Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 201
Текст из файла (страница 201)
Но исчерпывающее понимание того, как мембранный транспортный белок работает, требует точной информации о его трехмерной структуре в бислое. Бактериородопсин был первым мембранным транспортным белком, чью структуру удалось расшифровать. Он остается шаблоном для многих многопроходных мембранных белков со сходной структурой и, несомненно, заслуживает краткого отступления. Рис. 10.31. Использование мягких неионных детергентов для солюбилиэацни, очистки н воссоздания функциональных систем мембранных белков. В данном примере показана очипка и встраивание в фосфол ил иди ые вез и хулы молекул Ма'/К'-насоса. Ма'/К'-насос — зто ионный насос., присутствующий в плазматических мембранах большинства животных клеток; он использует энергию гидролиза АТР для выкачивания Ма' иэ клетки и закачки К' в клетку, как описано в главе 11.
986 Часть )К Внутренняя оргвннзацня клетки «Пурпурная мембрана» археи На10Ьасгег(ит .та1(тгагпт представляет собой специализированную «бляшку» иа плазматической мембране, несущую единствен пый вид белковых молекул — бактериородопснн (рис. 10.32). Каждая молекула бактериородопсииа содержит одну поглощающую свет группу, или хромофор (так иазываемьй ретиналь), который придает белку пурпурную окраску. Реги иаль — зто альдегидиая форма витамина А, и ои идентичен хромофору рог)гзпсини фоторецепториых клеток глаз позвоночных (см. главу (3). Ретииаль ковалеитио связан с боковой цепью остатка лизина белка бактериородопсииа. При активации единственным фотоном света, возбужденный хромофор меняет форму, что приводит к последовательности небольших конформапиоииых изменений белка. В результате. один Н' переносится из цитоплазмы во внешнюю среду (рис.
10.33). На ярком свету каждая молекула бактериородопсииа способна выкачивать наружу несколько сотен протонов в секунду. Светозависимый транспорт протонов создает градиент П' через плазматическую мембрану, за счет которого, в свою очередь, происходит синтез АТР вторым белком в мембране плазматичес кой клетки. Энергия, запасаемая в форме градиента Н', также используется в клетке для друпгх зиергозатратпых ~~~в,фф г бактериородопсина / е) 10 нм отдельная молекула бактериородопсина— — г) 50 нм 2 нм Рис.
10.32. Бляшки пурпурных мембран аркен На!обостепигл зайпогит, соде реющие бактериородопсин. а) Эти археи обитают в соленых водоемах, доступных для солнечного света. В процессе эволюции они создали множество светозависимых белков, включая бактериородопсин, который представляет собой светозависи мый протонный насос в плазматической мембране. б) Молекулы банте риородопсина в бляшках пурпурных мембран платно упакованы в двумерные кристаллы, е) Изображение молекулярной поверхности, полученное при помощи атомно-силовой микроскопии. Этот метод позволяет увидеть отдельные молекулы банте рнородопси на.
г) Схема примерного расположения трех мои оме ров бактериородопсина и их а спиралей, наложенная на изображение на (б), (б-в, с любезного разрешения 0!есег Оезтегпей.) ИИ. 8))вмбранныф бенки 987. нн, ВНЕКПЕТОЧНО ПРОСТРАНСТВО гкдрофобнея свздчеекне липицкою бнглоя (3 ни) ЦИТОЗОПЬ Рис.
10.33. Трехмерная структуре молекулы бвктериородопсинв. а) Полипептидная цепь семь рвз пересекает липидный Вислой в форме а-спиралей. Показаны положение хромофора реги наля (фоолеглоеый) и возможный путь откачки протонов после активации светом. Первым и самым важным зтапом является перенос Н' с хромофора на боковую цепь аспзрвгиновой кислоты 85 (красная, расположена рядом с хромофором), который происходит после поглощения ретиналем фотона. Затем переносится другой Н'вуказанном числами порядке при помощи боковых цепей аминокислот, выстилающих путь через мембрану. Цикл завершается, и белок возвращается в исходное состояние.
Цветовые обозначения: глютвминоввя кислота (оранжевое), вспврвгиновая кислота (красная), аргинин (синий). б) Кристаллическая структура бактериородопсина высокого разрешения показала, что с определенными положениями на поверхности белка связано множество липидов (желтые с красными «головкамие). (о, адаптировано из Н. Шесве ет в)., 1 Ата/ Вюг 291: 899-911, 1999. С любезного разрешения издательства Асас)епйс Ргеик) процессов. Таким образом, бактериородопсин преобразует солнечную энергию в градиент протонов, который обеспечивает энергией клетку археи. Многочисленнтяе молекулы бактериородопсина в пурпурной мембране орга низованы в плоский двумерный кристалл. Такая регулярная упаковка позволила определить трехмерную структуру и ориентацию бактериородопсина в мембране с умеренным разрешением (3 д) при помощи подхода, в основе которого лежат электронная микроскопия и дифракция электронов. Этот метод, известный как электронная кристаллография, аналогичен изучению трехмерных кристаллов растворимых белков посредством рентгеновской дифракции.
Он позволил получить первые структурные данные о многих мембранных белках, которые слишком сложно кристаллизовать в растворе детергента. В случае бактериородопсина структура, полученная при помощи электронной кристаллографии, была впоследствии под тверждена и уточнена прн помощи ренттеноструктурного анализа очень высокого разрешения. Каждая молекула бактериородопсина состоит из семи плотно упакованных а спиралей (каждая из которых содержит около 25 аминокислот), пересекающих лнпидную мембрану под значительно отличающимися углами. После получения высокоупорядоченных кристаллов и их заморозки при очень низкой температуре 988 Часть!Ч. Внутренняя организация клетки также стало возможным определение структуры некоторых промежуточных конформаций, которые белок принимает в течение цикла переноса Н'.
Бактериородопсин — член крупного суперсемейства мембранных белков со сходной структурой, но отличными функциями. Наприл1ер, родопсин в палочках сетчатки позвоночных и многие рецепторные белки на поверхности клетки, связывающие внеклеточные сигнальные молекулы, также состоят из семи трансл1ембранных а-спиралей. Эти белки работают скорее как трансформаторы сигнала, а не транспортеры: они отвечают на внеклеточный сигнал путем активации внутри клетки СТР-связывающего белка (С-белка) и, соответственно, называются рецепторами, сопряженными с 0-белком (б-Рго1е1п-Сопр!ес1 Кесер(ог, ОРСЮ.
Мы обсудим их в главе 15. Несмотря на то что структуры бактериородопсина и С-белков удивительно похожи, их аминокислотные последовательности совершенно различны. Это указывает на то, что они, по-видимому, принадлежат к двум эволюционно далеким ветвям одного древнего семейства белков. Кристаллическая структура бактериородопсина высокого разрешения показала, что с определенными положениями на поверхности белка связано множество липидных молекул (рис.
10.33, б). Предполагают, что взаимодействия со специфическими липидами способствуют стабилизации многих мембранных белков, которые лучше функционируют и проще кристаллизуются, если некоторые из этих липидов остаются связанными в процессе обработки детергентом или если определенные липиды добавить обратно к белкам в растворе детергента. Специфичность таких липид-белковых взаимодействий помогает объяснить, почему эукариотические мембраны содержат такое разнообразие липидов, «головки» которых различаются по размеру, форме и заряду.
Можно рассматривать мембранные липиды как двумерный растворитель для белков в мембране, точно так же как вода — трехмерный растворитель для белков в водном растворе. Некоторые мембранные белки способны функционировать только в присутствии специфических «головок» липидов, точно так же как многие ферменты в водных растворах требуют для своей работы определенных ионов. 10.2.9. Мембранные белки часто функционируют в составе крупных комплексов Многие мембранные белки функционируют в составе многокомпонснтных комплексов, некоторые из которых изучены при помощи рентгеноструктурного анализа. Фотосинтетический реакционный центр бактерий был первым закристаллизованным и проанализированным при помощи рентгеновской кристаллографии трансмембранным белковым комплексом.
Результаты этого анализа очень важны для биологии мембран в целом, поскольку они впервые показали, как большое число полипептидов ассоциирует с мембраной и образует сложную белковую машину (рнс. 10.34). В главе 14 мы обсудим, как такие фотосинтетические комплексы функционируют и улавливают энергию света для перекачки протонов через мембрану. Многие мембранные белковые комплексы, участвующие в фотосинтезе, переносе протонов и электронном транспорте, ил1еют даже большие размеры, чем фотосинтетический реакционный центр. Например, огромный комплекс фотосистемы П цианобактерий содержит 19 белковых субъединиц и более 60-ти трансмембранных спиралей.
Мембранные белки часто собираются в крупные комплексы не только для того, чтобы улавливать различные формы энергии, но и для трансформации внеклеточных сигналов во внутриклеточные (см. главу 15). 990 Часть Лг. 9иутраннил организация клетки мыши искусственно слили с клетками человека для получения гибридных клеток (гетерикариопов).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
