Принципи структурної організації мембранних білків

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 родопсину утворюють шіффови підстави з простетичної групою ретиналя, що необхідно для світлового збудження молекули; 2) залишки гістидину в поліпептиду реакційного центру бактерій беруть участь у зв'язуванні з фотосинтетичних пігментів, 3) заряджені залишки в лактозопермеазе з Є. 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 в середу з низькою діелектричною проникністю всередині мембрани енергетично дуже невигідний, і ці групи необхідно яким-небудь чином стабілізувати. Неодноразово передбачалося, що для стабілізації достатньо освіти іонних пар, і цей принцип використовувався при побудові тривимірної моделі бактериородопсина. Проте розрахунки показали, що вільна енергія переносу іонної пари з води в середу 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.

У 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-сольватірованних іонів, стабілізованих за рахунок взанмодействій У водорозчинних білках. Аналогічні принципи, мабуть, діють у випадку заряджених залишків трансмембранних сегментів інтегральних білків.

Проте видається більш вірогідним, 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, що стабілізують заряджений залишок у трансмембранному сегменті, він швидше за все буде нейтралізована.

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. и Arg в четыре раза чаще встречаются в тех соединяющих трансмембранные элементы участках, которые расположены на внутренней стороне мембраны, а не на наружной. 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. и Glu подобная тенденция не выявляется. Для кислих залишків Asp і Glu подібна тенденція не виявляється. Можливо, ця асиметрія пов'язана з механізмом складання мембранного білка, але як саме - неясно. Більше того, невідомо, чи можна узагальнити це спостереження і чи має воно якусь предсказательную 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 пролін розташовувався в місцях пошкодження спіралі, а в інших випадках знаходився в області викривлення або нерегулярності структури.

У той же час у бактериородопсина проліновие залишки розташовані в середній частині трьох з семи трансмембранних спіралей, а у родопсину - у п'яти із 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 пролін 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 специфічної взаємодії із залишком, розташованим в іншому пронизуючому мембрану ділянці. Подібне полярне взаємодія всередині бішару могло б стабілізувати тривимірну структуру мембранних білків.

Способи ідентифікації первинних амфіфільних структур

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

Існує два типи шкал. В одному випадку амінокислоти класифікують за їх відносним полярності або «гідрофобності». Ці шкали мають термодинамічну природу і засновані на величині зміни вільної енергії при перенесенні амінокислоти з водного розчину в углеводородную 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 Стейц заснована на кількісній оцінці вільної енергії перенесення а-спіралей з водного середовища всередину мембрани. На рис. порівнюється шкала Кайта - Дуліттла зі шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейц.

За оцінка Енгелмана та ін, зміна вільної енергії при впровадженні в мембрану поліаніонні 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 перенесення в бішар полярних груп. Наприклад, припускали, що глутамін при перенесенні в бішар буде протонувати і вільна енергія цього процесу складе 10,8 ккал / моль. Подібно до цього, перенесення гідроксилів буде «коштувати» 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 бішар полярних бічних груп. Наприклад, один залишок аргініну може вбудуватися в бішар у складі неполярної 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 бішар 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 кістяком, а кислі і основні залишки можуть утворювати іонні пари: появи 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 гідрофобність, а також багато інших чинників, які не можна оцінити кількісно, ​​як гідрофобність. Недолік цього напівемпіричного підходу полягає у відсутності точних даних про межі трансмембранних ділянок. Тим не менш 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 та Аргоса. Чотири найбільш гідрофобних залишку за шкалою Голдмана-Енгелмана-Стейц є також чотирма залишками з найвищим значенням параметра за шкалою Рао та 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 обраного «вікна»; це середнє відкладається щодо номера залишку в поліпептиди. 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 чи 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-Стейц списи при значеннях, близьких до нуля, відповідають трансмембранним спіралях. -субъе-динице реакционного центра R . viridis . Во всех трех случаях, представленных на рис. Значення 1,25 за шкалою Кайта-Дуліттла є найменшим значенням, що відповідає відомої 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.