Часть 3 (1129751), страница 49
Текст из файла (страница 49)
(а) Жирнокислотная цепь (миристиноваякислота) присоединяется через амидную связь к N-концевому глицину. (б) Жирнокислотная цепь(пальмитиновая кислота) присоединяется посредством тиосложноэфирной связи к цистеину. (в) Пренильная группа (либо фарнезильная, либо более длинная геранил-геранильная группа) присоединяетсячерез тиоэфирную связь к цистеиновому остатку, который сначала располагается на расстоянии четырехостатков от C-конца белка. После пренилирования три концевые аминокислоты отщепляются, и новыйC-конец до ввода якоря в мембрану метилируется (не показано).
Структуры липидных якорей показанывнизу: (г) миристиновый якорь (14-углеродная насыщенная жирная кислота), (д) пальмитиновый якорь(16-углеродная насыщенная жирная кислота) и (е) фарнезильный якорь (15-углеродная ненасыщеннаяуглеводородная цепь).1092Часть IV. Внутренняя организация клетки10.2.3. В большинстве трансмембранных белков полипептиднаяцепь проходит через липидный бислой в α-спиральной конформацииТрансмембранный белок всегда однообразно ориентирован в мембране. Это отражает асимметрию его проникновения в липидный бислой ЭР в процессе биосинтеза(см.
главу 12) и различные функции цитоплазматического и внеклеточного доменов.Эти домены разделены трансмембранными сегментами полипептидной цепи, контактирующими с гидрофобным окружением липидного бислоя и состоящими большейчастью из аминокислот с неполярными боковыми цепями. Поскольку пептидныесвязи сами по себе полярны и вокруг отсутствует вода, все пептидные связи в бислоевынуждены образовывать водородные связи между собой. Наиболее эффективно образование водородных связей происходит, если полипептидная цепь упакована в регулярную α-спираль, пересекающую мембрану.
Именно таким образом большинствопрошивающих мембрану сегментов организуются в бислое (рис. 10.21).В однопроходных трансмембранных белках полипептидные цепи пересекаютмембрану только один раз (см. рис. 10.19, пример 1), тогда как в многопроходныхтрансмембранных белках полипептидная цепь прошивает мембрану несколькораз (см. рис. 10.19, пример 2). Альтернативным способом упаковки цепей, позволяющим пептидным связям образовывать водородные связи в мембране, являетсяформирование полипептидной цепью β-структуры, свернутой в закрытую «бочку» (так называемогоβ-бочонка; см. рис. 10.19, пример 3). Такой вид многопроходныхтрансмембранных структур характерен для белков-поринов, которыемы рассмот-рим позже.Быстрое развитие рентгеноструктурного анализа мембранныхбелков позволило нам расшифровать трехмерные структуры многихиз них. Структуры подтверждают,Рис. 10.21.
Фрагмент трансмембранной полипептидной цепи, пересекающий липидный бислой в форме α-спирали. Показантолько углеродный скелет полипептиднойцепи, гидрофобные аминокислоты показаны зеленым и желтым. Приведенныйздесь полипептидный фрагмент являетсячастью бактериального фотосинтетического реакционного центра, изображенногона рис. 10.34. Структура была расшифрована при помощи рентгеновской дифракции.(Основано на данных из J. Deisenhofer et al.,Nature 318: 618–624, 1985, и H. Michel et al.EMBO J.
5: 1149–1158, 1986. Все с любезного разрешения издательства MacmillanPublishers Ltd.)Глава 10. Структура мембраны 1093Рис. 10.22. Применение профилей гидрофобности для локализации потенциальных α-спиральных трансмембранных участков полипептидной цепи. Свободную энергию, необходимую для переноса последовательных сегментов полипептидной цепи из неполярного растворителя в воду, рассчитывают по аминокислотному составу каждого сегмента на основе данных, полученных для модельных соединений. Данныйрасчет производят для сегментов заданного размера (обычно около 10–20 аминокислот), начиная с каждойпоследующей аминокислоты в цепи. «Индекс гидрофобности» сегмента откладывается по оси Y как функцияот его положения в цепи.
Положительное значение указывает на то, что для переноса в воду требуется свободная энергия (т. е. сегмент гидрофобен), а значение присваивается в соответствии с величиной необходимойэнергии. Пики индекса гидрофобности указывают положение гидрофобных сегментов в аминокислотнойпоследовательности. (а и б) Показаны два примера мембранных белков, которые будут рассмотрены в данной главе ниже. Гликофорин (а) обладает единственной прошивающей мембрану α-спиралью и однимсоответствующим ей пиком на профиле гидрофобности. Бактериородопсин (б) имеет семь трансмембранных α-спиралей и семь соответствующих им пиков на профиле гидрофобности. (в) Доля предсказанныхмембранных белков, кодируемых генами E. coli, S. cerevisiae и человека. Зеленая область соответствует долебелков, содержащих по крайней мере одну предсказанную α-спираль.
Для E. coli и S. cerevisiae приведеныданные по всему геному; данные по человеку даны для части генома; в каждом случае площадь под кривойпропорциональна числу проанализированных генов. (а, адаптировано из D. Eisenberg, Annu. Rev. Biochem.53: 595–624, 1984. С любезного разрешения издательства Annual Reviews; в, адаптировано из D. Boyd et al.,Protein Sci. 7: 201–205, 1998. С любезного разрешения The Protein Society.)1094Часть IV. Внутренняя организация клеткичто часто бывает возможно из аминокислотной последовательности белка предсказать,какие части полипептидной цепи располагаются за пределами бислоя. Участки, состоящие из 20–30 аминокислот с высоким уровнем гидрофобности, обладают достаточной длиной для того, чтобы пересечь бислой в форме α-спирали, и их часто можноидентифицировать при помощи профиля гидрофобности (рис. 10.22). Эти графикипозволили показать, что около 20 % белков организма являются трансмембранными,что указывает на их важную роль.
Профили гидрофобности не позволяют идентифицировать прошивающие мембрану участки β-бочонка, поскольку для эффективногопересечения липидного бислоя в форме вытянутого β-тяжа достаточно 10 аминокислот или даже меньше. Более того, только каждый второй аминокислотный остатокв β-структуре гидрофобен.Энергетическая необходимость максимально образовывать водородные связив отсутствие воды означает, что входящая в бислой полипептидная цепь скореевсего прошьет его насквозь и только после этого изменит свое направление. Этообъясняется тем, что искривление цепи требует нарушения регулярности водородных связей.
Но многопроходные мембранные белки могут содержать области,упаковывающиеся в мембрану с какой-либо стороны и проникающие в пространство между трансмембранными α-спиралями без взаимодействия с гидрофобнымцентром липидного бислоя. Поскольку такие участки полипептидной цепи контактируют только с другими полипептидными участками, им нет необходимостимаксимизировать количество образованных водородных связей; таким образом, онимогут иметь разнообразную вторичную структуру, включая спирали, распространяющиеся только на часть липидного бислоя (рис. 10.23). Такие области важныдля функционирования некоторых мембранных белков, включая каналы для K+и воды; эти участки входят в состав стенок поры, прошивая мембрану и задаваясубстратную специфичность каналов, как мы обсудим в главе 11.
Эти областинельзя идентифицировать при помощи профилей гидрофобности, для этого используют рентгеновскую кристаллографию, электронную дифракцию (метод, сходныйс рентгеновской дифракцией, но применяемый к двумерным решеткам белков) илиЯМР-исследования трехмерной структуры белков.10.2.4. Трансмембранные α-спирали часто взаимодействуют другс другомТрансмембранные α-спирали многих однопроходных мембранных белков не участвуют в сворачивании белковых доменов с обеихсторон мембраны. В результате часто можносоздать клетки, синтезирующие цитоплазматические или внеклеточные домены этих белковРис. 10.23.
Две α-спирали в водном канале аквапорине,каждая из которых доходит только до середины липидного бислоя. В мембране белок образует тетрамер из такихчетырех двуспиральных сегментов таким образом, что показанный здесь окрашенный участок окружен поверхностьюбелок-белковых взаимодействий. Механизм, по которомуканал пропускает молекулы воды через липидный бислой,подробнее обсуждается в главе 11.Глава 10. Структура мембраны 1095в форме водорастворимых белков. Этот подход оказался незаменимым для изученияструктуры и функционирования этих доменов, особенно в случае трансмембранныхрецепторных белков (обсуждаемых в главе 15).
Однако даже в однопроходном белке,помимо заякоривания белка в липидном бислое, трансмембранная α-спираль частовыполняет и другие функции. Многие однопроходные мембранные белки образуютгомодимеры, которые удерживаются вместе сильными и высокоспецифичнымивзаимодействиями между двумя трансмембранными α-спиралями. Последовательность гидрофобных аминокислот этих спиралей несет информацию, направляющуюбелок-белковые взаимодействия.Точно так же трансмембранные α-спирали в многопроходных мембранных белках располагаются в конкретных положениях структуры свернутого белка, определяемых взаимодействиями между соседними спиралями. Эти взаимодействия имеютключевое значение для структуры и функционирования многих каналов и транспортеров, переносящих молекулы через липидные бислои. Во многих случаях можноиспользовать протеазы для разрезания петель полипептидной цепи, соединяющихтрансмембранные α-спирали с обеих сторон бислоя, при этом спирали продолжаютудерживаться вместе и нормально функционировать.
В некоторых случаях можнодаже экспрессировать в живой клетке сконструированные гены, кодирующие отдельные части многопроходного белка, и увидеть, что они правильным образомсобираются в мембране и образуют полностью функциональный трансмембранныйбелок (рис. 10.24). Это доказывает удивительную специфичность взаимодействиятрансмембранных α-спиралей.В многопроходных мембранных белках соседние трансмембранные спирали в третичной структуре белка защищают многие трансмембранные спирали от мембранныхлипидов. Почему же тогда эти защищенные спирали все равно состоят, по большейчасти из гидрофобных аминокислот? Ответ на этот вопрос можно получить, рассмотрев то, как многопроходные белки проникают в мембрану в процессе их биосинтеза.Как мы обсудим в главе 12, трансмембранные α-спирали вводятся в липидный бислойпоследовательно белками-транслокаторами. После того, как α-спираль покидает транслокатор, она временно оказывается окруженной липидами бислоя, для чего необходимо, чтобы она была гидрофобной.
Только когда белок приобретает свою конечнуюструктуру, образуются контакты между соседними спиралями, и белок-белковыеконтакты замещают некоторые из белок-липидных контактов (рис. 10.25).10.2.5. Некоторые β-бочонки образуют крупные трансмембранныеканалыМногопроходные трансмембранные белки, трансмембранные сегменты которыхупакованы в β-бочонок, а не α-спираль, имеют относительно жесткую структуруи легко кристаллизируются. Некоторые их них одними из первых расшифровалиметодами рентгеноструктурного анализа мембранных белковых структур. Числоβ-структур в β-бочонках сильно меняется в пределах от 8 до 22 (рис. 10.26).Белки, обладающие структурой β-бочонка, в большом количестве содержатсяво внешней мембране митохондрий, хлоропластов и многих бактерий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
