Строение и функции мембранных белков

Волгоградский Государственный Медицинский Университет

Кафедра Биохимии

 

 

 

Реферат

Тема: строение и функции мембранных белков.

 

 

 

 

Работу выполнила:

Наумович  Н. Э.

2курс, лечебный 

факультет ,13 группа

Работу проверила:

 

 

 

 

Содержание.

Введение

1. Классификация
2. Способы прикрепления белков к мембране
3. Особенности строения и локализации белков в мембранах
4. Структура мембранных белков
5. Функции мембранных белков
6. Белки-ферменты

 

Заключение

Использованная литература:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Известно, что более трети структурной  части генома кодирует мембранные белки. К мембранным белкам относятся белки, которые встроены в клеточную  мембрану или мембрану клеточной  органеллы или ассоциированы  с таковой. Около 25 % всех белков являются мембранными. Однако среди известных  пространственных структур лишь менее  половины процента принадлежит белкам этого класса.

При этом их роль в организме трудно переоценить. Большое количество функционально  значимых белков являются мембранными: рецепторы, каналы, различные ферменты и пр. Кроме того, многие из них  являются мишенями для лекарственных  препаратов: более 70% существующих лекарственных  средств действуют именно на мембранные белки. Таким образом, изучение механизмов функционирования мембранных белков необходимо, а одним из первых шагов к пониманию  механизма является получение пространственной структуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация

Мембранные белки могут быть классифицированы по топологическому  или биохимическому принципу. Топологическая классификация основана на локализации  белка по отношению к липидному  бислою. Биохимическая классификация  основана на прочности взаимодействия белка с мембраной.

 Топологическая классификация

По отношению к мембране мембранные белки делятся на поли- и монотопические.

Политопические, или трансмембранные, белки полностью пронизывают мембрану и, таким образом, взаимодействуют с обеими сторонами липидного бислоя. Как правило, трансмембранный фрагмент белка является альфа-спиралью, состоящей из гидрофобных аминокислот (возможно от 1 до 20 таких фрагментов). Только у бактерий, а также в митохондриях и хлоропластах трансмембранные фрагменты могут быть организованы как бета-складчатая структура (от 8 до 22 поворотов полипептидной цепи).

Интегральные монотопические белки постоянно встроены в липидный бислой, но соединены с мембраной только на одной стороне, не проникая на противоположную сторону.

Биохимическая классификация

По биохимической классификации  мембранные белки делятся на интегральные и периферические.

Интегральные мембранные белки прочно встроены в мембрану и могут быть извлечены из липидного окружения только с помощью детергентов или неполярных растворителей. По отношению к липидному бислою интегральные белки могут быть трансмембранными политопическими или интегральными монотопическими.

Периферические мембранные белки являются монотопическими белками. Они либо связаны слабыми связями с липидной мембраной, либо ассоциируют с интегральными белками за счёт гидрофобных, электростатических или других нековалентных сил. Таким образом, в отличие от интегральных белков они диссоциируют от мембраны при обработке соответствующим водным раствором (например, с низким или высоким pH, с высокой концентрацией соли или под действием хаотропного агента). Эта диссоциация не требует разрушения мембраны.

Способы прикрепления белков к мембране

1. Связывание с белками, погруженными  в бислой. В качестве примеров  можно привести F1-часть Н + - АТРазы, которая связывается с Fo-частью, погруженной в мембрану; можно  упомянуть также некоторые белки  цитоскелета. 

2. Связывание с поверхностью  бислоя. Это взаимодействие имеет  в первую очередь электростатическую  природу (например, основный белок  миелина) или гидрофобную (например, поверхностно-активные пептиды и,  возможно, фосфолипазы). На поверхности  некоторых мембранных белков  имеются гидрофобные домены, образующиеся  благодаря особенностям вторичной  или третичной структуры. Указанные  поверхностные взаимодействия могут  использоваться как дополнение  к другим взаимодействиям, например  к трансмембранному заякориванию.

3. Связывание с помощью гидрофобного "якоря"; эта структура обычно  выявляется как последовательность  неполярных аминокислотных остатков (например, у цитохрома 65). Некоторые  мембранные белки используют  в качестве якоря ковалентно  связанные с ними жирные кислоты  или фосфолипиды. 

4. Трансмембранные белки. Одни  из них пересекают мембрану  только один раз (например, гликофорин), другие - несколько раз (например, лактозопермеаза; бактериородопсин).

 

Различиями между наружными (или  периферическими) и внутренними (или  интегральными) мембранными белками  не задается однозначно способ их прикрепления к бислою; эти различия определяют лишь относительную силу их связывания.

Различные способы прикрепления мембранных белков к мембране. Пептидный якорь (4) может находиться либо на N-, либо на С-конце молекулы. N – и С-концы  трансмембранных белков (5 и 6) могут  находиться как у наружной, так  и у внутренней поверхности мембраны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особенности строения и локализации белков в мембранах

Мембранные белки, контактирующие с гидрофобной частью липидного  бислоя, должны быть амфифильными. Те участки  белка, которые взаимодействуют  с углеводородными цепями жирных кислот, содержат преимущественно неполярные аминокислоты. Участки белка, находящиеся  в области полярных "головок", обогащены гидрофильными аминокислотными  остатками.

 Белки мембран различаются  по своему положению в мембране. Они могут глубоко проникать  в липидный бислой или даже  пронизывать его - интегральные  белки, либо разными способами  прикрепляться к мембране - поверхностные  белки. 

Поверхностные белки 

 Поверхностные белки часто  прикрепляются к мембране, взаимодействуя  с интегральными  белками или  поверхностными участками липидного  слоя. Ряд пищеварительных ферментов,  участвующих в гидролизе крахмала  и белков, прикрепляется к интегральным  белкам мембран микроворсинок  кишечника. 

Примерами таких комплексов могут  быть сахаразаизомальтаза и мальтазагликоамилаза. Возможно, связь этих пищеварительных  ферментов с мембраной позволяет  с высокой скоростью гидролизовать  субстраты и усваивать продукты гидролиза клеткой.

Полярные или заряженные домены белковой молекулы могут взаимодействовать с полярными "головками" липидов, образуя ионные и водородные связи. Кроме того, множество растворимых в цитозоле белков при определённых условиях могут связываться с поверхностью мембраны на непродолжительное время. Иногда связывание белка -- необходимое условие проявления ферментативной активности. К таким белкам, например, относят протеинкиназу С, факторы свёртывания крови.

Закрепление с помощью  мембранного "якоря"

"Якорем" может быть неполярный  домен белка, построенный из  аминокислот с гидрофобными радикалами. Примером такого белка может  служить цитохром b5 мембраны ЭР. Этот белок участвует в окислительно-восстановительных  реакциях, как переносчик электронов (см. раздел 12).

 Роль мембранного "якоря"  может выполнять также ковалентно  связанный с белком остаток  жирной кислоты (миристиновой - С14 или пальмитиновой - С16). Белки,  связанные с жирными кислотами,  локализованы в основном на  внутренней поверхности плазматической  мембраны. Миристиновая кислота  присоединяется к N-концевому  глицину с образованием амидной  связи. Пальмитиновая кислота  образует тиоэфирную связь с  цистеином или сложноэфирную  с остатками серина и треонина.

 Небольшая группа белков  может взаимодействовать с наружной  поверхностью клетки с помощью  ковалентно присоединённого к  С-концу белка фосфатидилинозитолгликана.  Этот "якорь" - часто единственное  связующее звено между белком  и мембраной, поэтому при действии  фосфолипазы С этот белок отделяется  от мембраны.

Трансмембранные (интегральные) белки 

Некоторые из трансмембранных белков пронизывают мембрану один раз (гликофорин), другие имеют несколько участков (доменов), последовательно пересекающих бислой (рис. 5-11).

 Трансмембранные домены, пронизывающие  бислой, имеют конформацию α-спирали.  Полярные остатки аминокислот  обращены внутрь глобулы,  а  неполярные контактируют с мембранными  липидами. Такие белки называют "вывернутыми"  по сравнению с растворимыми  в воде белками, в которых  большинство гидрофобных остатков  аминокислот спрятано внутрь, а  гидрофильные располагаются на  поверхности.

 Радикалы заряженных аминокислот  в составе этих доменов лишены  заряда и протонированы (-СООН) или депротонированы (-NH2).

Гликозилированные белки 

Поверхностные белки или домены интегральных белков, расположенные  на наружной поверхности всех мембран, почти всегда гликозилированы. Олигосахаридные  остатки могут быть присоединены через амидную группу аспарагина или гидроксильные группы серина и треонина. Олигосахаридные остатки защищают белок от протеолиза, участвуют в узнавании лигандов или адгезии.

Латеральная диффузия белков

Некоторые мембранные белки перемещаются вдоль бислоя (латеральная диффузия) или поворачиваются вокруг оси, перпендикулярно  его поверхности.

Например, фермент фосфолипаза  А2, связываясь с цитоплазматической поверхностью мембраны, может латерально перемещаться по поверхности бислоя и гидролизовать несколько  тысяч  фосфолипидов в минуту до тех пор, пока не отделится от мембраны.

Латеральная диффузия интегральных белков в мембране ограничена, это связано  с их большими размерами, взаимодействием  с другими мембранными белками, элементами цитоскелета или внеклеточного  матрикса.

Белки мембран не совершают перемещений  с одной стороны мембраны на другую ("флип-флоп" перескоки), подобно  фосфолипидам.

 

Структура мембранных белков

Основная роль липидов в составе  мембран заключается в стабилизации бислойной структуры, а белки  являются активными компонентами биомембран.

Белки первого типа, называемые периферическими  белками, связаны с мембраной  в основном ионными взаимодействиями. Если обработать препарат мембран буферным раствором с высокой концентрацией  солей, белки этого типа освобождаются  от мембраны и переходят в буфер. Примеры периферических белков –  фибронектин(локализован на наружной поверхности большинства клеток, исключая циркулирующие клетки крови) и спектрин (находится на внутренней поверхности большинства клеточных  мембран, особенно в эритроцитах).

Мембранные белки второго типа - интегральными белками. Эти протеины или погружены в толщу липидного  бислоя, или пронизывают мембрану насквозь (трансмембранные белки). К  интегральным относят также белки, ковалентно связанные с молекулами мембраны. Все интегральные белки  можно выделить. только разрушив мембрану. Для выделения и изучения интегральных белков их очищают от липидов, либо экстрагируя их органическими растворителями (такими как ацетон или спирты), либо растворяют липиды с помощью детергентов. Большинство мембранных белков являются интегральными.

На заре развития мембранологии  полагали, что мембранные белки по своей структуре довольно гомогенны  и уложены в виде β-слоев по поверхности бислоя. Сейчас принято  считать, что большинство мембранных белков в своей мембранной части  состоят из одной или нескольких ассоциированных α-спиралей, многие мембранные белки олигомеризуются. Причем “правильная” олигомеризация α-спиралей является необходимым условием выполнения белком своей функции. Наиболее изученным из олигомеризующихся  мембранных белков является белок эритроцитов  человека - гликофорин А, который образует устойчивый димер не только в природных  системах, но и в искусственных  липидных средах, таких как мицеллы  додецилфосфохолина (DPC). Интегральные мембранные белки могут оказаться  гораздо сложнее, чем мы сейчас представляем. Классификация растворимых белков по типам структур была проведена  только после того, как установили с высоким разрешением структуру  более 100 различных белков. Что касается трансмембранных белков, то это удалось  сделать только в одном случае - для белка фотосинтетического реакционного центра бактерий. Вместе с электронно-микроскопическими  данными низкого разрешения о  структуре бактериородопсина это  единственный источник, на котором  может основываться построение моделей  для большинства других трансмембранных  белков. Молекулярная масса мембранных белков обычно варьирует в пределах от 10 тыс. до 240 тыс.

 

ФУНКЦИИ

В мембранах довольно много белков – от 6-8 видов в мембранах саркоплазматического ретикулума и более чем 100 видов  в плазматических мембранах. Количество белков в мембранах зависит от выполняемой ими функции. По степени  прочности связывания белков с мембраной, белки делятся на слабосвязанные – периферические белки (30% от всех белков мембран) и прочносвязанные  – интегральные белки (70% от всех белков мембран). Периферические белки свободно перемещаются в латеральной плоскости  или присоединены к интегральным белкам. Примером периферических белков являются Цх (белки-ферменты митохондриальных мембран), анкирин (периферический белок  мембраны эритроцитов). Анкирин связан с другим периферическим белком мембраны эритроцитов – спектрином. Оба  белка поддерживают двояковогнутую форму эритроцита. Интегральные белки  погружены в билипидный слой мембран. Интегральные белки по химической природе  истинные ГП. Углеводная часть этих белков расположена на поверхности  плазматических мембран и называется гликокаликсом. На внутренней стороне  мембран углеводных компонентов  практически нет. Гликокаликс служит для узнавания клетками одного вида друг друга и распознавания клеток других видов. Примерами интегральных белков служат гликофорин эритроцитов, иммуноглобулины, рецепторы различных  гормонов и других лигандов, белки-транспортеры. Интегральные белки по строению делятся  на три типа: первый тип – белок  пересекает мембрану один раз и его N-конец располагается снаружи, например, рецептор к ЛПНП; второй тип –  белок пересекает мембрану тоже один раз, но его С-конец располагается  снаружи, например, асиалогликопротеиновый рецептор; третий тип – пересекают мембрану большое количество раз, например, различные белки-транспортеры, в  т.ч. для глюкозы.