonunu içermelidir.

Transmembran alanları, translokondan protein-lipit arayüzü boyunca yanal olarak çıkar.

Translokasyon kanalında konumlandırma ve başlangıç salgı ve transmembran proteinlerin taşınması aynı şekilde olur. Bununla birlikte, membran proteinlerinin translokasyonu, bunların entegrasyonu veya ER lipit çift tabakasına eklenmesi ile birleştirilmelidir. Entegrasyon, transmembran alanlarının translokon tarafından tanındığı anda gerçekleşir, ardından ER lümenine translokasyonları durur ve yanal yönde kanaldan lipit çift tabakasına aktarılmaya başlarlar. Membranı birden çok kez kaplayanlar da dahil olmak üzere birçok farklı türde transmembran proteini bu şekilde sentezlenir ve entegre edilir.

ilk adım protein entegrasyonu yolunda zar içine translokon tarafından transmembran alanlarının tanınmasıdır. Bu alanlar, yaklaşık yirmi hidrofobik amino asit için uzanır. Hidrofobik yapıları nedeniyle, bazı transmembran alanlar, SRP'ler tarafından sinyal dizileri olarak tanınır. Bu sözde sinyal çapa dizileri, önce yeni oluşan proteini ER üzerinde konumlandırır ve ardından normal sinyal dizileri olarak kanala yönlendirilir.

Fakat sinyal bağlantı dizileri proteinden ayrılmazlar, ancak zarla bütünleşirler. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, sinyal çapa dizisinden farklı olarak, çoğu transmembran alanı, normal N-terminal sinyal dizisi tarafından adresleme tamamlandıktan sonra, ribozomdan çıkar çıkmaz translokon tarafından tanınır. Transmembran alanının zaten sentezlenmiş olduğu bilgisi, translokon'a SRP'den farklı bir yolla iletilmelidir.

en basit imza, zar ötesi alanın translokonda bulunduğunu gösterir, bu, alanın kendisinin hidrofobikliğidir. Yapının özelliği nedeniyle, translokasyon kanalı bu hidrofobikliği sergiler. Şek. Şekil 3.21'de görüldüğü gibi, translokonun yapısı, kanalın bir istiridye kabuğu gibi açılabileceğini ve transmembran alanın aynı anda kanal ve lipit çift tabakasıyla temas etmesine izin verdiğini göstermektedir. Görünüşe göre, sinyal dizileri ve transmembran alanları, açılış valflerinin yan tarafında bulunan Sec61a proteinine bağlanır ve bu bağlanma daha sonra kanalın yanal açılmasına neden olur.

Bu şema önerildi deneysel verilere dayalı buna göre kanaldaki transmembran bölgeleri Sec61a ve ile temas halindedir. Sonuç olarak, translokon sulu bir kanal içermesine rağmen, zarda yer değiştiren polipeptitlerin lipit ortamına girebileceği yeterli hidrofobik kanal vardır. Polar amino asitler içeren bölgelerin kanal boyunca durmadan hareket etmesi beklenirken, lipitlerle güçlü etkileşim nedeniyle hidrofobik alanların kanalın yan duvarları ile ilişkili kalarak translokasyonu önlemesi beklenmelidir.

Bazı durumlarda translokon aksi halde transmembran alanını tanımlayabilir. Örneğin, bazen bir zar-ötesi alanın sentezi sırasında, alan ribozomdan ayrılmadan önce ribozom ile translokon arasındaki etkileşimdeki değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler, translokon için bir zar ötesi alanın görünmek üzere olduğuna dair bir sinyal görevi görür. Transmembran alanının ribozomdaki değişiklikleri nasıl indüklediği ve bunları translokon'a nasıl ilettiği belirsizliğini koruyor. Bazen tanıma, transmembran alana bitişik yeni oluşturulmuş zincirin polar elemanlarını da gerektirir. Bu, en azından bazı durumlarda, tanıma sürecinin, alan ile lipit kanalı ortamı arasındaki hidrofobik bir etkileşimden daha fazlasını içermesi gerektiğini düşündürür.

Kanalın sınırı ve lipid tabakası transmembran bölgelerinin tanındıktan sonra kanaldan çıkmaları için bir yol görevi görüyor gibi görünmektedir. Bununla birlikte, translokondan etki alanı çıkış mekanizması, bir şekilde alt tabakadan alt tabakaya değişir. Bazı alanlar, kanalda tanındıktan hemen sonra translocon'dan ayrılır. Bu durumlarda, transmembran domeni önce Sec61a ve lipitlerle ve sonra sadece lipitlerle temas eder; alanın zaten lipit çift tabakasına nüfuz ettiği varsayılmaktadır.

İçin diğer proteinlerin bu tür alanlarının entegrasyonu, Sec61 kompleksi dışında gerekli değildir. Diğer transmembran alanlar daha yavaş bütünleşir ve tanındıktan sonra translokonu uzun süre terk etmez, hatta bazen translokasyonun sonuna kadar orada kalır. Kanaldan çift tabakaya çıktıklarında, bu transmembran alanları, TRAM proteini ile temasa geçer, ancak bunun diğer rolü belirsizliğini koruyor.

hidrofobiklik derecesi transmembran domeninin hemen entegre olup olmadığını veya protein sentezinde daha sonraki bir aşamada meydana gelip gelmediğini kısmen belirler. Daha fazla hidrofobik alan, lipit çift katmanına daha hızlı hareket edebilir, ancak daha az hidrofobik olanlar sınırda kalabilir ve ek taşıma faktörleri gerektirebilir. TRAM ve diğer proteinlerin bazı transmembran alanlar için şaperon görevi görmesi mümkündür. Hidrofobikliği hareket için yetersiz olan bu tür alanların entegrasyonunu teşvik ederler.

Açıkçası, en azından transmembran protein grubu bazı durumlarda zara entegre olan, diğerlerinde tanınmayan kalan belirli bir alanı içeren çoklu formları temsil edebilir. TRAM gibi proteinler, bu tür ikamelerin hangi koşullar altında entegre olacağını belirleyebilir.