Белки мембран - интегральные, поверхностные, заякоренные. Значение пострансляционных модификаций в образовании функционально-активных мембранных белков

Белки мембран

Белки могут быть частично или полностью погружены в мембрану (интеграль­ные белки) либо располагаться на ее поверхности (периферические белки).

Погруженная часть интегральных белков гидрофобна, содержит большое количе­ство аминокислот с гидрофобными радикалами. Гидрофобные взаимодействия обеспечивают удерживание белков в липидном слое мембраны и их определенную ориентацию: белок с гидрофильной выступающей частью не может повернуться этой частью в гидрофобный слой.

Часть мембранных белков представлена углеводсодержащими белками гликопротеинами. Гликопротеины обнаруживаются преимущественно в плазматических мембранах. Углеводную часть (простетическую группу) этих белков составляют ко-валентно присоединенные моносахаридные остатки или олигосахаридные цепи.

Многие интегральные белки прошивают мембрану насквозь, выступая за ее пре­делы по обе стороны. Примером может служить углеводсодержащий белок гликофорин, входящий в состав плазматической мембраны эритроцитов. На

его долю в этой мембране приходится около 10 % от всех белков. Пептидная цепь гликофорина со­держит примерно 200 аминокислотных остатков; к пептиду присоединено около 20 олигосахаридных цепей длиной по 12 моносахаридов. Углеводы со­ставляют примерно половину всей массы гликопротеина. Все углеводные цепи сосредоточены на N-концевой части молекулы, захватывающей несколь­ко меньше половины пептидной цепи гликофорина. Далее следует гидрофобный учас­ток цепи (примерно из 30 аминокислот), имею­щий конформацию альфа-спирали; именно этот уча­сток прошивает насквозь мембрану. При этом гид­рофильная концевая часть с углеводами

оказывается на наружной поверхности мембраны, а С-концевая часть, тоже гидро­фильная, но без углеводных цепей — на внутренней поверхности. Мембрана каж­дого эритроцита содержит около 300 тысяч молекул гликофорина.

Белковый состав разных мембран различен. Например, плазматическая мемб­рана клеток печени содержит сотни разных белков, а мембраны наружных сегмен­тов палочек сетчатки глаза — лишь несколько белков, в основном родопсин (зри­тельный пурпур).

В мембране эритроцитов белки занимают 25 % поверхности мембраны; осталь­ные 75 % приходятся на липиды. В некоторых других мембранах площадь, занима­емая белками, больше, до 2/3 всей поверхности.

Белки мембран выполняют разные функции: это могут быть и структурные бел­ки, и ферменты, и белки, осуществляющие трансмембранный перенос веществ, и рецепторы гормонов или других сигнальных молекул. Упомянутый выше родопсин зрительных палочек улавливает свет: это первый акт в цепочке молекулярных собы­тий, ведущих к зрительному ощущению.

Механизмы переноса веществ через мембраны: простая диффузия, первично-активный транспорт (Nа+ - К+ -АТФа-за, Са++-АТФаза), пассивный симпорт и антипорт, вторично-активный транспорт, регулируемые каналы (Са - канал эндоплазматического ретикулума).

Простая диффузия

Небольшие нейтральные молекулы типа Н₂0, С0₂, 0₂, NH₃ (но не NH₄⁺), мочеви­на, этанол, а также гидрофобные низкомолекулярные органические вещества могут диффундировать через мембрану без участия каких-либо специальных ме­ханизмов. Если существует трансмембранный градиент концентра­ций вещества (концентрация по одну сторону мембраны больше, чем по другую), то скорость диффузии в сторону меньшей концентрации будет больше, чем в об­ратном направлении, и перенос веществ будет происходить, пока сохраняется градиент концентрации.

Активный транспорт

В этом процессе, в отличие от простой и облегченной диффузии, перенос веще­ства совершается против градиента концентрации. Таким способом происходит перенос многих минеральных ионов из межклеточной жидкости в клетку или в об­ратном направлении, перенос аминокислот из просвета кишечника в клетки кишеч­ника, перенос глюкозы из первичной мочи через клетки канальцев почки в кровь. Транспорт против градиента концентрации — несамопроизвольный процесс: он связан с расходованием энергии. Источником энергии может быть или гидролиз АТФ (первично-активный транспорт), или одновременный перенос другого веще­ства, которое движется по градиенту своей концентрации (вторично-активный транспорт).

Активный транспорт некоторых минеральных ионов происходит за счет энер­гии АТФ при участии транспортных АТФаз (ионных насосов). Ионные насосы — это белковые устройства, способные избирательно присоединять переносимый ион и гидролизовать АТФ; при этом энергия гидролиза АТФ трансформируется в энергию разности концентраций ионов по сторонам мембраны.

Na,K-АТФаза. Присоединение к АТФазе трех ионов Na⁺ (стадии 1 и 2) активи­рует фермент, и он катализирует расщепление АТФ, причем фосфатный остаток

присоединяется к АТФазе. В результате фосфорилирования фермента происходит изме­нение его конформации: ионный канал зак­рывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной (стадия 3); одновре­менно уменьшается (примерно в 10 раз) сродство центров связывания к иону Na⁺. Ионы Na⁺ покидают фермент, а к нему (к спе­циальным центрам связывания) присоединя­ются ионы К⁺ (стадия 4). Ионы К⁺ так изме­няют фермент, что происходит гидролити­ческое отщепление фосфатного остатка от фермента. В результате вновь изменяется конформация фермента: ионный канал закрывается с наружной стороны и открыва­ется с внутренней, сродство к ионам К⁺ сни­жается, и они освобождаются в цитозоль (стадия 5). Энергия гидролиза АТФ нужна именно для того, чтобы изменять сродство к ионам по разные стороны мембраны.

За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное пространство переносятся три иона Na⁺, а в обратном направлении — два иона К⁺. Поскольку перенос катионов неэквивалентен, одновременно с разностью

их концентраций возникает и разность электрических потенциалов, т. е. натрие­вый насос работает в электрогенном режиме. Разность потенциалов совсем не­большая, меньше 0,1 В. Однако расстояние между заряженными областями тоже очень мало, поэтому напряженность электрического поля получается значитель­ной — порядка 100.000 В/см. Так образуется трансмембранный электрохимический потенциал дельта мю, который складывается из энергии разности электрических потен­циалов дельта пси и энергии разности концентраций веществ дельта С по сторонам мембраны:

делльта мю = F дельта пси + RT дельта LnC

(F — число Фарадея; R — газовая постоянная; Т — температура).

Натриевый насос локализован в плазматической мембране клеток и имеется во всех клетках. В результате его действия создается разность концентраций ионов между цитозолем и межклеточной жидкостью. Например, концентрация ионов в мышечной ткани (ммоль/л):

□ внутриклеточная: Na⁺— 13; К⁺ — 150;

□ внеклеточная: Na⁺ — 120; К⁺ — 5.

Концентрация органических веществ внутри клетки обычно больше, чем в межклеточной жидкости. Многие из этих веществ, включая все макромолекулы, не могут свободно проходить через мембрану, и поэтому вследствие осмоса вода стремится проникнуть внутрь клетки. Если для этого нет препятствий, то клет­ка набухает, внутриклеточное давление увеличивается и происходит разрыв мем­браны (осмотический шок). Одна из важных функций натриевого насоса как раз и заключается в создании препятствия для набухания клетки: его работа приво­дит к такому распределению ионов, что по обе стороны мембраны образуется разность потенциалов, которая уравновешивает избыток концентрации веществ внутри клетки (равновесие Доннана).

При наследственной микросфероцитарной гемолитической анемии имеется врожденный дефект эритроцитов: их мембрана более проницаема для ионов, чем в норме. В эритроцитах этих больных Na,K-ATФаза работает с большей интенсив­ностью, расходуется значительное количество АТФ, и все же в результате высо­кой скорости простой диффузии внутриклеточная концентрация ионов Na⁺ выше, чем в норме; соответственно, в эритроциты проникает больше воды, т. е. они на­бухают и принимают характерную для этой болезни сферическую форму Такие эритроциты менее стабильны, они с большей скоростью, чем нормальные, разру­шаются в селезенке, что и является непосредственной причиной малокровия.

Натриевый насос участвует и в создании градиента концентрации ионов, не­обходимого для передачи нервного импульса, а также в переносе через мембрану ряда веществ путем вторично-активного транспорта (см. ниже).

В условиях эксперимента ионные насосы могут работать в обратном направ­лении, т. е. синтезировать АТФ из АДФ и H3P04 за счет энергии градиента кон­центраций ионов. Например, в опытах с выделенными плазматическими мембра­нами (мембранными пузырьками) можно искусственно создать высокий градиент концентраций ионов между содержимым пузырька и внешним раствором. В этом случае ионы начинают перемещаться через Nа,К-АТФазу по градиенту концент­рации, и все стадии процесса, протекают в обратном направлении. В результате энергия (электрохимический потенциал) искусствен­но созданного градиента ионов трансформируется в энергию высокоэнергетичес­ких связей АТФ.

Кальциевый насос (Са-АТФаза). Са-АТФаза за счет энергии АТФ переносит через мембрану ионы Са²⁺ против градиента концентрации, два иона на одну мо­лекулу гидролизуемой АТФ.

Са-АТФаза есть в плазматической мембране клеток и в мембране эндоплазма-тического ретикулума. Са-АТФаза плазматической мембраны переносит Са²⁺ из цитозоля клетки в межклеточное пространство.

Са-АТФаза эндоплазматического ретикулума переносит ионы кальция из цито­золя в полость ретикулума, создавая внутриклеточное депо Са²⁺. В саркоплазмати­ческом ретикулуме Са-АТФаза составляет больше половины всех белков мембра­ны; она является частью механизма, регулирующего цикл сокращения—расслабле­ния мышечного волокна.

Концентрация кальция во внеклеточной жидкости и в цистернах эндоплазма­тического ретикулума значительно больше, чем в цитозоле: например, в плазме крови 3 ммоль/л, а в эритроцитах меньше 0,001 ммоль/л. Более чем тысячекрат­ная разница в концентрации поддерживается действием кальциевых насосов.

Вторично-активный транспорт. Активный перенос вещества через мембрану может осуществляться за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Переносчик в этом случае имеет специфические центры связывания для обоих

веществ. Присоединение и от­деление переносимого вещества вызыва­ет изменения конформации переносчика, и соответственно — изменения сродства к переносимым веществам. Если концен­трация вещества X снаружи больше, чем внутри, оно может перемещаться путем облегченной диффузии. Переносчик име­ет центр связывания и для вещества Y, ко­торое транспортируется попутно с веще­ством X (симпорт), причем вещество Y может транспортироваться против гради­ента своей концентрации. Сходным обра­зом происходит и антипорт — переме­щение вещества против градиента своей концентрации в направлении, противо­положном перемещению другого веще­ства по его градиенту концентрации.

Симпорт и антипорт могут происхо­дить за счет энергии градиента концент­рации ионов Na⁺, создаваемого Na,K-AT-

Фазой. Таким способом происходит, например, всасывание аминокислот из кишеч­ника и глюкозы из первичной мочи и кишечника. Следовательно, в этих случаях первичным источником энергии служит АТФ: сначала энергия гидролиза АТФ трансформируется в энергию трансмембранного градиента концентрации Na⁺, а затем энергия этого градиента используется для переноса аминокислот или глюкозы.

В хромаффинных клетках мозгового вещества надпочечников в специальных секреторных гранулах накапливаются гормоны адреналин и норадреналин. Мембрана гранул содержит Н⁺-АТФазу, переносящую протоны из цитозоля внутрь грану­лы, в результате чего создается протонный электрохимический потенциал АтН⁺. Затем за счет энергии электрохимического потенциала происходит перенос гормо­нов: в обмен на два протона, выходящих из гранулы по градиенту своей концентра­ции, из цитозоля внутрь гранулы транспортируется одна молекула гормона против градиента своей концентрации.

Для переноса углеводов, аминокислот и других метаболитов вторично-актив­ный транспорт имеет, по-видимому, наибольшее значение по сравнению с други­ми механизмами.

Трансмембранная передача сигнала Участие мембран в активации внутриклеточных регуляторных систем - аденилатциклазной и инозитол-фосфатной и передаче сигнала липидорастворимых стероидных гормонов, тироксина. Каталитические мембранные рецепторы, пример - рецептор инсулина. Возрастные особенности состава, структуры и функции меморан.

Трансмембранная передача сигналов

Гормоны и другие сигнальные (регуляторные) молекулы пептидной природы, а также адреналин и норадреналин не проникают через клеточную мембрану. Пер­вое звено действия гормона на клетку-мишень заключается в его присоединении к рецептору данного гормона — интегральному белку мембраны, имеющему на наружной поверхности мембраны центр связывания гормона; далее сигнал пере­дается внутрь клетки при участии других специальных белков мембраны, а также белков цитозоля.

Аденилатциклазная система. При помощи мембранного фермента аденилатциклазы, состоящего из трех доменов (Распознающего, Среднего, Передающего) происходит передача сигнала, посредством образования цАМФ или цГМФ или же Ca (через белок Ca-кальмодулин), из АТФ или ГТФ, с последующим каскадом реакций, приводящим к фосфорилированию белков, и образованием необходимых продуктов в клетке.

В случае же, с липидорастворимыми гормонами, гормоны сами проникают в клетку, и запускают каскад реакций напрямую в ядре клетке.

Ряд систем трансмембранной передачи сигнала содержит рецепторы, обладающие каталитической активностью. Рецептор инсулина (РИ) представляет собой тирозиновую протеинкиназу, т. е. протеинкиназу, фосфорилирующую белки по ОН-группе остатков тирозина. Он построен из двух альфа-субъединиц и двух Р-субъединиц; первые расположены целиком вне клетки, на ее поверхности, а вторые пронизы­вают плазматическую мембрану. Центр связывания инсулина образу­ют N-концевые домены альфа-субъединиц. Каталитическая субъединица РИ (Р-субъе-диница) содержит короткий внеклеточный домен, трансмембранный домен и большую внутриклеточную часть. Каталитический Тир-протеинкиназный центр находится на внутриклеточных доменах бета-субъединиц. В этой части имеется ряд остатков тирозина, подверженных фосфорилированию-дефосфорилированию.

В отсутствие инсулина РИ не проявляет тирозинкиназной активности; присо­единение инсулина к центру связывания на альфа-субъединицах активирует фермент. При этом субстратом служит сам фермент, т. е. происходит аутофосфорилирова-ние: одна бета-цепь фосфорилирует другую бета-цепь той же молекулы РИ. Фосфорили-руется 6-7 тирозиновых остатков.

Фосфорилирование бета-субъединиц приводит к изменению субстратной специ­фичности фермента: теперь он способен фосфорилировать другие внутриклеточ­ные белки — субстраты РИ. Активация и изменение специфичности обусловлены конформационными изменениями РИ после связывания инсулина и после аутофосфорилирования. РИ обнаруживаются в клетках почти всех типов, но в разном количестве. Больше всего их в гепатоцитах (до 250 000 рецепторов на одну клет­ку) и в адипоцитах (до 50 000); в моноцитах и эритроцитах на порядок меньше. Клетки с разным содержанием рецепторов реагируют по-разному на одну и ту же концентрацию инсулина.

Сигнал, передаваемый через мембранные рецепторы некоторыми эндокрин­ными гормонами (инсулин, гормон роста) и многими цитокинами при участии специальных механизмов, может достигать и ядра — стимулировать или ингибировать транскрипцию определенных генов.

Внутриклеточные рецепторы.

Некоторые сигнальные молекулы — стероидные гормоны, витамин D, ретиноевая кислота, тироксин — обладают липофильными свойствами и легко проходят че­рез клеточные мембраны. Рецепторы этих веществ находятся в цитозоле или в ядре клетки; соответственно, комплекс гормона с рецептором может образовать­ся непосредственно в ядре или образуется в цитозоле, а затем поступает в ядро.

Комплекс гормон—рецептор связывается с определенной нуклеотидной последовательностью в области энхансера или сайленсера определенного гена. При связывании с энхансером стимулируется транскрипция гена (увеличивается частота инициации транскрипции): количество белка, кодируемого этим геном, в клетке увеличивается. При связывании комплекса гормон—рецептор в области сайленсера эффект будет противоположным.