трусики женские украина

На головну

 Принципи структурної організації мембранних білків - Біологія

Принципи структурної організації мембранних білків і способи її передбачення для трансмембранних білків

З високою роздільною здатністю вдалося встановити структуру тільки одного класу мембранних білків - реакційного центру бактерій, однак і в цьому випадку положення білка щодо ліпідного бішару не визначене однозначно. Поширювати принципи його організації на інші мембранні білки слід з обережністю. Деяку ясність може внести використання термодинамічних принципів, а також облік того факту, що основна маса експериментальних даних узгоджується з припущенням про високий вміст в мембранних білках а-спіралей. Термодинамічні чинники накладають певні обмеження на те, якого типу білково-ліпідні структури можуть бути стабільними.

Мембранні білки - це амфіфільні сполуки

Будь мембранні білки, що безпосередньо контактують з гідрофобною серцевиною ліпідного бішару, повинні бути амфіфільних. Ті ділянки поліпептиду, які експоновані в розчинник, швидше за все збагачені полярними і іонізіруемимі амінокислотними залишками, а залишки, які контактують з ліліднимі вуглеводневими ланцюгами, повинні бути в основному неполярними. Все це логічно випливає з енергетичних принципів, розглянутих у розд. 2.3.1. Заряджені або полярні амінокислоти взагалі кажучи можуть знаходитися всередині бішару, однак на це накладаються певні обмеження.

Розглянемо три рівні амфіфільних структур в мембранних білках: первинну, вторинну і третинну амфіфільних.

1. Первинні амфіфільні структури містять протяжна ділянка з переважно неполярних амінокислотних залишків, довжина якого достатня для перетину бислоя. Такі структури виявлені як в реакційному центрі, так і в бактеріородопсин. У цих білків всі пронизують мембрану елементи є а-спіральними. а-Спіральна структура краща тому, що при цьому утворюються всі водневі зв'язки, в яких можуть брати участь атоми водню поліпептидного каркаса. Альтернативна структура, у якої відсутня одна з водневих зв'язків, менш стабільна приблизно на 5 ккал / моль. Все це дозволяє висловити припущення про те, що поворот поліпептидного ланцюга всередині мембрани малоймовірний. У місцях повороту від трьох до п'яти амінокислотних залишків не змогли б утворити водневі зв'язки, і це дестабілізувало б структуру приблизно на 15-20 ккал / моль. У глобулярних, водорозчинних білках області повороту розташовуються переважно на поверхні білкової глобули, де амідні групи можуть утворювати водневі зв'язки з водою; мабуть, в молекулах мембранних білків повороти також будуть відбуватися лише в експонованих у воду ділянках.

Не виключено, що 3-шар теж може утворювати трансмембранні елементи, що мають, наприклад, форму / J-циліндрів, як у випадку порінов. Вимоги, що пред'являються до утворення водневих зв'язків атомами водню поліпептидного остова в подібних структурах, можуть бути задоволені, але лише за умови взаємодії між окремими ^ -ланцюга. Як така структура може вбудовуватися в мембрану, не зовсім ясно, а обмеження, що накладаються механізмами збірки мембранних білків, взагалі невідомі.

2. Вторинні амфіфільні структури. У таких структурах гідрофобні залишки періодично зустрічаються вздовж ланцюга, і при укладанні полипептида в певну вторинну структуру вони утворюють суцільну поверхню. Періодичність деяких елементів вторинної структури вказана в табл. 1. Як приклад білків, в яких вторинні амфіфільні структури, очевидно, грають важливу роль, можна навести порінов. У них полярні і неполярні амінокислотні залишки в кожній з / 3-ланцюгів чергуються. Всі полярні залишки знаходяться на одній стороні складчастого шару, вистілая наповнену водою пору. Зауважимо, що все сказане про порінов носить гіпотетичний характер.

Таблиця 1. Параметри вторинної структури

 Структура Періодичність або число залишків на виток

 Відстань

 між залишками, А Радіус або ширина, А

 Неізогнутая 2,0 3,2-3,4 0,9-1,1

 (З-ланцюг

 Вигнута / З-ланцюг 2,3 3,3 1,0

 Зю-Спіраль 3,0 2,0 1,9

 а-Спіраль 3,6 1,5 2,3

а-спіраль, в якій гідрофобні залишки зустрічаються через кожну другу або третю мономірним одиницю, повинна мати гідрофобну і полярну поверхні. Подібні структури часто представляють у вигляді спірального кільця з зазначенням бічних ланцюгів - так, як це зроблено на рис. Вторинні амфіфільні структури можуть виникати в ситуаціях, схематично показаних на рис. ЗЛО.

а. Поверхнево-активні сегменти білка; одна сторона спіралі взаємодіє з гідрофобною областю ліпідного бішару, а інша контактує з водною фазою і полярної областю бислоя. Амфіфільні а-спіралі здатні утворювати багато пептидні гормони, а також руйнують мембрану пептиди, наприклад мелітин.

б. Трансмембранні елементи; неполярная поверхню спіралі звернена до ліпідної фазі, а полярна вистилає водний канал, пронизливий бислой. Це вельми поширена модель, побудована головним чином виходячи з результатів дослідження нікотинового ацетилхолінового рецептора, функціонуючого як хімічно збудливий канал. Однак засновані на експериментальних даних висновки про те, що мембрану пронизує саме амфіфільних спіраль, викликали заперечення. Такий наповнений водою канал, як в порінов, може утворити і амфіфільних 3-ланцюг.

в. Трансмембранні елементи; неполярная частину поверхні контактує з ліпідами, а полярні групи - з полярними групами інших трансмембранних елементів. Саме цей принцип лежить в основі «вивернутих» структур, яким імовірно є бактериородопсин. Полярні взаємодії між амфіфільних спіралями в принципі могли б стабілізувати взаємодії між субодиницями в олігомерних білках.

3. Третинні амфіфільні структури. Про їх існування можна говорити тільки імовірно. Їх гідрофобна поверхня повинна формуватися на рівні третинної структури залишків, розташованих в самих різних ділянках поліпептидного ланцюга. Подібні структури можуть бути характерні для білків, що зв'язуються з бішару, але не мають чітко виражених гідрофобних доменів, що визначаються по кожному з вказаних вище критеріїв. Можливим прикладом такого роду є а-лактальбумин.

Іонізіруемие амінокислотні залишки в трансмембранних сегментах

Багато моделей мембранних білків припускають, що в їх трансмембранних сегментах знаходяться іонізіруемие залишки. Ці залишки, ймовірно, відіграють важливу функціональну та / або структурну роль. У деяких випадках ця роль однозначно встановлена: 1) залишки лізину в бактеріородопсин і родопсина утворюють шіффово підстави з простетичної групою ретиналю, що необхідно для світлового збудження молекули; 2) залишки гістидину в поліпептидах реакційного центру бактерій беруть участь у зв'язуванні з фотосинтетичними пігментами; 3) заряджені залишки в лактозопермеазе з Е. coli беруть участь у здійсненні цією білком транспортних функцій; можливо, ці залишки утворюють мережу водневих зв'язків усередині молекули білка.

Перенесення заряджених груп з води у середу з низькою діелектричною проникністю всередині мембрани енергетично дуже невигідний, і ці групи необхідно якимось чином стабілізувати. Неодноразово передбачалося, що для стабілізації досить освіти іонних пар, і цей принцип використовувався при побудові тривимірної моделі бактериородопсина. Однак розрахунки показали, що вільна енергія переносу іонної пари з води в середовище з низькою діелектричною проникністю теж вельми велика. Для подальшої стабілізації необхідні додаткові полярні взаємодії, можливо, за участю інших полярних груп або за допомогою водневих зв'язків.

В принципі навіть одиночна заряджена група всередині мембрани може стабілізуватися через взаємодії з полярними групами та за участю водневих зв'язків, ефективно делокалізующіх заряд. Можна навести кілька прикладів ізольованих, де-сольватованих іонів, стабілізованих за рахунок взанмодействій в водорозчинних білках. Аналогічні принципи, мабуть, діють у випадку заряджених залишків трансмембранних сегментів інтегральних білків.

Однак видається більш імовірним, що іонізіруемие амінокислоти нейтралізуються всередині мембрани за рахунок протонування або депротонування. Вільна енергія нейтралізації заряджених амінокислот, за оцінками, становить приблизно 10-17 ккал / моль. У відсутність специфічних умов для полярних взаємодій, стабілізуючих заряджений залишок у трансмембранному сегменті, він швидше за все буде нейтралізований.

Заряджені амінокислоти в сегментах, експонованих у водне середовище

Як ми вже говорили, заряджені залишки розподілені між двома сторонами реакційного центру бактерій асиметрично. Така асиметрія характерна і для деяких інших внутрішніх мембранних білків бактерій. Так, основні залишки Lys і Arg в чотири рази частіше зустрічаються в тих з'єднують трансмембранні елементи ділянках, які розташовані на внутрішній стороні мембрани, а не на зовнішній. Для кислих залишків Asp і Glu подібна тенденція не виявляється. Можливо, ця асиметрія пов'язана з механізмом збірки мембранного білка, але як саме - неясно. Більше того, невідомо, чи можна узагальнити це спостереження і чи має воно якусь передбачувану цінність.

У глобулярних, водорозчинних білках залишки проліну рідко знаходяться в серединній частині а-спіралі. За даними досліджень 58 білків, що містять 331 а-спіраль, виявлено 30 таких випадків. У половині з них пролин розташовувався в місцях пошкодження спіралі, а в інших випадках знаходився в області викривлення або нерегулярності структури.

У той же час у бактериородопсина пролінових залишки розташовані в середній частині трьох з семи трансмембранних спіралей, а у родопсина - в п'яти з семи таких спіралей. Подібна тенденція виявлена ??і для інших трансмембранних сегментів інтегральних білків, особливо транспортних. Значення цього феномена невідомо. Слід зазначити, однак, що через наявність циклічної бічного ланцюга пролин не утворює водневих зв'язків із залишками, що знаходяться на попередньому витку а-спіралі. Це може сприяти формуванню структур, в яких воднева зв'язок утворюється за рахунок специфічного взаємодії із залишком, розташованим в іншому пронизливому мембрану ділянці. Подібне полярне взаємодію всередині бішару могло б стабілізувати тривимірну структуру мембранних білків.

Способи ідентифікації первинних амфіфільних структур

Однозначна структурна інформація про мембранних білках отримана лише в кількох випадках, але зате в розпорядженні дослідників є великі дані про амінокислотноїпослідовності, засновані на результатах секвенування ДНК. Для ідентифікації трансмембранних а-спіралей, імовірно мають довжину - 20 залишків і складаються переважно з гідрофобних амінокислот, розроблено кілька методів аналізу амінокислотної послідовності. В основі кожного з них лежить розташування амінокислот в ряд відповідно до якогось параметром, який відображає ймовірність виявлення цього залишку в трансмембранному сегменті.

Існує два типи шкал. В одному випадку амінокислоти класифікують за їх відносної полярності або «гидрофобности». Ці шкали мають термодинамічну природу і засновані на величині зміни вільної енергії при перенесенні амінокислоти з водного розчину в вуглеводневу середу. Однак число способів кількісної оцінки гідрофобності амінокислот дуже велике, і вони не в усьому узгоджуються між собою. Часто використовуються дані, пов'язані одночасно до більш ніж однієї фізичної характеристиці. Прикладом такого роду є шкала «гідропатії» Кайта і Дуліттла, заснована на даних про гідрофобності, вимірюваної за потенціалом гидрации, а також про ймовірність знаходження залишків всередині глобули.

Шкала Голдмана, Енгелмана і Стейцу заснована на кількісній оцінці вільної енергії переносу а-спіралей з водного середовища всередину мембрани. На рис. порівнюється шкала Кайта - Дуліттла зі шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейцу.

За оцінка Енгелмана та ін., Зміна вільної енергії при впровадженні в мембрану поліаніонній а-спіралі довжиною 20 залишків становить 30 ккал / моль. Розрахунок заснований на оцінці площі поверхні спіралі, експонованої в розчинник. Внесок в енергію кожної бічної групи оцінювали з урахуванням площі поверхні, експонованої у водне середовище всередині спіралі. Враховували також вільну енергію переносу в бислой полярних груп. Наприклад, припускали, що глутамин при перенесенні в бислой буде протоновану і вільна енергія цього процесу складе 10,8 ккал / моль. Подібно до цього, перенесення гидроксилов «коштуватиме» приблизно 4,0 ккал / моль.

Все сказане вище показує, як виграш в енергії взаємодій при перенесенні а-спіралі всередину бішару може використовуватися для «втягування» в бислой полярних бічних груп. Наприклад, один залишок аргініну може вбудуватися в бислой у складі неполярной трансмембранної спіралі, якщо він депротонованої; для цього потрібно 16,7 ккал / моль при рН 7,0. Сумарна вільна енергія переносу а-спіралі і раніше залишиться негативною. Однак ситуація зміниться, якщо в бислой знадобиться вбудувати два аргінінових залишку або якщо аргінін буде позитивно заряджений. Звичайно, полярні залишки можуть стабілізуватися всередині бішару завдяки специфічним взаємодіям, але реально врахувати це при розрахунках дуже важко. Наприклад, бічні групи серину, цистеїну і треоніну можуть утворювати водневі зв'язки з поліпептидним остовом, а кислі і основні залишки можуть утворювати іонні пари; поява таких пар можливо, якщо ці залишки розташовані через чотири або п'ять мономерних одиниць один від одного.

Другий тип шкал, який використовується для класифікації амінокислот, заснований на даних про частоту, з якою амінокислоти дійсно зустрічаються в пронизують мембрану сегментах.

При цьому емпірично враховується гидрофобность, а також багато інших чинників, які не можна оцінити кількісно, ??як гидрофобность. Недолік цього напівемпіричної підходу полягає у відсутності точних даних про межі трансмембранних ділянок. Проте подібні шкали можуть бути настільки ж корисні, як і шкали, засновані на термодинамічних параметрах. Як приклад можна навести шкалу «схильності» до мембрани Куна і Лейгха або шкалу «заглибленості спіралі в мембрану» Рао і Аргоса. Чотири найбільш гідрофобних залишку за шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейцу є також чотирма залишками з найвищим значенням параметра за шкалою Рао і Аргоса.

На рис. представлені профілі трьох різних мембранних білків, отримані з використанням різних шкал. При побудові цих профілів враховуються середні значення чисел на шкалах, приписувані кожній амінокислоті в межах вибраного «вікна»; це середнє відкладається щодо номера залишку в поліпептиді. Наприклад, якщо «вікно» складає 19 залишків, значення, приписане положенню 40, буде середнім числом на шкалі для всіх амінокислот від 31 до 49 включно. Значення, приписане положенню 41, буде середнім для залишків з 32 по 50 і т.д. Піки на профілі відповідають гідрофобним ділянкам або тих дільницях, які з більшою ймовірністю утворюють трансмембранні спіралі. Для побудови профілю важливий розмір вікна; більшість кривих на рис. були побудовані при розмірі вікна в 19 залишків.

Спробуємо проінтерпретувати побудовані профілі. За шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейцу піки при значеннях, близьких до нуля, відповідають трансмембранним спіралям. Значення 1,25 за шкалою Кайта-Дуліттла є найменшим значенням, що відповідає відомій трансмембранної спіралі в L-суб'єктів незалежно дініце реакційного центру R. viridis. У всіх трьох випадках, представлених на рис. 3.12, профілі для субодиниць реакційного центру подібні.

На рис. наведені два профілі для Р450 з мікросом. Цей білок був обраний тому, що дані про його первинній структурі дозволяють висловити припущення про наявність у нього восьми трансмембранних спіралей. Проте наявні експериментальні дані вказують на існування тільки одного N-koh-цевого якоря в мембрані. Як профіль Кайта-Дуліттла, так і профіль Голдмана-Енгелмана-Стейцу виявляють N-кінці-вої ділянку, але вони вказують і на наявність одного або більше додаткових трансмембранних сегментів, що не відповідає дійсності. Відзначимо, що багато з побудованих моделей мембранних білків, які ґрунтуються лише на даних про амінокислотної послідовності, можуть бути некоректними.

На рис. наведено три профілю для бактериородопсина. Незважаючи на їх схожість, видно відмінності у формі піків, що відповідають семи трансмембранним сегментам. Алгоритм Голдмана-Енгелма-на-Стейцу не враховує стабілізуючого ефекту, пов'язаного з утворенням іонної пари з близько розташованих заряджених залишків у межах однієї спіралі. З урахуванням цього фактора розділення між двома останніми спіралями стає більш чітким.

Одна з проблем, з якими стикається застосування всіх описаних вище алгоритмів, полягає в тому, щоб виключити гідрофобні сегменти у відомих глобулярних білках, які не є трансмембранними, але розташовані всередині білка. Однак, коли ми шукаємо досить протяжні ділянки, ця проблема не виникає.

Відзначимо, що алгоритми, використовувані для виявлення а-спіральних структур в розчинних глобулярних білках, наприклад алгоритм Чоу-Фасмана, непридатні для виявлення трансмембранних елементів. Ці алгоритми незастосовні для опису структури неглобулярних ділянок, якими є сегменти, розташовані всередині бішару.

Алгоритми, призначені для ідентифікації трансмембранних ділянок, не можна використовувати в разі сегментів, які є вторинними амфіфільних структурами або перетинають мембрану у вигляді / 3-шару. У першому випадку ця ділянка виключається з розгляду через наявність у ньому полярних залишків, а в другому трансмембранний сегмент виявляється занадто коротким, оскільки для перетину бислоя необхідно лише 10-12 амінокислотних залишків у складі / 3-структури. Деякі алгоритми призначалися радше для виявлення ^ -Поворот, а не самих трансмембранних елементів. Хоча це дозволяє уникнути деяких проблем, пов'язаних з виділенням різних класів трансмембранних елементів, неясно, наскільки прийнятними вони виявляться при більш широкому їх застосуванні.

Способи ідентифікації вторинних амфіфільних структур

Розроблено кілька підходів до виявлення вторинної амфіфільних або асиметрії в розподілі гідрофобних залишків в сегментах поліпептидного ланцюга. Досить часто а-спіралі і / 3-шари в глобулярних білках характеризуються періодичністю в розподілі гідрофобних залишків. Використання спірального кільця як якісного показника не завжди виправдано, необхідні більш кількісні підходи. Основний з них - це визначення періодичності у розподілі гідрофобних залишків за допомогою методів Фур'є-перетворення. Як приклад можна привести гідрофобний момент.

1. Гідрофобний момент. Цей параметр був запропонований Ейзенберг та ін. Він визначається як

і являє собою якусь векторну суму гидрофобности залишків у сегменті з N елементів. Гидрофобность кожного залишку представлена ??у вигляді вектора, який характеризується кутом, утвореним бічним ланцюгом і віссю поліпептидного остова. Для а-спіралі 6 = 100 °. На рис. 3.9, Б «вектори» гидрофобности представлені в проекції на площину спірального кільця, і гідрофобний момент дорівнює їх векторній сумі. Гідрофільний залишок представляється вектором з негативною спрямованістю. Для випадкової послідовності значення ци в силу випадкового розподілу гідрофобних залишків буде дуже мало. У той же час в пептиді мелітин гідрофобні залишки розташовані з одного боку структури, а полярні - з іншого. Чисельне значення гидрофобного моменту приписується амінокислоті, що знаходиться в центрі аналізованого сегмента. Отже, можна «просканувати» послідовність і приписати кожному положенню середню гидрофобность, а також знайти ^ н-

Ейзенберг та ін. Проаналізували сегменти довжиною 11 залишків з багатьох білків і пептидів, визначивши гідрофобний момент

і середню гидрофобность для кожного з досліджуваних сегментів. Для поліпептидних сегментів глобулярних білків характерні низькі значення як <Я>, так і ци - Трансмембранні елементи гидрофобного характеру мають високі значення <Я>, але низькі значення рн, будучи в основному неполярними. Пептиди і ділянки білків, що відносяться до «поверхнево-активною», мають високі значення цн через сильну асиметрії в розподілі полярних і неполярних залишків. За допомогою цього алгоритму були ідентифіковані деякі сегменти поверхнево-активних білків, наприклад ділянки дифтерійного токсину та піруватоксідази з Е. coli.

Гідрофобний момент служить кількісною мірою періодичності у розподілі гідрофобних залишків у різних ділянках поліпептиду. Важливу роль при цьому відіграє вибір 6. Гідрофобний момент є по суті одним з параметрів Фур'є-перетворення функції гідрофобності. Більш загальні методи, описані нижче, дозволяють проаналізувати всі Фур'є-компоненти та виявити будь-яку можливу періодичність.

2. Періодичність послідовності. Розроблено багато методів ідентифікації ділянок білкових молекул, для яких характерні періодичні зміни гідрофобності вздовж ланцюга. Всі вони включають Фур'є-перетворення функції, що залежить від гідрофобності амінокислотних залишків вздовж поліпептиду. Наявність піку з періодом 3,6 вказує на те, що гідрофобний залишок у даному сегменті аналізованого полипептида зустрічається в середньому через кожні 3,6 залишку. Це означає, що сегмент є а-спіраллю, на одній стороні якої знаходяться переважно гідрофобні залишки. Цей метод використовувався для ідентифікації амфіфільних ділянок в деяких траспортних білках і білках, що утворюють канали; як приклад можна привести ацетілхоліновий рецептор, натрієвий канал, переносник глюкози, білок-разобщітель мітохондрій і білок смуги 3 еритроцитів, що є аніонним переносником. Однак чіткі вказівки на те, що ці передбачувані амфіфільні спіралі є трансмембранними, відсутні.

Ці методи використовувалися також для аналізу пептидів, що взаємодіють з мембранної поверхнею, і аполіпопроте-інів.

Пептиди - моделі мембранних білків

Пептиди стали використовуватися для вивчення білково-ліпідних взаємодій багато років тому. У більшості випадків це були природні мембраноактівние пептиди, в першу чергу грамицидин А, аламетіцін і мелітин. В даний час в якості модельних систем частіше застосовують синтетичні пептиди. При цьому необхідно пам'ятати про два моменти: 1) при зв'язуванні пептиду з мембраною істотні як первинна, так і вторинна амфіфільних; 2) пептиди часто володіють поліморфізмом, тобто здатністю змінювати конформацію в залежності від оточення. Чи не; виключено, що в майбутньому за допомогою синтетичних пептидів вдасться детально вивчити білково-ліпідні взаємодії, але поки ми ще дуже далекі від цього.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка