Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

омера нековалентно связаны своими N-концами в середине бислоя. Общая длина канала составляет около 30 А, а наружный и внутренний диаметры равны соответственно 15 и 5 А. Все гидрофобные боковые группы находятся снаружи спирали, а гидрофильные карбонильные группы пептидного остова выстилают пору. Из органического растворителя были получены кристаллы грамицидина, чья структура была определена с разрешением 2,5 А методом рентгеновской дифракции [1537]. Однако эта структура, по всей вероятности, отличается от той, которую имеет грамицидин А в мембране.

Рис. 3.13. Схематическое представление канала, образуемого димером грамицидина А в бислое. (Из работы [1564].)

Поскольку в состав грамицидина входят необычные D-аминокислоты, его нельзя использовать в качестве модели структур, встречающихся в мембранных белках. Однако этот пептид все же позволяет получить представление об одном из способов образования селективной поры в бислое (см. гл. 8). Грамицидин А — легкодоступный белок, поэтому его часто использовали также в качестве «модельного мембранного белка» при исследовании возмущающего действия мембранных белков на липиды [831]. При достаточно высокой концентрации в мембране (>5 мол.%) грамицидин А агрегирует с образованием тубулярных структур и индуцирует образование гексагональной фазы Нц в модельных мембранах [137].

2. Аламетицин — это пептидный антибиотик из 20 аминокислотных остатков, способный образовывать в мембране электровозбудимые каналы ([1030]; разд. 8.1.5). Аминокислотная последовательность аламетицина приведена ниже и включает необычные остатки — а-аминомасляную кислоту (Aib) и L-фенилаланин (РЫ): Ac-Aib-Pro-Aib-Ala-Aib-Ala-Gln-Aib-Val-Aib-

-Gly-Leu-Aib-Pro-Val-Aib-Aib-Glu-Glu-Phl.

Мембранные белки: характеристика и структурные принципы 161

Данные по независимости проводимости алэшетициновых каналов в плоских мембранах от концентрации пептида свидетельствуют о том, что каждый канал образован 6—11 молекулами. Согласно результатам рентгеноструктуриого анализа (структура аламетицина была определена с разрешением 1,5 А [45»6]), пептид является в основном а-спиралью с изгибом в середине,, на уровне пролина-14. Эта структура содержит цепочку доступны* для растворителя полярных атомов, тянущуюся вдоль всей молекулы, что придает ей амфифильный характер. В этой цепочке представлены карбонильные группы остова, подобные полярным группам, образующим полость грамицидинового канала. Фокс и Ричарде [456] построили модель аламетицииового канала, основанную на этой молекулярной конфигурации, оптимизировав взаимодействия между отдельными цепочками и параметры упаковки. Согласно этой модели (рис. 3.14), каждый канал образован олигомерным (~8) кластером молекул, соединенных водородными связями с образованием стабильной структуры, в которой полярные атомы экспонированы в растворитель. Предполагается, что конформационное изменение в этой структуре происходит при возникновении напряжения поперек бислоя, которое стабилизирует «открытую» конформащию канала и обеспечивает электровозбудимое проведение. Длина канала, согласно модели, составляет 32 А, что достаточно для пересечения неполярной части бислоя.

3. Мелиттин (компонент пчелиного яда) [372, 721] в отличие от грамицидина А или аламетицина является водорастворимым пептидом. Он состоит из 20 аминокислот, многие из которых полярны [566]:

''••с. 3.14. Предполагаемые структуры, образуемые алшметициновыми олигомерами * липидном бислое. Показаны три конформации: конформация в отсутствие наложенного трансмембраниого потенциала (слева), коиформашия открытого канала при наличии потенциала (справа) и промежуточная конформация (в центре) (см. также разд.

1.5, где обсуждаются каналообразующие свойства этого пептида). (Из работы W56].) Любезно предоставлено д-ром F. Richards.

162 Глава 3

Мембранные белки: характеристика и структурные принципы 163

H2N-Gly-Ile-Gly-Ala-Val-Leu-Lys-Val-Leu-Thr-Thr--Gly-Leu-Pro-Ala-Leu-Ile-Ser-Trp-Ile-Lys--Arg-Lys-Arg-Gln-Gln-NH2.

Мелиттин встраивается в клеточные мембраны, вызывая лизис клеток; он также может образовывать электровозбудимые каналы в плоских мембранах [740]. Мелиттин является «поверхностно-активным» пептидом, который образует монослои на границе раздела воздух—вода. Структура мелиттина была установлена методом рентгеновской кристаллографии. Он существует в двух кристаллических формах [1445]. В обоих случаях это изогнутые а-спирали, аналогичные аламетициновой спирали. Структура обладает ярко выраженной амфифильностью (рис. 3.15) из-за асимметричного распределения полярных боковых цепей. Грамицидин А и аламетицин также амфифильны, но полярные группы в значительной степени представлены карбонильными группами остова, а не полярными боковыми цепями. Мелиттин, подобно другим пептидам, полиморфен. В водном растворе он существует в виде мономера, в котором, по данным КД, только 1°/о аминокислотных остатков входят в состав а-спиралей. В водном растворе мелиттин может также образовывать тетрамеры и связываться с мембранами. В двух последних случаях степень спиральности достигает —70% [1522]. Способ связывания мелиттина с мембранами и механизм(ы), с помощью которого он разрушает бислой, недостаточно изучены [1445, 302, 353]. Согласно одной из моделей [1445], разрушение происходит в соответствии с эффектом «клина» [299]: мелиттин связывается с одной стороной бислоя и дестабилизирует ее, повышая площадь поверхности так, как это делают детергенты [614]. Мелиттин может также образовывать электровозбудимые каналы в плоских мембранах [164]. По всей вероятности, способы связывания его с бислоем весьма разнообразны и зависят от экспериментальных условий [283, 353].

Рис. 3.15. Предполагаемая структура мелиттина, связанного с поверхностью фосфати-дилхолинового бислоя. Гидрофобные остатки расположены на нижней поверхности и заряжены, гидрофильные — на верхней. (Из работы [1445].) Любезно предоставлено д-ром D. Eisenberg.

4. Пептидные гормоны часто содержат потенциально амфифильные а-спиральные участки, аналогичные соответствующим участкам в мелиттине [721]. Примерами могут служить (3-эндорфин [107], кальцитонин [392], кортикотропин [1506], рилизинг-фактор корти-котропина [821]. Высказывалось предположение, что эти гормоны связываются с мембраной с помощью амфифильных спиралей; при этом вторичная структура пептида, стабилизируемая мембраной, облегчает связывание гормона со специфическим рецептором. Все они являются водорастворимыми пептидами, но обладают сродством к фосфолипидным бислоям. а-Спиральные участки могут располагаться на N-конце (кортикотропин), на С-конце (/3-эндорфин) или в средней части молекулы (рилизинг-фактор кортикотропина). Было показано, что биологическая активность /3-эндорфина обусловлена именно амфифильностью, а не аминокислотным составом спирального участка [107]. Подобные структуры демонстрируют нам один из способов, которыми белковые молекулы могут связываться с мембраной (например, пируватоксидаза) [1206].

3.7.2. МОДЕЛЬНЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПЕПТИДЫ [721]

Синтетические пептиды можно разделить на два класса:

1) пептиды, которые проявляют первичную амфифильность и могут служить моделью трансмембранной гидрофобной а-спирали; 2) пептиды, обладающие потенциальной вторичной амфифильностью и имеющие форму а-спирали или (3-слоя.

1. Первичные амфифильные пептиды. Проводились исследования [1021], в которых амфифильные пептиды, например Gly-LeuN-Lys2-Ala-aMHfl, исследовали в комплексах с синтетическими фосфоли-пидами с помощью ЯМР и дифференциальной сканирующей калориметрии. С помощью фазовой диаграммы «температура/состав» для пептидно-липидной смеси проверяли адекватность термодинамических моделей этой бинарной системы. Были сделаны следующие выводы: 1) для объяснения термодинамических свойств пептидов не требуется делать допущение о существовании липидного кольца, связанного с пептидом и изолированного от остальных липидов;

2) неправильные оценки толщины гидрофобного участка липидного бислоя и длины предполагаемого а-спирального пептида не сказываются существенным образом на фазовом поведении системы.

2. Вторичные амфифильные пептиды. Пептидам, способным образовывать амфифильные а-спирали, посвящено множество работ. Моделировались потенциальные а-спиральные участки пептидных гормонов (например, /3-эндорфина [107]), кальцитонина [1001, 392], мелиттина [302] и аполипопротеинов. Липопротеины — это глобулярные белково-липидные комплексы, присутствующие в сыворотке. Аполипопротеины, выделенные из таких комплексов и принадлежа-

164 Глава 3

щие к классам А, С и Е, содержат потенциально амфифильные а-спиральные участки, которые, по всей вероятности, и взаимодействуют с липидами. Некоторые пептиды, синтезированные специально для моделирования амфифильных элементов аполипопротеи-нов, обладают замечательными свойствами [214, 33, 470]. Они способны стабилизировать бислойные диски (диаметром ~ 100 А), связываясь, как полагают, по их краю. Эти дисковидные комплексы напоминают структуры, образуемые аполипопротеиновыми комплексами с фосфолипидами. Другие амфифильные пептиды, например мелиттин [1328, 353] и глюкагон [393], по всей вероятности, также стабилизируют дисковидные частицы или плоские слои липидного бислоя. Следует отметить, что разные амфифильные пептиды существенно различаются по характеру взаимодействия с фосфолипидами (они могут связываться с поверхностью, стабилизировать дисковидные комплексы, образовывать трансбислойные каналы, разрушать бислой подобно детергентам). Причина такого разнообразия не установлена.

Были синтезированы также пептиды, образующие амфифильные /3-слои, которые служили моделью поверхностно-активных белков [1103]. Необходимо подчеркнуть, что структура некоторых пептидов в водном растворе может существенно отличаться от структуры, предсказываемой на основании алгоритма Чоу—Фасмана [218], который разрабатывался применительно к глобулярным белкам.

3.8. Мембранные белки, ковалентно связанные с липидами [1322, 260, 875]

Многие мембранные белки эукариот и прокариот ковалентно связаны с липидами, которые присоединяются к полипептиду после трансляции (табл. 3.8). В некоторых случаях эти липиды играют роль гидрофобного «якоря», с помощью которого белок прикрепляется к мембране В других случаях роль липидов менее очевидна; возможно, они участвуют в процессе миграции белка в соответствующую область клетки или (как в случае белков оболочки вирусов) в слиянии мембран.

В качестве примера наиболее полно охарактеризованного белка прокариот можно привести липопротеин Брауна [591] — основной липопротеин наружной мембраны Е. coli. Зрелая форма этого белка содержит ацилглицерол, связанный тиоэфирной связью с N -концевым цистеином. Кроме того, N-концевая аминогруппа связана с жирной кислотой амидной связью. Мембраносвязанная форма пеницил-линазы из Bacillus licheniformis прикрепляется к цитоплазматической мембране с помощью N-концевого ацилглицерола аналогично липо-протеинам наружной мембраны [811].

Мембранные белки: характеристика и структурные принципы 165 Таблица 3.8. Некоторые мембранные белки, ковалентно связанные с липидами

I. Прокариоты

1. Липопротеины наружной мембраны бактерий Е. coli [591]

2. Пенициллиназа (Д licheniformis) [811]

3. Цитохромная субъединица реакционного центра [1569]

II. Эукариоты

(A) Белки, к которым присоединена миристиновая кислота [1322]

1. p60s,c

2. Каталитическая субъелиница сАМР-протеинкиназы

3. NAPH-цитохром bf—редуктаза

4. а-Субъединица гуаниннуклеотидсвязывающего белка [172] (Б) Белки, к которым присоединена пальмитиновая кислота [1322]

1. р2Г"

2. Гликопротеин G вируса везикулярного стоматита

3. НА-Гликопротеин вируса гриппа

4. Трансферриновый рецептор (млекопитающие)

5. Родопсин

6. Анкирин

(B) Белки с гликозилфосфатидилинозитольным якорем [1322, 260, 875]

1. Гликопротеин Thy-1

2. Поверхностный гликопротеин трипаносом

3. Ацетилхолинэстераза

4. 5'-Нуклеотидаза

5. Щелочная фосфатаза

6. Адгезивная молекула нервных клеток (N-CAM) [120]

Мембранные белки эукариот часто бывают ковалентно связаны с липидами. Их можно разделить на три класса: 1) белки, связанные с миристиновой кислотой; 2) белки, связанные с пальмитиновой кислотой; 3) белки, связанные с гликозилфосфатидилинозитолом. Белки, связанные с жирными кислотами, по-видимому, локализованы в основном на цитоплазматической поверхности плазматической мембраны [1583], а белки, связанные с фосфатидилинозитолом, — на наружной [184, 418].

Миристиновая кислота присоединяется к белку через амидную связь с N-концевым глицином, причем, вероятно, это происходит одновременно с трансляцией на рибосомах. Не все миристинилирован-ные белки связаны с плазматической мембраной [1583]. Пальмитиновая кислота чаще всего присоединяется к белкам путем образования тиоэфирной связи с цистеином или гидроксиэфирной связи с серином и треонином. Эти аминокислотные остатки обычно расположены внутри основной части полипептида вблизи трансмембранных участков, как правило, на цитоплазматической стороне. Присоединение пальмитиновой кислоты происходит посттрансляционно.

Небольшой класс эукариотических белков плазматической мем-

166 Глава 3

браны присоединяется к наружной поверхности клетки с помощью ковалентно связанного гликофосфолипида — производного фосфати-дилинозитола. Эта связь всегда локализована на С-конце аминокислоты. Фосфолипидный якорь присоединяется посттрансляционно после протеолитического отщепления аминокислот 17—31 от карбоксильного конца молекулы-предшественника. Этот якорь в некоторых случаях является единственным способом прикрепления белка к мембране, поскольку в присутствии фосфолипазы С происходит отсоединение белка от мембраны. Почему эта небольшая группа белков прикрепляется к плазматической мембране именно таким способом — неизвестно.

3.9. Мембранные белки, ковалентно связанные с углеводами [1245, 634]

Поверхностные белки клеток млекопитающих, в том числе большинство рецепторов и транспортных белков, почти всегда гликози-лированы (гл. 8 и 9). Почему это так — неясно. Возможно, это связано с необходимостью сортировки белков при направлении их к плазматической мембране (см. гл. 10). Сахарные остатки могут защищать белок от протеолиза или участвовать в узнавании или адгезии (см. разд. 9.3). Как бы то ни было, ясно, что сахарные остатки в мембранных гликопротеинах локализованы исключительно на наружной стороне мембраны. Имеются также гликопротеины, локализованные в цитозоли [643].

Можно выделить два основных класса олигосахаридных структур мембранных гликопротеинов: 1) N-гликозидные олигосахариды, связанные с белками через амидную группу аспарагина; 2) О-гликозид-ные олигосахариды, связанные через гидроксильные группы серина или треонина (рис. 3.16). Более полно изучен процесс образования N-гликозидных связей (см. гл. 10; [1245, 634]). Этот класс олигосахаридов состоит из трех подклассов.

1. Простой или обогащенный маннозой комплекс, в котором олигосахарид содержит маннозу и N-ацетилглюкозамин в гептасахарид-ном коре (рис. 3.16).

2. Нормальный комплекс, в котором о

страница 22
< 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
(11.12.2017)