Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

этот белок выполняет роль рецептора для бактериофага (для этого отдельные его участки должны быть экспонированы на наружной поверхности), а также проявляет сродство к компонентам клеточной стенки на периплазма-тической стороне. Очищенный порин можно встраивать в фосфолипидные бислой с образованием потенциалчувствительных каналов (см. разд. 8.2.3).

Данные инфракрасной спектроскопии, кругового дихроизма и широкоугольной диффузионной рентгеновской дифракции свидетельствуют о том, что две трети длины молекулы образует /3-слой, а на долю а-спиралей приходится небольшая часть длины молекулы [737, 1129, 1523]. Кроме того, эти исследования показывают, что /3-цепи антипараллельны, ориентированы перпендикулярно плоскости мембраны н имеют среднюю длину 10—12 остатков, которых достаточно для пересечения неполярной области мембраны. Способ укладки /?-цепей можно установить лишь с помощью рентгеновской дифракции. Как показывают модельные исследования, /3-цепи могут быть уложены так, что образуется /3-цилиндр, при этом полярные и заряженные аминокислотные остатки выстилают стенки наполненных водой каналов [1129, 1523] (см. рис. 8.7).

Все известные о структуре порина данные показывают, что гидрофобная а-спираль не является его необходимым трансмембранным элементом. Это означает, что наиболее распространенные способы предсказания структуры трансмембранных белков имеют свои ограничения, поскольку они основываются на предположении, что пересечь бислой могут только гидрофобные сегменты. Точная структура порина до сих пор неизвестна; неясно также, сходна ли она со структурой других мембранных белков. Впрочем, имеются и другие белки наружной мембраны бактерий, которые характеризуются высоким содержанием /3-структур. Один из них — белок ОтрА [1068, 1019], который тоже является рецептором для фагов, но, вероятно, не существует в виде отдельных тримеров и не образует поры. Другой белок такого рода — LamB (мальтопорин), являющийся рецептором бактериофага лямбда; он функционирует как специфичный канал, через который осуществляется диффузия мальтодекстринов ([1292, 1068]; см. также разд. 8.2.3).

Предположение о том, что необычная структура поринов связана с уникальной структурой и составом наружной мембраны бактерий, выглядит правдоподобно. Возможно, однако, что она обусловлена уникальностью способа образования больших водных каналов через бислой (гл. 8).

148 Глава 3

3.6. Принципы структурной организации мембранных белков и способы ее предсказания для трансмембранных белков

Как мы уже говорили, 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 органиче-ния на то, какого типа белково-липидные структуры могут быть стабильными.

3.6.1. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ — ЭТО АМФИФИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Любые мембранные белки, непосредственно контактирующие с гидрофобной сердцевиной липидного бислоя, должны быть амфи-фильными. Те участки полипептида, которые экспонированы в растворитель, скорее всего обогащены полярными и ионизируемыми аминокислотными остатками, а остатки, контактирующие с липидными 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 (разд. 3.6.2).

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 [389] о том, что поворот полипептидной цепи внутри мембраны маловероятен (см. работу [826] в качестве примера такой модели). В местах поворота от трех до пяти аминокислотных остатков не смогли бы образовать водородные связи, и это дестаби-

Мембранные белки: характеристика и структурные принципы 149

лизировало 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 [1129].

Не исключено, что /3-слой тоже может образовывать трансмембранные элементы, имеющие, например, форму /J-цилиндров, как в случае порина (разд. 3.5.3 и рис. 8.7). 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 (см. разд. 10.3).

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. 3.7. 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 (рис. 8.7). Все полярные остатки находятся на одной стороне складчатого слоя, выстилая наполненную водой пору. Заметим, что все сказанное о порине носит гипотетический характер.

Таблица 3.7. Параметры вторичной структуры 1

Структура Периодичность Расстояние Радиус или

или число между ширина,

остатков остатками, А

на виток А

Неизогнутая 2,0 3,2—3,4 0,9—1,1

(З-цепь

Изогнутая 2,3 3,3 1,0

/3-цепь

Зю-Спираль 3,0 2,0 1,9

а-Спираль 3,6 1,5 2,3

" Из работы [1305].

150 Глава 3

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. 3.9 [1294]. Вторичные амфифиль-ные структуры могут возникать в ситуациях, схематически показанных на рис. 3.10.

т Связывание (2) Стабилизация третич- [3) Выстилание вод- {^Стабилизация

с поверхностью ных или четверичных ных полостей или дисковидных

бислоя взаимодействий белковых каналов структур сегментов внутри бислоя

Рис. 3.10. Структурная роль некоторых вторичных амфифильных спиралей, взаимодействующих с липидным бислоем.

а. Поверхностно-активные сегменты белка; одна сторона спирали взаимодействует с гидрофобной областью липидного бислоя, а другая (полярная) контактирует с водной фазой и полярной областью бислоя. Амфифильные а-спирали способны образовывать многие пептидные гормоны, а также разрушающие мембрану пептиды, например меллитин (разд. 3.7).

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 (см. разд. 8.2.4). Однако основанные на экспериментальных данных выводы о том, что мембрану пронизывает именно амфифильная спираль [258, 1623], вызвали возражения [776, 1198]. Такой наполненный водой канал, как в порине, может образовать и амфифильная /3-цепь (рис. 8.7).

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 [386]. Полярные взаимодействия между амфифильными спиралями в принципе могли бы стабилизировать взаимодействия между субъединицами в олигомерных белках.

Мембранные белки: характеристика и структурные принципы 151

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 [91].

3.6.2. ИОНИЗИРУЕМЫЕ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ОСТАТКИ В ТРАНСМЕМБРАННЫХ СЕГМЕНТАХ [389, 646]

Многие модели мембранных белков (например, бактериородопсина) предполагают, что в их трансмембранных сегментах находятся ионизируемые остатки (разд. 3.5.2). Эти остатки (Arg, Lys, His, Asp, Glu), вероятно, играют важную функциональную и/или структурную роль. В некоторых случаях эта роль однозначно установлена: 1) остатки лизина в бактериородопсине (рис. 3.8) и родопсине (рис. 4.1) образуют шиффовы основания с простетической группой ретиналя, что необходимо для светового возбуждения молекулы [179]; 2) остатки гистидина в полипептидах реакционного центра бактерий участвуют в связывании с фотосинтетическими пигментами (разд. 3.5.1); 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 (разд. 8.3.2).

Перенос заряженных групп из воды в среду с низкой диэлектрической проницаемостью внутри мембраны энергетически очень невыгоден (25—40 ккал/моль) [645, 389], 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 [386]. Однако расчеты [645] показали, что свободная энергия переноса ионной пары из воды в среду с низкой диэлектрической проницаемостью тоже весьма велика (10—15 ккал/моль). Для дальнейшей стабилизации необходимы дополнительные полярные взаимодействия, возможно, с участием других полярных групп (например, карбонильных [1552, 1553]) или с помощью водородных связей [804, 645] (как в ионных парах в глобулярных водорастворимых белках [1197]).

В принципе даже одиночная заряженная группа внутри мембраны может стабилизироваться через взаимодействия с полярными группами и при участии водородных связей, эффективно делокализую-щих заряд. Можно привести несколько примеров изолированных, де-сольватированных ионов, стабилизированных за счет взанмодейст-

152 Глава 3

вий в водорастворимых белках [1187]. 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 протонирова-ния или депротонирования [389]. 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.

3.6.3. ЗАРЯЖЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ В СЕГМЕНТАХ, ЭКСПОНИРОВАННЫХ В ВОДНУЮ СРЕДУ [1529]

Как мы уже говорили, заряженные остатки распределены между двумя сторонами реакционного центра бактерий асимметрично (разд. 3.5.1; [982]). Такая асимметрия характерна и для некоторых других внутренних мембранных белков бактерий [1529]. 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.

3.6.4. ОСОБАЯ РОЛЬ ПРОЛИНА?

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 [1155]. 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 (рис. 3.8) пролиновые остатки расположены в средней части трех из семи трансмембранных спиралей, а у родопсина (рис. 4.1) — в пяти из семи таких спиралей. Подобная тенденция выявлена и для других трансмембранных сегментов интегральных белков, особенно транспортных [315, 133]. 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,

Мембранные белки: характеристика и структурные принципы 153

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.

3.6.5. 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 [389]. 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 отн

страница 20
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.09.2017)