Белки мембран по функциям делятся
на 1) структурные, 2) ферменты (в том
числе транспортные белки), 3) рецепторы.
Структурные белки образуют скелет
мембраны. Эти белки располагаются
на поверхности липидного бислоя
мембран. В мембранах локализовано
большое количество ферментов, в
том числе ионных насосов. Некоторые
из мембранных ферментов локализуются
только в определенных мембранах
и могут использоваться в качестве
маркеров этих мембран, например, маркерами
плазматических мембран являются 5`-нуклеотидаза,
аденилатциклаза, натрий-калиевая АТФ-аза;
маркером ЭПР служит глюкозо-6-фосфатаза;
маркерами аппарата Гольджи служат
Гольджи-маннозидаза, галактозилтрансфераза
и сиалилтрансфераза; маркером внутернней
митохондриальной мембраны служит АТФ-синтаза.
В мембранах имеются рецепторы
– это сложные белки, типа истинных
ГП, участвующих в связывании лигандов
(гормонов, лекарств, метаболитов). Рецепторы
имеют сложное строение, в них
различают узнающую часть (углеводная
часть ГП), сопрягающую часть (погружена
в мембрану и служит для закрепления
в ней) и каталитическая часть (обладает
ферментативной активностью). В мембране
располагаются белки-транспортеры
различных веществ и ионов. Эти
белки образуют каналы или транспортные
системы. Благодаря им в клетке поддерживается
постоянство внутренней среды, ее объем,
осуществляется питание клетки и выводятся
конечные продукты обменов.
Белки-ферменты
Белки-ферменты наиболее распространены
среди всех мембранных белков.
В их число входят как интегральные
(мембранные АТФазы), так и периферические
(ацетилхолинэстераза, кислая и
щелочная фосфатазы, РНКаза) белки.
Ферменты – большие молекулы,
в то время как размеры молекул
веществ (субстратов), вступающих
в ферментативные реакции, обычно
в тысячи раз меньше. Фермент
взаимодействует с субстратом
небольшим участком своей поверхности
– активным центром. Специфичность
фермента всегда определяется
тем, насколько поверхность его
активного центра соответствует
поверхности субстрата. Этот принцип
структурного соответствия повсеместно
используется и в работе белков
клеточных мембран. В дополнение
к этому надо учесть, что конформация
внедряющихся в мембрану белков
зависит от мембранного бислоя,
так что и их ферментативная
активность контролируется мембранными
липидами. Этот контроль может
реализоваться благодаря как
влиянию на сродство к субстратам
или на их доступность, так
и воздействию на длительность
жизни (прочность) белковых ассоциатов
мембранных ферментов, образующихся
в клеточной мембране.
Ферменты входят в состав
как плазматических, так и внутриклеточных
мембран. Например, на наружной
мембране эпителиальных клеток,
выстилающих пищеварительные органы,
имеются ферменты, осуществляющие
расщепление питательных веществ
еще до того, как они попадут
внутрь клетки (этот процесс, открытый
отечественным физиологом А.М.
Уголевым носит название «мембранное
пищеварение»). Наружная мембрана
клеток печени содержит более
20 различных ферментов.
Мембранные ферменты нуждаются
в контакте с окружающими их липидами.
Когда их извлекают из липидного
окружения (например, когда липиды экстрагируются
из мембраны неполярными растворителями),
работа мембранных ферментов нарушается
(меняются особенности кинетики или
характера влияния посторонних
веществ или же вовсе прекращается).
Активирующее действие липидов
на мембранные ферменты может быть
по меньшей мере двояким.
Во-первых, в присутствии липидов может
меняться форма молекулы мембранного
фермента, так что его активный центр становится
доступным для субстрата.
Во-вторых, липиды могут играть
роль организатора ансамбля или
конвейера, состоящего из многих
ферментов.
Молекулы мембранных ферментов
содержат большие неполярные
гидрофобные участки. Поэтому
в водной среде они агрегируют,
из-за чего большая часть активных
центров маскируется. В присутствии
липидов мембранные ферменты организуются
в ансамбли, окруженные аннулярными липидными
молекулами, и их ферментативная активность
может проявиться в полной мере. Для нормальной
работы мембранных ферментов существенно,
чтобы окружающие их липиды находились
в жидком агрегатном состоянии.
Биологическое
значение мембранной организации ферментов
Изучение роли мембранной организации
белков непосредственно в живом
организме затруднено из-за сложной
организации живой материи и
одновременного протекания множества
взаимосвязанных процессов. Однако,
возможность проведения мутации
генов, обеспечивающей избирательные
изменения в структуре экспрессируемых
белков, например, экспрессию только растворимых
форм белков, позволяет в некоторых
случаях показать важность функционирования
именно мембраносвязанных белков. Рассмотрим
это на примере Kit-лиганда — одного
из мембраносвязанных факторов роста
млекопитающих. Для мутантной формы
этого интегрального гликопротеина
I типа, не содержащей трансмембранного
и цитоплаз-матического доменов,
была продемонстрирована нормальная экспрессия
in vivo и биологическая активность
при исследовании слияния клеток,
аналогичная активности секретируемой
формы нативного белка. Однако у
мыши, имеющей ген такого белка, проявлялись
все симптомы животного, вообще лишенного
гена Kit-лиганда — макроцитарная
анемия, бесплодие, белый окрас. В
качестве другого примера можно
привести мембранный фактор Boss, который
является необычным интегральным белком
I типа. Якорь этого белка семикратно
пересекает мембрану. Мутации, обеспечивающие
полное или даже частичное (с сохранением
трех трансмембранных участков) удаление
якоря, приводили к полной потере
биологической активности этого
белка в организме .
Недавние исследования также
убедительно подтверждают физиологическую
значимость мембранной формы
АПФ. Мышь, у которой ген нативного
АПФ был заменен на ген, кодирующий
фермент без якоря таким образом,
что весь секретируемый фермент
был активен, однако не встраивался
в мембрану, имела все симптомы
«нокаутного» животного, полностью
лишенного гена АПФ: низкое
давление, неконтролируемое мочеиспускание,
бесплодие, различные сосудистые
дисфункции, нарушения структуры
и функции почек.
Отметим, что важность связывания
с биомембраной выявлена не
только для интегральных белков,
но и продемонстрирована в
ряде случаев для периферических
белков, например, пируватоксидазы
— периферического фермента, катализирующего
окисление пирувата до уксусной
кислоты и восстановление убихинона.
Указанный фермент циркулирует
в организме и связывается
с плазматической мембраной лишь
в присутствии субстрата и
кофактора; при этом в молекуле
белка формируется С-концевой
липидсвязывающий домен. Показано,
что мутантная форма пируватоксидазы,
лишенная последних 24 аминокислотных
остатков, полностью неактивна in vivo из-за
неспособности связываться с мембраной.
Таким образом, биологическая
роль различных мембранных ферментов
может в значительной степени
определяться их способностью
к связыванию с мембраной. Во-первых,
связывание с биомембраной обеспечивает
локализацию (концентрирование) ферментов
в определенной части клетки
и/или в той области мембраны,
где концентрируется субстрат. Например,
ацетилхолинэстераза фиксируется
в постсинаптической мембране, где
велика концентрация ацетилхолина.
Во-вторых, адсорбция ферментов на
мембране создает возможность
для сопряжения процессов катализа
и трансмембранного переноса. Так,
при функционировании мембраносвязанных
ферментов, участвующих в гидролизе
крахмала и белков, вблизи клеточной
мембраны создается локально
высокая концентрация растворимых
молекул продукта, что способствует
их эффективному поглощению клеткой
. В-третьих, для многих ферментов
при связывании с мембраной
обеспечивается доступность водонерастворимых
субстратов. Это могут быть интегральные
ферменты, участвующие в процессинге
мембранных белков (например, секретазы
мембранных белков, см. выше), а также
периферические ферменты: фосфолипазы,
протеинкиназа С, пируватоксидаза
и др. Наконец, при связывании
формируется оптимальное микроокружение,
обеспечивающее нативную конформацию
и каталитическую активность
мембранных ферментов.
Влияние мембранного
окружения на активность ферментов
В целом, функционирование мембранных
ферментов зависит от локального
окружения и может определяться
их взаимодействием с липидными
и белковыми компонентами мембран.
В настоящее время тонкие взаимодействия
такого рода на мембранах исследовать
в экспериментах in vivo затруднительно,
поэтому для изучения характеристических
свойств мембранных ферментов прибегают
к методам их очистки и реконструкции
с использованием адекватных моделей
биомембран.
Заключение
Исследование мембранных белков все
еще остается трудной задачей, требующей
оригинальных подходов и нетривиальных
решений. Тем не менее, каждый год
появляются все новые сообщения
о совершенствовании уже имеющихся
методов. С разработкой новых
методов очистки мембранных белков,
основанных на применении различных
детергентов, а так же с использованием
методов секвенирования ДНК удается
получить новую информацию о структуре
мембранных белков. Данные по вторичной
и четвертичной структуре очищенных
мембранных белков можно получить с
помощью биохимических и спектроскопических
методов. Однако для построения моделей
с высоким разрешением следует
применять рентгеноструктурный
анализ. Показательным в этом отношении
является успех, достигнутый при
изучении реакционных центров бактерий.
Использованная литература:
http://biochemistry.ru/biohimija_severina/B5873Part35-236.html
http://www.diplomservis.com/load/referaty/struktura_membrannykh_belkov/18-1-0-56082
http://www.coolreferat.com/Биологические_мембраны
http://biochem.bio.msu.ru/assets/files/boldyrev/biomembrany_2006.pdf
http://www.ukrreferat.com/index.php?referat=32796&lang=ru