Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012

Структура и функции биомембран
Мембранные белки
Способы взаимодействия белков с мембранами

Белки называют мембранными, если они интегрированы в фосфолипидный бислой или расположены на поверхности этого бислоя. Именно мембранные белки определяют специфическую активность определённой мембраны или определённого участка данной мембраны.

В зависимости от типа клеток и от положения мембраны в клетке плотность белков в мембране и их состав могут значительно различаться. Например, внутренняя мембрана митохондрии на 78% состоит из белков, а миелиновая мембрана - только на 18%. Именно высокое содержание фосфолипидов в миелиновой мембране обеспечивает электрическую изоляцию нервных клеток от окружения.

Важность мембранных белков подчёркивает тот факт, что порядка трети дрожжевых генов кодируют именно мембранные белки. А в многоклеточных организмах наблюдается ещё большее относительное преобладание по количеству мембранных белков, поскольку они необходимы ещё и для обеспечения межклеточных контактов.

Липидный бислой представляет собой уникальную двумерную гидрофобную среду для мембранных белков. Некоторые белки погружены в этот слой. Другие белки присоединены к одной из внешних сторон - экзоплазматической или цитозольной - мембраны.

Те домены мембранных белков, которые расположены с экзоплазматической стороны, обычно связываются с другими молекулами, такими, как внеклеточные сигнальные белки, ионы и малые метаболиты (например, глюкоза, жирные кислоты), или соединяются с адгезивными молекулами других клеток или с внеклеточными структурами.

Домены внутри плазматической мембраны (трансмембранные), в частности те, которые формируют каналы и поры, способствуют перемещению молекул внутрь и наружу из клетки.

А те домены, которые расположены с цитозольной стороны мембраны, имеют широкий спектр функций, от заякоревания цитоскелета и до инициации систем внутриклеточной сигнализации.

Во многих случаях и функцию новых мембранных белков, и топологию пространственного расположения их полипептидных цепей можно предсказать на основе их гомологического подобия с другими, уже хорошо исследованными белками.

Мембранные белки по характеру белково-мембранного взаимодействия могут быть отнесены к одному из трёх типов белков (рисунок 35):

1) интегральные (трансмембранные) белки;

2) белки, присоединённые к липидам (липид-связанные);

3) периферические белки.

Интегральные мембранные белки, которые также называют трансмембранными белками, проходят мембрану насквозь и состоят из трёх частей - цитозольной, трансмембранной и экзоплазматической.

Цитозольные и экзоплазматические домены имеют гидрофильную поверхность, которая взаимодействует с водным окружением с цитозольной и экзоплазматической стороны мембраны, соответственно. Эти домены подобны другим водорастворимым белкам по аминокислотному составу и пространственной структуре.

В отличие от них трансмембранная часть белковой молекулы содержит на поверхности большое число гидрофобных аминокислот, которые взаимодействуют с внутренней углеводородной частью фосфолипидного бислоя.

Рисунок 35 - Три типа мембранных белков

Во всех известных на сегодняшний день интегральных белках трансмембранный домен содержит одну или более а-спиралей или множество ß-структур.

Кроме того, большинство трансмембранных белков гликозилировано сложными и разветвлёнными олигосахаридами, которые присоединены к одной или нескольким аминокислотам белка. Во всех случаях такие углеводные цепи располагаются с экзоплазматической стороны.

Липид-связанные мембранные белки ковалентно связаны с одной или более липидными молекулами. Гидрофобная углеводородная цепь этого липида встроена в один из монослоёв мембраны и выполняет функцию якоря для липид-связанного (заякоренного) белка. Сама же полипептидная цепь белка не проникает в фосфолипидный бислой.

Периферические мембранные белки не взаимодействуют с гидрофобным слоем фосфолипидной мембраны. Как правило, они связываются с мембраной либо непосредственно с полярными головками липидов, либо опосредованно - с интегральными мембранными белками.

Периферические белки располагаются и с цитоплазматической, и с цитозольной стороны плазматической мембраны.

Кроме этих трёх типов белков, которые достаточно прочно и определённо присоединяются к мембране, с цитозольной стороны с мембраной ассоциируются, как правило, посредством периферических (адаптерных) белков, ещё и белки филаментов цитоскелета (рисунок 35).

Такое ассоциирование с цитоскелетом обеспечивает механическую опору для различных клеточных мембран и распространение информации (передачу сигналов) через мембраны.

Наконец, периферические белки внешней стороны плазматической мембраны и экзоплазматические домены интегральных мембранных белков часто присоединяются к компонентам внеклеточного матрикса или к клеточным стенкам соседних бактериальных или растительных клеток.