А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 31
Текст из файла (страница 31)
д.), и их оченьтрудно кристаллизовать, так как они склонны слипаться неупорядоченно. структура бактериородопсина — он проводит протон через мембрану — показана на рис. 12-2; эта структура построена на основе анализамножества электронных микрофотографий очень высокого разрешения,так как получить пригодные для рентгеноструктурного анализа трехмерные кристаллы бактериородопсина удалось только относительно недавно.Рис. 12-2. Бактериородопсин в мембране: (а) — вид вдоль мембраны, (б) — вид намембрану снизу (изнутри клетки).
Цилиндрами показаны семь спиралей этого белка. Показаны и соединяющие эти спирали петли, а также сложенная из шариковатомов модель молекулы ретиналя, прикрепленной внутри бактериородопсинаМы видим, что трансмембранная часть бактериородопсина сложена изсеми регулярных α-спиралей, идущих от одного до другого края мембраны и образующих слегка наклоненный к ее плоскости пучок, а одинокаяβ-шпилька и все нерегулярные участки цепи (соединяющие спирали петли) выходят из мембраны.Высокая регулярность укладки остова трансмембранной белковой цепизакономерна: в «жирном», почти безводном липидном окружении ценакаждой водородной связи очень высока, что заставляет белковую цепь,уж если она попадает в мембрану, принимать структуры с полностью151завязанными водородными связями, т. е. либо α-спираль, либо β-структуру(точнее, β-цилиндр, не оставляющий края β-листа открытыми, см. ниже).сидящие на α-спиралях бактериородопсина гидрофобные группы обращены «наружу», к (тоже гидрофобным) липидам мембраны.
Полярныеже группы — их немного — обращены внутрь очень узкого канала, по которому идет протон. Протонная проводимость осуществляется при содействии прикрепленной внутри пучка спиралей молекулы кофактора — ретиналя. Он перекрывает центральный канал бактериородопсина.Поглотив фотон, ретиналь переходит из trans- в cis-форму. При этом онизгибается (причем конформация белкового тела также несколько меняется) и переносит протон с одной (внутриклеточной, нижней на рис. 12-2)стороны семиспирального бактериородопсинового пучка на противоположную (обращенную к внешней поверхности клетки, где свободных протонов больше, чем внутри). А потом ретиналь разгибается и возвращаетсяназад, но уже без этого протона — за следующим. Аналогичные (но обычно более широкие) поры, устроенные как полыйпучок спиралей, могут образовываться в других случаях и из отдельныхα-спиральных трансмембранных пептидов.кстати, спиральный пучок часто встречается в совсем других мембранных белках.
Они не проводят через мембрану никаких молекул. Они проводят сигнал. речь идет о разных белках-рецепторах, и, в частности, о рецепторах гормонов (рис. 12-3). работу одного из множества таких рецепторовмы сейчас вкратце рассмотрим.Рис. 12-3. Активация аденилат циклазы (adenylate cyclase) посредством G-белка,активированного (activated) трансмембранным рецептором (receptor), связавшимгормон (hormone), пришедший из внеклеточного пространства (extracellular space).Превращение АтФ→цикло-АМФ (Атр→сАМр) создает внутриклеточный вторичный сигнал (second messenger). картинка, с разрешения авторов, взята из [5]152При связывании гормона конформация трансмембранного пучка спиралей этого рецептора как-то меняется (еще неясно, как именно). таким образом, «сигнал» о прибытии гормона передается внутрь клетки: измененная конформация внутримембранной части рецептора как-то содействуеттому, что α-субъединица сидящего на нем G-белка (Guanidine-bindingprotein) отпускает сидящую на ней молекулу ГдФ.
Взамен эта субъединица связывает молекулу ГтФ, выловленную из окружающего ее цитозоля,и покидает и прочие свои субъединицы, и рецептор (к которому теперьможет подойти другая α-субъединица G-белка, нагруженная ГдФ, и тоже,в свою очередь, покинуть его, прихватив ГтФ).α-субъединица G-белка может расщепить ГтФ (GTP, гуанидин-трифосфат), превратив его в ГдФ (GDP, гуанидин-ди-фосфат) и фосфат (P),но (и это важно!) она делает это очень медленно. А пока, вместе с ГтФ,она дрейфует по мембране (в которую уходит его «хвост»), подплывает каденилат циклазе, связывается с ней, и, в результате, аденилат циклаза начинает работать, превращая множество молекул АтФ в цикло-АМФ. Это идает начало физиологическому ответу клетки на связывание гормона. Нодействие α-субъединицы G-белка на аденилат циклазу длится не вечно; вконце концов α-субъединица превращает свой ГтФ в ГдФ, действие кончается, и α-субъединица (с ГдФ) возвращается на свой рецептор.
Если онвсе еще связан с гормоном — цикл повторяется; нет — заканчивается.В результате сигнал одной молекулы гормона многократно усиливается, но длится только определенное время. В этой конечности временидействия и заключается специфика всех G-белков (и не только тех, чтоактивируют аденилат циклазу), работающих, только пока они не успелирасщепить ГтФ (при этом медленное расщепление ГтФ служит своеобразным таймером). Посмотрим еще на один трансмембранный белок, порин (рис.
12-4).Он также высоко регулярен и имеет вид широкого цилиндра, сложенногоиз β-структуры. Обратите внимание, что β-лист здесь образует замкнутый β-цилиндр, это позволяет избежать «незавязанных» водородныхсвязей, типичных для краев плоского β-листа. В цилиндре 16 очень длинных β-участков, а диаметр проходящей по его центру довольно широкойпо′ры — около 15 Å. В сторону пόры обращены боковые группы полярныхостатков, входящих в β-тяжи, а чередующиеся с ними в β-тяжах неполярные остатки обращены своими боковыми группами в мембрану.Порин служит проводником полярных молекул — кстати, не очень селективным.153Рис.
12-4. Порин. (а) Вид вдоль плоскости мембраны (расположение липидов в нейпоказано очень схематично). (б) Вид поперек плоскости мембраны селективность проводимости, т. е. специфичность действия мембранных белковых каналов, частично зависит просто от размера пытающейсяидти через канал молекулы: слишком большие – не проходят (а поройплохо проходят и слишком малые, отделенные от стенок канала узким, невмещающим воду вакуумным зазором, – см.
Задачу 12.4).селективность во многом связана и с тем, что полярные, а тем более заряженные группы «сами по себе» проникают внутрь мембраны с большимтрудом.Вы помните, что свободная энергия заряда q в среде с диэлектрическойпостоянной ε равна +q2/2εr, где r — Ван-дер-Ваальсов радиус заряда. Легко прикинуть, что при q, равном электронному заряду, и r = 1,5 Å (характерный радиус однозарядного иона) величина +q2/2εr близка к 1,5 ккал/моль при ε = 80 (т. е. в воде), а при εмембр.= 3 (т.
е. внутри «чистой», сложенной лишь из липида мембраны) величина +q2/2εr близка уже к 37 ккал/моль. Итого — повышение свободной энергии на ∆F = +35 ккал/моль.Вероятность набрать такую свободную энергию составляет, по формулеБольцмана, exp(–∆F/kT) = exp(–35/0,6) = 10–25. Значит, успешной будетлишь одна из 1025 атак мембраны ионом. А так как «атака» длится не менее 10–13 с (это — время теплового колебания, как мы помним), то для проникновения иона через чисто липидную мембрану нужно по крайней мерепорядка 1012 секунд, или порядка десятка тысяч лет... Все это делает чистолипидную мембрану практически непроницаемой для ионов.другое дело, если в мембрану встроен белок, а внутри него образованболее или менее широкий, заполненный водой канал, по которому ион может идти, не покидая среду с высокой диэлектрической проницаемостью.Правда, и в канале ион будет чувствовать низкую диэлектрическую прони-154цаемость окружающей канал мембраны, но эффект будет уже много меньше — повышение свободной энергии иона составляет величину порядка+q2/[(εмембр.
εводы )1/2R], где R — радиус канала, εмембр. = 3, а εводы= 80. Легкоприкинуть, что при этом канал радиусом R ≈ 1,5 Å в мембране преодолевается ионом за долю секунды, а R ≈ 3 Å — за малую долю миллисекунды.Пропускание иона через канал регулируется наличием в нем центров,способных притянуть данный ион и тем уменьшить барьер, который емуприходится преодолевать.Например, наличие на белке вблизи канала хоть какого-то положительного заряда ускоряет пропускание отрицательно заряженных ионов и резко замедляет пропускание ионов, заряженных положительно (рис.
12-5), аналичие отрицательного заряда — наоборот, ускоряет пропускание положительных ионов и замедляет пропускание отрицательных.Этот эффект (и, конечно, размер пóры) служит основой селективноститой проводимости, что обеспечивается мембранными белками.Рис. 12-5. схема трансмембранной пóры (мембрана в данном случае расположенавертикально, а пóра — горизонтально) и электростатическая свободная энергияU для положительно ( + ) и отрицательно ( – ) заряженныхионов. (а) На внутренней поверхности пόры нет заряда. (б) На внутренней поверхности пóры — положительный заряд теперь давайте более подробно рассмотрим фотосинтетический реакционный центр (рис. 12-6).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
