Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 173
Текст из файла (страница 173)
Снаружи ' 4' Внутри Рис. 11-9. Бактериарадопсин — пронизывающий мембрану белок (РРВ 10 2АТ9). Единственная полипептиднал цепь складываетсл в семь гидрофобных и-спиралей, каждая из которых пересекает липидный бислой почти перпендикуллрнок плоскости мембраны.Семьтрансмембранных спиралей объединяются в кластер, и пространства вокруг них и между ними заполняется ацильными цепями мембранных липидов. Светопоглощающий пигмент ретиналь (рис. 10-21) погружен глубоко в мембрану и контактирует с несколькими спиральными сегментами (не показаны).
Степень окраски спиралей соответствует их гидрофильности (см. Рис. 11-11, 6). лографии была установлена структура с семью ы-спиральными се<ментами (каждый пронизывает лнпилпый бислой), связанными нсгпиральными пстлями на внешней и внутренней сторонах мембраны (рис.!1-9). В алщнокислотной последовательности бактсриродопсина илснп<- фнпируются гемь сегментов. состощцих каждый примерно из 20 гидроф<юпых остатков, т. с. длила каждого ссгмсн га как раз достаточна Лля образования пересекающей бислой <г-спирали. Семь спиралей вместе образу<от кластер н ориентированы почти псрпспликулярно плоскости бислоя, обеспечивая трансмсмбранный путы<ля лвижснии протонов.
Как мы увидим в гл. 12, этот наоор из семи гилрофоГшых пропизь<вающих мембрану спиралей является об<цим мотивом для мембранных белков, уча< твующих в восприятиии сигналов. Гилрофобныс взвили<действия между нс~оляр~ыми аминокислотами и жнрноацильными группами мел<бранных липилов прочно заякоривают белок в мембране. Исследованные с номощьк> методов кригталлографии мембранные белки (таким образом было установлено их молекулярное строс- 11.1 Состав и строение мембран [333] нис) часто <'олс'ржат молекулы фосфолинпдов; считается, что о~и оГ<паруживакптя в кристаллах, потому что нахи<дятгя и исходных мембранах.
Многие нз молекул фогфолннидои:и жат на ноисрхно<ти <клков, нх «головки» нзанмолсйствуюг с полярными <к.таткам~ аминокислот на Рис. 11-10. Липидные кольца, связанные с двумя интегральными мембранными белками. а) Кристаллическая структура аквапорина овцы (трансмембранный водный канал; РПВ 1П 2Вб0), состоящего из фосфолипидной оболочки, в которой «головки» молекул (синие) располагаются на внешней и внутренней поверхностях мембраны, а гидрофобные цепочки (бежевые) тесно связаны с поверхностью белка.
Липид образует жировой слой вокруг белка, изображенный в виде поверхности зеленого цвета. б) Кристаллическая структура интегрального белка- ваго комплекса Ма'-АТРазы типа Ч из ЕпГегосассиз А<<ее (РРВ 10 2ВЕ2), состоящего из 10 идентичных субъедини<ь каждая из которых содержит четыре трансмембранные спирал<с окружающие центральную полость, в которой расположен фосфатидилглицерин (ФГ).
На данном рисунке пять субъединиц удалены, чтобы дать возможность читателю увидеть молекулы фосфатидилглицерина, связанные с каждой субъединицей. ] 534] Часть 1. 11. Биологические мембраны и транспорт границе мембраны и водной среды с внутренней и внешней сторон, а боковые цепи ассоциированы с неполярными остатками. Эти кольцевые липиды образуют бислойную раковину (кольцо) вокруг белка, ориентированную приблизительно так, как и положено фосфолипидам в бислое (рис. 11-10). Другие фосфолипиды были обнаружены на границе мономеров в мультисубьедипичпых мембранных белках, где они формировали «уплот>гение нз смазки».
Кроме того, фосфолипиды могут быть глубоко внедрены в мембранные белки, обычно их «головки» находятся под уровнем мембраны. Например, у сукцинатдегидрогеназы (комплекс П, встречается в митохондриях; см. рис. 19-10) есть несколько глубоко утопленных молекул фосфолипидов. Трехмерную структуру мембранного белка можно предсказать по его последовательности Обычно определение трехмерной структуры (топологии) мембранного белка — гораздо более сложная задача, чем определение аминокислотной последовательности секвенированием бслка или его гена. Известны тысячи аминокислотных последовательностей мембранных белков, однако с помощью РСА или ЯМР было установлено гораздо меныпс трехмерных структур.
Присутствие непрерывных последовательностей из более чем 20 гидрофобпых остатков в мембранном белке принято считать доказательством того, что эти последовательности погружены в липидный бислой, где опи работах>т как гидрофобныс якори или образуя трансмембраппые каналы. Практически каждый интегральный белок имеет по крайней мере олпу такую последовательн<>сть. Если так же рассуждать в случае геномных последовательностей, то окажется, что у мнопгх видов от 20% до ЗОЖ всех белков — интегральные мембранные белки. Какие можно сделать предсказания относительно вторичной структуры интегральных белков, которые пересекают мембрану? а-Спиральная последовательность пз 20-25 остатков имеет длину как раз достаточную, чтобы пронизывать нею толщину (30 А) липидного бнслоя (напомним, что длина и-спирали составляет 1,5 А (О,!5 нм) на один аминокислотный остаток).
Полипептидпая цепь, окруженная липидами, не имеет возможности образовать водородные связи с молекулами воды и стремится перейти к структуре и-спирали или р-с>гоя, где количеств> водородных связей максимально. Если боковые цепи всех аминокислот в спирали нсполярпы, г>ш)юфобныс взаимодействия с окружающими липидами будут еще сильнее стабилизировать спираль. Существует несколько простых методов анализаа аминокислотных последовательностей, даюгцих возможность достаточно точно предсказать вторичпук> структуру трансмембранных белков. Относительную полярность каждой аминокислоты определяют экспериментально, измеряя изменение свободной энергии, сопровождающее перемещение аминокислотной боковой цепи из гидрофобпого растворителя в воду. Энергетика этого процесса, которую можно выразить через индекс гидрофобности («гидропатический» индекс) для данной аминокислотной последовательности (табл. 3-1), колеблется в пределах от очень экзергонической для заряженных или полярных остатков вплоть до очень эндергоничсской для аминокислот с ароматическими или алифатическими углеводородными боковыми цепями.
Общая гидрофобность последовательности аминокислот оценивается путем суммирования свободных энерпцт переноса аминокислотных остатков в последовательности. Чтобы проверить полипептидную последовательность на наличие сегментов, пронизываюптих мембрану, исследователь рассчитывает индекс гидрофобности данной последовательности определенного размера — от 7 до 20 остатков, называемой окном. Для окон из семи остатков, например от 1 до 7„от 2 до 8, от 3 до 9 и т.
д., индексы гидрофобности наносят на график, как показано на рис. 11-11 (в каждом окне выбрана середина окна, например остаток 4 для интервала с 1 по 7). Область, содержащая больше чем 20 остатков с высоким индексом гидрофоб- ности, считается трансмембранным сегментом. Когда последовательности мембранных белков с известной трехмерной струкгурой сканирук>т таким образом, обнаруживается достаточно хорошее соответствие между предсказанным и известным трансмембранными сегментами. С помощью анализа гидрофобности можно предсказать наличие единственной гидрофобной спирали в гликофорине (рис.
11-11, а) и семи трансмембранных сегментов в бактериородопсине (рис. 11-11, б), что соответствует результатам экспериментов. 11.1 Состав и строение меибраи 1535] 50 0 100 130 а -3 0 50 100 130 !! омер остатка а Гни кофории 10 50 100 150 200 250 4,,"" '1 ' Гидрофобз„г ' 1 1Ф, ~„'. Гидрофидь' иый Е 10 50 100 150 200 250 Номсроствтка б Гзвкт ермо рониис им рис. 11-11. Профили гидрофобиости. Индекс гидрофоб- ности (табл. 3-1) отлажен напротив номеров остатков дж7х интегральных белков.
Индекс гидрофобности для хювдого аминоиислотного остатка в последовательности определенной длины (окна) используется ддя расчета средней гидрофобности остатков этого окна. По оси абсцисс — номер остатка в середине окна. о) Глихофорин зритроцитов человека содержит единственную гидрофобную последовательность между остатками 75 и 93 (желтый цвет); ср. с рис. 11-7. 5) По данным исследований различными методами, у баитериородопсина семь трвнсмембранных спиралей (рис. 11-9) и семь гидрофобных областей. Заметим, однако, что в области сегментов 6 и 7 профиль гидрофобности допускает двоякое толкование.
Иссдедования подтвердили. что в этой области два трансмембранных сегмента. На основе аминокислотных последовательностей и кривых гидрофобности предполагается, что многие транспортные белки, описанные в этой главе, содержат множественные погруженные в мембрану спиральные участки, иными словами, они принадлежат к интегральным белкам типа П1 нли 137 (рис.! 1-8). Если результаты согласуются с химическими исследованиями локализации белка (как описано для гликофорина и бактерио- родопсина), вероятность того, что гпдрофобныс области представляют собой именно пересекающие мембрану домены, существенно возрастает.
Епзе одним замечательным качеством многих трансмембранных белков, структура которых расшиф)ювана, является присутствие остатков Туг и Тгр на поверхности раздела между липидом н водой (рис. 11-12). Боковые цепи этих остатков служат, по всей видимости, якорями па поверхности раздела, способными одновременно взаимодействовать с центральной липидпой фазой и водными фазами па каждой стороне мембраны. Еще одно общее наблюдение о расположении аминокислотпых остатков относительно двойного липидного слоя состоит в следующем: положительно заряженные остатки 1.уа Н)в и Агй в мембранных белках чаше всего встречаются на цитоплазматической стороне мембраны (правило «положительные остатки — внутриь). Не все интегральные мембранные белки составлены из трансмелзбранных сз-спиразей. Другим структурным мотивом.
общим для мембранных белков, является р-цилиндр (рис. Л-17, с), в котором 20 или больше трансмембранных сегментов формируют )з-слои, выстраивающиеся н виде цилиндра (рнс. 11-13). Те жс самые факторы, которые благоприятствуют образовашпо сг-спирали в гидрофобном окружении липидного бислоя, стабилизируют и )3-цилиндры. Когда нет молекул воды для образования водородной связи с карбонильным кислородом или азотом псптидной связи, наиболее стабильную конформацию обеспечивает максимально возможное количество водородных связей между цепочками. В плоских р-слоях водородными связями связаны пе все атомы, которые спошзбны к нх образованию, и )3-слон, как правило, не обнаружены в мембранных белках; )3-цилиндры допускают образование всех возможных водородных связей и характерны для мембранных белков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
