Transmembrānas receptori. Transmembrānas proteīns Transmembrānu proteīnu galaprodukts

: raksturlielumi un struktūras principi

1. Membrānas proteīnu struktūra

Lipīdu galvenā loma membrānās ir stabilizēt divslāņu struktūru, un olbaltumvielas ir aktīvās biomembrānu sastāvdaļas. Mēs apspriedīsim dažus principus, kas ir izrādījušies noderīgi, lai noskaidrotu membrānas proteīnu struktūras iezīmes. Mēs sniegsim piemērus, lai ilustrētu šos principus.

Membrānas attīstības rītausmā tika uzskatīts, ka membrānas olbaltumvielas savā struktūrā ir diezgan viendabīgas un 3 slāņu veidā uzlikta uz divslāņu virsmas. Tagad mēs vairāk sliecamies uzskatīt, ka vismaz transmembrānas proteīniem tās daļas, kas ir iegremdētas membrānā, satur α-spirāles. Protams, es ļoti vēlētos šajā jautājumā izdarīt dažus nepārprotamus secinājumus, taču tiem ir jābūt balstītiem uz faktiskajiem datiem. Saskaroties ar šķīstošo proteīnu milzīgo strukturālo daudzveidību, var secināt, ka integrālās membrānas olbaltumvielas var būt daudz sarežģītākas, nekā mēs šobrīd iedomājamies. Šķīstošo proteīnu klasifikācija pēc struktūras veida tika veikta tikai pēc tam, kad ar augstu izšķirtspēju tika noteiktas vairāk nekā 100 dažādu proteīnu struktūras. Kas attiecas uz transmembrānas proteīniem, tas tika darīts tikai vienā gadījumā - baktēriju fotosintēzes reakcijas centra proteīnam. Kopā ar zemas izšķirtspējas elektronu mikroskopijas datiem par bakteriorodopsīna struktūru šis ir vienīgais avots, uz kuru var balstīt modeļus lielākajai daļai citu transmembrānu proteīnu.

Vēl viens svarīgs punkts ir proteīnu piestiprināšanas metodes pie membrānas. Tie shematiski parādīti attēlā. 3.1.

1. Saistīšanās ar olbaltumvielām, kas iegremdētas divslānī. Piemēri ietver H + -ATPāzes Fi daļu, kas saistās ar membrānā iestrādāto Fo daļu; Var minēt arī dažus citoskeleta proteīnus.

2. Saistīšana ar divslāņu virsmu. Šī mijiedarbība galvenokārt ir elektrostatiska vai hidrofoba. Uz dažu membrānas proteīnu virsmas ir hidrofobi domēni, kas veidojas sekundārās vai terciārās struktūras pazīmju dēļ. Šīs virsmas mijiedarbības var izmantot papildus citām mijiedarbībām, piemēram, transmembrānas noenkurošanai.

3.iesiešana, izmantojot hidrofobu “enkuru”; šī struktūra parasti tiek atklāta kā nepolāru aminoskābju atlikumu secība. Daži membrānas proteīni kā enkurus izmanto kovalenti saistītās taukskābes vai fosfolipīdus.

4. Transmembrānas proteīni. Daži no tiem šķērso membrānu tikai vienu reizi, citi vairākas reizes.

Atšķirības starp ārējās un iekšējās membrānas proteīniem viennozīmīgi nenosaka to piestiprināšanas metodi pie divslāņa; šīs atšķirības nosaka tikai to saistīšanas relatīvo stiprumu.

2. Membrānas proteīnu attīrīšana

Lai attīrītu integrālās membrānas olbaltumvielas un iegūtu tos bioķīmiski aktīvā formā, ir nepieciešami mazgāšanas līdzekļi, lai proteīnus izšķīdinātu un saglabātu šķīdumā. Saistītās mazgāšanas līdzekļa prasības un apstrāde rada papildu problēmas, kas nav saistītas ar proteīnu attīrīšanu. Ir izstrādātas daudzas specifiskas metodes integrālo membrānas proteīnu izolēšanai, taču lielākā daļa attīrīšanas shēmu ir balstītas uz tām pašām hromatogrāfijas un hidrodinamiskajām metodēm, ko izmanto šķīstošiem proteīniem. Tā ir hromatogrāfija uz DEAE-celulozes, sefarozes vai hidroksilpatīta, gēla filtrēšana, centrifugēšana saharozes blīvuma gradientā utt. Pareiza mazgāšanas līdzekļa izvēle ir ļoti svarīga, jo tieši mazgāšanas līdzeklis iznīcina biomembrānu, aizstājot lipīdus. kas aptver noteiktu proteīnu, un nosaka proteīna stabilitāti šķīdumā. Pārskatā ir apskatīti mazgāšanas līdzekļu darbības mehānismi.

2.1. MAZGĀŠANAS LĪDZEKĻI

Pēdējo divu desmitgažu laikā ir kļuvis pieejams liels skaits mazgāšanas līdzekļu, kas piemēroti integrālo membrānas proteīnu attīrīšanai. Principā jācenšas atrast tādu mazgāšanas līdzekli, kas neizjauktu membrānas proteīnu sekundārās un terciārās struktūras, bet tikai aizstātu lielāko daļu vai visus membrānas lipīdus saskarē ar proteīna molekulas hidrofobajiem reģioniem. Izšķīdināšanas galīgais mērķis ir iekļaut proteīnu mazgāšanas līdzekļa micelē; turpmākā attīrīšanas stratēģija ir šādu proteīna-mazgāšanas līdzekļu kompleksu atdalīšana.

Pirmā problēma ir optimālu apstākļu izvēle pētāmā proteīna šķīdināšanai. Proteīnu denaturējošie mazgāšanas līdzekļi nav piemēroti šim delikātajam uzdevumam. No otras puses, daudzi mazgāšanas līdzekļi efektīvi neiznīcina membrānas un veido proteīnus saturošas jauktas micellas. Šādi mazgāšanas līdzekļi var būt pārāk hidrofobi vai pārāk hidrofili, lai efektīvi sajauktos ar membrānas lipīdiem un, ja to koncentrācija ir pietiekami augsta, pārveidotu divslāņu globulārās jauktās micellās. Sākumā tika cerēts, ka vajadzīgā mazgāšanas līdzekļa izvēli varētu sistematizēt, izmantojot vienu parametru, ko sauc par hidrofilo-lipofīlo līdzsvaru. Šo parametru, kas svārstās no 1 līdz 20, izmanto virsmaktīvo vielu sagatavošanā kā relatīvās hidrofobitātes mērauklu. Patiešām, ir iegūtas dažas korelācijas, no kurām izriet, ka mazgāšanas līdzekļa HLB vērtību var izmantot, lai prognozētu tā uzvedību bioloģiskajās sistēmās. Vispārīgi runājot, mazgāšanas līdzekļus ar HLB vērtību diapazonā no 12,5 līdz 14,5 var uzskatīt par visefektīvākajiem integrālo membrānu proteīnu šķīdinātājiem. Tomēr vēlāk kļuva skaidrs, ka, meklējot optimālus mazgāšanas līdzekļus konkrētam membrānas proteīnam, ir jāņem vērā daudzi faktori, un tas vienmēr ir jāpapildina ar empīrisku testēšanu. Jāņem vērā sekojošais.

1. Maksimālā pētāmā proteīna izšķīdināšana. Kritērijs ir olbaltumvielu pārnešana uz supernatantu pēc centrifugēšanas, kuras laikā membrāna nogulsnējas.

2. Olbaltumvielu šķīdināšana vēlamajā formā. Parasti mēs runājam par tā fermentatīvās aktivitātes saglabāšanu, bet dažreiz tiek izmantotas noteiktas spektrālās īpašības vai specifisku olbaltumvielu asociēto savienojumu klātbūtne. Turklāt proteīna stabilitāte pēc izšķīdināšanas ir priekšnoteikums. Dažos gadījumos, lai saglabātu bioķīmisko aktivitāti, kopā ar mazgāšanas līdzekli tiek pievienoti arī eksogēni fosfolipīdi. Piemērs ir E. coli laktozes permeāzes un nātrija kanālu proteīna ražošana. Lai stabilizētu proteīnu pēc izšķīdināšanas, dažreiz pievieno glicerīnu vai citu poliolu. Ir lietderīgi izmantot arī proteāzes inhibitorus un veikt šķīdināšanu apstākļos, kas samazina to proteolītiskās sadalīšanās iespējamību.

3. Iespēja izmantot mazgāšanas līdzekli šajā tehnikā. Vispirms ir jāņem vērā mazgāšanas līdzekļa lādiņš, uzvedība pie noteiktas pH vērtības, CMC un mazgāšanas līdzekļa micellu izmērs. Pēdējās īpašības ir īpaši svarīgas. Mazgāšanas līdzekļi ar zemu CMC saturu, kas veido lielas micellas, netiek noņemti ar dialīzi vai ultrafiltrāciju, jo mazgāšanas līdzekļu monomēru koncentrācija ir pārāk zema. Praktiski tas nozīmē, ka, ja olbaltumvielas tiek koncentrētas ar ultrafiltrāciju, palielināsies arī zema CMC mazgāšanas līdzekļa koncentrācija, kas var izraisīt olbaltumvielu denaturāciju. Šī iemesla dēļ daudzi pētnieki izvēlas izmantot mazgāšanas līdzekļus ar augstu CMC, piemēram, oktilglikozīdu, žults sāļus vai modernākus cviterjonu mazgāšanas līdzekļus. Polistirola sveķi, piemēram, Biobidz SM-2, ir ļoti vērtīgi. Tie selektīvi saistās ar tādiem mazgāšanas līdzekļiem kā Triton X-100, izņem tos no šķīduma un ļauj iztikt bez dialīzes. Vēl viens faktors, kas jāņem vērā, ir mazgāšanas līdzekļa gaismas absorbcija. Daži mazgāšanas līdzekļi, piemēram, Triton X-100, absorbējas gandrīz UV zonā, padarot neiespējamu olbaltumvielu koncentrāciju noteikt, mērot absorbciju pie 280 nm.

Ņemot vērā visus šos faktorus, kļūst skaidrs, kāpēc daudzos gadījumos, izolējot integrālās membrānas olbaltumvielas, ir nepieciešams izmantot dažādus mazgāšanas līdzekļus. Piemēram, Triton X-100 var izmantot šķīdināšanai, bet atdalīšanu ar DEAE-celulozi vislabāk veikt oktilglikozīda klātbūtnē. Mazgāšanas līdzekļus var mainīt hromatogrāfijas stadijā, blīvuma gradienta centrifugēšanas laikā un dažos gadījumos ar dialīzi. Jāpatur prātā, ka mazgāšanas līdzeklis, kas nav piemērots konkrēta proteīna šķīdināšanai, var ļoti efektīvi uzturēt proteīnu šķīdumā pēc mazgāšanas līdzekļa maiņas. Attīrīšana gandrīz vienmēr jāveic ar mazgāšanas līdzekļa pārpalikumu šķīdumā, pretējā gadījumā līdzsvars tiks novirzīts uz membrānas proteīnu agregāciju, nevis uz proteīnu un mazgāšanas līdzekļu kompleksu veidošanos. Dažos gadījumos šāda agregācija var būt pat vēlama, un pēdējais attīrīšanas posms var būt mazgāšanas līdzekļa noņemšana. Bet, kā likums, ar mazgāšanas līdzekļa trūkumu rodas neatgriezeniski nokrišņi un olbaltumvielu zudumi.

Nepieciešamība uzturēt mazgāšanas līdzekļa koncentrāciju noteiktā līmenī rada papildu grūtības papildus tām, kas parasti rodas olbaltumvielu attīrīšanā; Mēs jau esam runājuši par dažiem no tiem. Problēmas rodas arī, izmantojot standarta izsālīšanas metodi pie augstām amonija sulfāta koncentrācijām: daudzos gadījumos proteīns tiek nogulsnēts kopā ar mazgāšanas līdzekli un lipīdu. Tā kā sāls šķīdumam ir augsts blīvums un mazgāšanas līdzekļa daudzums agregātā ir salīdzinoši mazs, centrifugēšanas laikā nogulsnes paliks uz virsmas. Ir svarīgi atcerēties, ka olbaltumvielu un mazgāšanas līdzekļu kompleksi tiek attīrīti, bieži vien ar ievērojamu saistīto fosfolipīdu daudzumu. Tas ietekmē atdalīšanas kvalitāti hromatogrāfijas laikā, kā arī galīgo pro-šķīstošo proteīnu raksturojuma rezultātus, ir nepieciešams noteikt polipeptīdu apakšvienību skaitu un molekulmasu, to stehiometriju, izmēru un, iespējams, formu. molekula, kā arī, ja nepieciešams, bioķīmiskā aktivitāte.

Membrānā esošie lipīdi galvenokārt ir atbildīgi par to strukturālajām īpašībām – tie veido divslāņu jeb matricu, kurā atrodas membrānas aktīvās sastāvdaļas – olbaltumvielas. Tieši olbaltumvielas piešķir dažādām membrānām to unikalitāti un nodrošina specifiskas īpašības. Daudzi membrānas proteīni veic šādas galvenās funkcijas: nosaka vielu pārnesi cauri membrānām (transporta funkcijas), veic katalīzi, nodrošina foto- un oksidatīvās fosforilēšanas procesus, DNS replikāciju, proteīnu translāciju un modifikāciju, signālu uztveršanu un pārraidi. nervu impulsi utt.

Ir ierasts sadalīt membrānas proteīnus 2 grupās: neatņemama(iekšējais) un perifēra(ārējais). Šādas atdalīšanas kritērijs ir proteīna saistīšanās ar membrānu stipruma pakāpe un attiecīgi apstrādes smaguma pakāpe, kas nepieciešama proteīna ekstrahēšanai no membrānas. Tādējādi perifērās olbaltumvielas var izdalīties šķīdumā pat tad, ja membrānas tiek mazgātas ar bufera maisījumiem ar zemu jonu stiprumu, zemām pH vērtībām helātu veidojošo vielu, piemēram, etilēndiamīntetraacetāta (EDTA), klātbūtnē, kas saistās ar divvērtīgiem katjoniem. Perifērās olbaltumvielas tiek atbrīvotas no membrānām šādos vieglos apstākļos, jo tās ir saistītas ar lipīdu galviņām vai citiem membrānas proteīniem, izmantojot vāju elektrostatisko mijiedarbību, vai ar hidrofobu mijiedarbību ar lipīdu astēm. Gluži pretēji, integrālie proteīni ir amfifilas molekulas, uz to virsmas ir lieli hidrofobi apgabali un tie atrodas membrānas iekšpusē, tāpēc to ekstrakcijai ir nepieciešams divslāņu iznīcināšana. Šiem nolūkiem visbiežāk izmanto mazgāšanas līdzekļus vai organiskos šķīdinātājus. Metodes proteīnu piestiprināšanai pie membrānas ir diezgan dažādas (4.8. att.).

Transporta proteīni. Lipīdu divslānis ir necaurlaidīgs šķērslis lielākajai daļai ūdenī šķīstošo molekulu un jonu, un to transportēšana caur biomembrānu ir atkarīga no transporta proteīnu aktivitātes. Ir divi galvenie šo olbaltumvielu veidi: kanāliem(poras) un pārvadātāji. Kanāli ir membrānu šķērsojoši tuneļi, kuros vienlaikus uz abām membrānas virsmām ir pieejamas transportējamo vielu saistīšanās vietas. Vielu transportēšanas laikā kanālos netiek veiktas nekādas konformācijas izmaiņas, to konformācija mainās tikai atverot un aizverot. Nesēji, gluži pretēji, maina savu konformāciju vielu pārvietošanas laikā pa membrānu. Turklāt jebkurā brīdī transportētās vielas saistīšanās vieta nesējā ir pieejama tikai uz vienas membrānas virsmas.

Savukārt kanālus var iedalīt divās galvenajās grupās: no sprieguma atkarīgie un ķīmiski regulējami. No potenciāla atkarīga kanāla piemērs ir Na + kanāls, tā darbību regulē, mainot elektriskā lauka spriegumu. Citiem vārdiem sakot, šie kanāli atveras un aizveras, reaģējot uz pārmaiņām transmembrānas potenciāls. Ķīmiski regulējami kanāli

atveras un aizveras, reaģējot uz konkrētu ķīmisko aģentu saistīšanos. Piemēram, nikotīna acetilholīna receptors, kad neirotransmiters saistās ar to, nonāk atvērtā konformācijā un ļauj iziet cauri monovalentiem katjoniem (šīs nodaļas 4.7. apakšnodaļa). Termini "pora" un "kanāls" parasti tiek lietoti kā sinonīmi, bet ar porām biežāk tiek saprastas neselektīvās struktūras, kas atšķir vielas galvenokārt pēc izmēra un ļauj iziet cauri visām pietiekami mazajām molekulām. Kanālus bieži saprot kā jonu kanālus. Transportēšanas ātrums caur atvērto kanālu sasniedz 10 6 - 10 8 jonus sekundē.

Transportētājus var iedalīt arī 2 grupās: pasīvajos un aktīvajos. Ar pasīvo nesēju palīdzību caur membrānu tiek transportēta viena veida viela. Pasīvie pārvadātāji ir iesaistīti atvieglota difūzija un tikai palielina vielu plūsmu pa elektroķīmisko gradientu (piemēram, glikozes pārnešana cauri eritrocītu membrānām). Aktīvie nesēji transportē vielas cauri membrānai, izmantojot enerģiju. Šie transporta proteīni uzkrāj vielas vienā membrānas pusē, transportējot tās pret elektroķīmisko gradientu. Transporta ātrums, izmantojot pārvadātājus, ir ļoti atkarīgs no to veida un svārstās no 30 līdz 10 5 s -1. Terminus “permeāze” un “translokāze” bieži lieto, lai apzīmētu atsevišķus pārvadātājus, ko var uzskatīt par sinonīmu terminam “transportētājs”.

Membrānas proteīnu enzīmu funkcijas. Šūnu membrānās darbojas liels skaits dažādu enzīmu. Dažas no tām lokalizējas membrānā, atrodot tur piemērotu vidi hidrofobo savienojumu transformācijai, citas, pateicoties membrānu līdzdalībai, tajās atrodas stingrā kārtībā, katalizējot secīgus dzīvības procesu posmus, bet citiem ir nepieciešama palīdzība. lipīdu saturs, lai stabilizētu to uzbūvi un uzturētu aktivitāti. Biomembrānās tika atrasti enzīmi – visu zināmo klašu pārstāvji. Tie var iekļūt membrānā cauri, būt tajā izšķīdinātā veidā vai, būdami perifēri proteīni, saistīties ar membrānas virsmām, reaģējot uz jebkuru signālu. Var izdalīt šādus raksturīgus membrānas enzīmu veidus:

1) transmembrānu enzīmi, kas katalizē saistītās reakcijas membrānas pretējās pusēs. Šiem fermentiem parasti ir vairāki aktīvi centri, kas atrodas pretējās membrānas pusēs. Tipiski šādu enzīmu pārstāvji ir elpošanas ķēdes sastāvdaļas vai fotosintēzes redokscentri, kas katalizē redoksprocesus, kas saistīti ar elektronu transportēšanu un jonu gradientu veidošanos uz membrānas;

2) transmembrānu fermenti, kas iesaistīti vielu transportēšanā. Transporta proteīniem, kas savieno vielu pārnesi ar ATP hidrolīzi, piemēram, ir katalītiska funkcija;

3) fermenti, kas katalizē ar membrānu saistīto substrātu transformāciju. Šie fermenti ir iesaistīti membrānas komponentu metabolismā: fosfolipīdi, glikolipīdi, steroīdi utt.

4) fermenti, kas iesaistīti ūdenī šķīstošo substrātu transformācijā. Ar membrānu palīdzību, visbiežāk pievienotā stāvoklī, fermenti var koncentrēties tajās membrānas vietās, kur to substrātu saturs ir vislielākais. Piemēram, enzīmi, kas hidrolizē olbaltumvielas un cieti, tiek piesaistīti zarnu mikroviruļu membrānām, kas palīdz palielināt šo substrātu sadalīšanās ātrumu.

Citoskeleta proteīni . Citoskelets ir sarežģīts dažādu veidu proteīnu šķiedru tīkls, un tas atrodas tikai eikariotu šūnās. Citoskelets nodrošina mehānisku atbalstu plazmas membrānai un var noteikt šūnas formu, kā arī organellu atrašanās vietu un to kustību mitozes laikā. Piedaloties citoskeletam, tiek veikti arī tādi šūnai svarīgi procesi kā endo- un eksocitoze, fagocitoze un amēboīdu kustība. Tādējādi citoskelets ir šūnas dinamiskais ietvars un nosaka tās mehāniku.

Citoskelets ir veidots no trīs veidu šķiedrām:

1) mikrofilamenti(diametrs ~6 nm). Tās ir pavedieniem līdzīgas organellas – lodveida proteīna aktīna un citu ar to saistīto proteīnu polimēri;

2) starppavedieni (diametrs 8-10 nm). Veido keratīni un radniecīgi proteīni;

3) mikrotubulas(diametrs ~ 23 nm) - garas cauruļveida konstrukcijas.

Tie sastāv no lodveida proteīna, ko sauc par tubulīnu, kura apakšvienības veido dobu cilindru. Mikrotubulu garums var sasniegt vairākus mikrometrus šūnu citoplazmā un vairākus milimetrus nervu aksonos.

Uzskaitītās citoskeleta struktūras iekļūst šūnā dažādos virzienos un ir cieši saistītas ar membrānu, piestiprinoties tai dažos punktos. Šīm membrānas daļām ir svarīga loma starpšūnu kontaktos, ar to palīdzību šūnas var piestiprināties pie substrāta. Viņiem ir arī svarīga loma lipīdu un proteīnu transmembrānas sadalē membrānās.

Proteīni, kas saistīti ar membrānas lipīdu polārajām galvām

Olbaltumvielas, kas veido kompleksus ar integrālām membrānas olbaltumvielām

Virsmas proteīni

Virsmas proteīni bieži pievienojas membrānai, mijiedarbojoties ar integrētiem proteīniem vai lipīdu slāņa virsmas reģioniem.

Vairāki gremošanas enzīmi, kas iesaistīti cietes un olbaltumvielu hidrolīzē, ir piesaistīti zarnu mikrovillu integrālajiem membrānas proteīniem.

Šādu kompleksu piemēri ir saharozes-izomaltāze un maltāzes-glikoamilāze. Iespējams, ka šo gremošanas enzīmu savienojums ar membrānu nodrošina substrātu hidrolīzi ar lielu ātrumu un hidrolīzes produktu uzsūkšanos šūnā.

Olbaltumvielu molekulas polārie vai uzlādētie domēni var mijiedarboties ar lipīdu polārajām galviņām, veidojot jonu un ūdeņraža saites. Turklāt daudzi citozolā šķīstošie proteīni noteiktos apstākļos var īslaicīgi saistīties ar membrānas virsmu. Dažreiz saistīšanās ar olbaltumvielām ir nepieciešams nosacījums fermentatīvās aktivitātes izpausmei. Šādi proteīni, piemēram, ietver proteīnkināzi C un asins recēšanas faktorus.

Stiprināšana ar membrānas "enkuru"

“Enkurs” var būt nepolārs proteīna domēns, kas veidots no aminoskābēm ar hidrofobiem radikāļiem. Šāda proteīna piemērs ir ER membrānas citohroms b 5. Šis proteīns ir iesaistīts redoksreakcijās kā elektronu nesējs.

Membrānas “enkura” lomu var veikt arī taukskābju atlikums, kas kovalenti saistīts ar proteīnu (miristisks - C 14 vai palmitīns - C 16). Ar taukskābēm saistītie proteīni ir lokalizēti galvenokārt uz plazmas membrānas iekšējās virsmas. Miristskābe pievienojas N-gala glicīnam, veidojot amīda saiti. Palmitīnskābe veido tioestera saiti ar cisteīnu vai estera saiti ar serīna un treonīna atlikumiem.

Neliela proteīnu grupa var mijiedarboties ar šūnas ārējo virsmu, izmantojot fosfatidilinozitola glikāna proteīnu, kas kovalenti pievienots proteīna C-galam. Šis “enkurs” bieži vien ir vienīgā saikne starp proteīnu un membrānu, tāpēc fosfolipāzes C ietekmē šis proteīns tiek atdalīts no membrānas.

Daži no transmembrānas proteīniem vienreiz aptver membrānu (glikoforīns), citiem ir vairāki reģioni (domēni), kas secīgi šķērso divslāni.

Integrāli membrānas proteīni, kas satur no 1 līdz 12 transmembrānas domēniem. 1- ZBL receptors; 2 - GLUT-1 - glikozes transportētājs; 3 - insulīna receptors; 4 - adrenoreceptoru.

Transmembrānas domēniem, kas aptver divslāni, ir α-spirālveida konformācija. Polārie aminoskābju atlikumi ir vērsti uz globulas iekšpusi, un nepolārie ir saskarē ar membrānas lipīdiem. Šādas olbaltumvielas tiek sauktas par "apgrieztām" salīdzinājumā ar ūdenī šķīstošām olbaltumvielām, kurās lielākā daļa hidrofobo aminoskābju atlikumu ir paslēpti iekšpusē, bet hidrofilie atrodas uz virsmas.

Bioloģiskās membrānas, kas atrodas uz šūnas un ārpusšūnu telpas robežas, kā arī uz šūnas membrānas organellu robežas (mitohondriji, endoplazmatiskais tīklojums, Golgi komplekss, lizosomas, peroksisomas, kodols, membrānas pūslīši) un citozols ir būtiski organismam. gan šūnas kopumā, gan tās organellu funkcionēšana. Šūnu membrānām ir principiāli līdzīga molekulārā organizācija. Šajā nodaļā bioloģiskās membrānas tiek apspriestas galvenokārt, izmantojot plazmas membrānas (plazmolemmas) piemēru, kas atdala šūnu no ārpusšūnu vides.

Jebkurš bioloģiskā membrāna(2.–1. att.) sastāv no fosfolipīdi(~50%) un olbaltumvielas (līdz 40%). Mazākos daudzumos membrāna satur citus lipīdus, holesterīnu un ogļhidrātus.

Rīsi. 2–1. sastāv no dubultā slāņa fosfolipīdi, kuras hidrofilās daļas (galviņas) ir vērstas pret membrānas virsmu, bet hidrofobās daļas (astes, kas stabilizē membrānu divslāņu formā) – membrānā. I - integrālie proteīni iegremdēts membrānā. T - transmembrānas proteīni iekļūt visā membrānas biezumā. P - perifērās olbaltumvielas atrodas uz membrānas ārējās vai iekšējās virsmas.

Fosfolipīdi. Fosfolipīda molekula sastāv no polārās (hidrofilās) daļas (galvas) un apolārās (hidrofobās) dubultās ogļūdeņraža astes. Ūdens fāzē fosfolipīdu molekulas automātiski agregējas no astes līdz astei, veidojot bioloģiskās membrānas karkasu (2.-1. un 2.-2. att.) dubultslāņa (divslāņa) veidā. Tādējādi membrānā fosfolipīdu (taukskābju) astes tiek virzītas uz divslāni, un galviņas, kas satur fosfātu grupas, ir vērstas uz āru.

Arahidonskābe. Arahidonskābe izdalās no membrānas fosfolipīdiem - Pg, tromboksānu, leikotriēnu un vairāku citu bioloģiski aktīvo vielu prekursoriem ar daudzām funkcijām (iekaisuma mediatori, vazoaktīvi faktori, sekundārie kurjeri utt.).

Liposomas- membrānas pūslīši, kas mākslīgi sagatavoti no fosfolipīdiem ar diametru no 25 nm līdz 1 μm. Liposomas izmanto kā bioloģisko membrānu modeļus, kā arī dažādu vielu (piemēram, gēnu, medikamentu) ievadīšanai šūnās; pēdējais apstāklis ​​ir balstīts uz faktu, ka membrānas struktūras (ieskaitot liposomas) viegli saplūst (fosfolipīdu divslāņa dēļ).

Vāveres bioloģiskās membrānas iedala integrālajās (ieskaitot transmembrānu) un perifērās (2-1 un 2-2 att.).

Integrālie membrānas proteīni (lodveida), kas iestrādāts lipīdu divslānī. To hidrofilās aminoskābes mijiedarbojas ar fosfolipīdu fosfātu grupām, un to hidrofobās aminoskābes mijiedarbojas ar taukskābju ķēdēm. Integrālās membrānas olbaltumvielas ietver adhēzijas proteīnus un dažus receptoru proteīnus (membrānas receptorus).

Transmembrānas proteīns - proteīna molekula, kas iet cauri visam membrānas biezumam un izvirzās no tās gan uz ārējās, gan iekšējās virsmas. Transmembrānas proteīni ietver poras, jonu kanālus, transportētājus, sūkņus un dažus receptoru proteīnus.

Poras un kanāli- transmembrānu ceļi, pa kuriem ūdens, joni un metabolītu molekulas pārvietojas starp citosolu un starpšūnu telpu (un pretējā virzienā).

Vektori veikt konkrētu molekulu transmembrānu kustību (tostarp kombinācijā ar jonu vai cita veida molekulu pārnesi).

Sūkņi pārvieto jonus pret to koncentrācijas un enerģijas gradientiem (elektroķīmisko gradientu), izmantojot ATP hidrolīzes radīto enerģiju.

Perifērās membrānas proteīni (fibrilāri un lodveida) atrodas uz vienas no šūnas membrānas virsmām (ārējās vai iekšējās) un nav kovalenti saistīti ar integrālām membrānas olbaltumvielām.

Ar membrānas ārējo virsmu saistīto perifēro membrānu proteīnu piemēri ir: receptoru proteīni Un adhēzijas proteīni.

Ar membrānas iekšējo virsmu saistīto perifēro membrānu proteīnu piemēri ir: citoskeleta proteīni, otrās vēstneses sistēmas proteīni, fermenti un citi proteīni.

Sānu mobilitāte. Integrālie proteīni var tikt pārdalīti membrānā mijiedarbības rezultātā ar perifēriem proteīniem, citoskeleta elementiem, blakus esošās šūnas membrānas molekulām un ārpusšūnu matricas sastāvdaļām.

Ogļhidrāti(galvenokārt oligosaharīdi) ir daļa no membrānas glikoproteīniem un glikolipīdiem, kas veido 2–10% no tās masas (2.–2. att.). Lektīni mijiedarbojas ar šūnu virsmas ogļhidrātiem. Oligosaharīdu ķēdes izvirzās uz šūnu membrānu ārējās virsmas un veido virsmas apvalku - glikokalikss.

Glikokalikss tā biezums ir aptuveni 50 nm, un tas sastāv no oligosaharīdiem, kas kovalenti saistīti ar plazmalemmas glikoproteīniem un glikolipīdiem. Glikokaliksa funkcijas: starpšūnu atpazīšana, starpšūnu mijiedarbība, parietālā gremošana (glikokalikss, kas aptver zarnu epitēlija robežšūnu mikrovillus, satur peptidāzes un glikozidāzes, kas pabeidz olbaltumvielu un ogļhidrātu sadalīšanos).

Membrānas caurlaidība

Membrānas divslānis atdala abas ūdens fāzes. Tādējādi plazmas membrāna atdala starpšūnu (intersticiālo) šķidrumu no citozola, un lizosomu, peroksisomu, mitohondriju un citu membrānu intracelulāro organellu membrānas atdala to saturu no citozola. Bioloģiskā membrāna - daļēji caurlaidīga barjera.

Daļēji caurlaidīga membrāna. Bioloģiskā membrāna tiek definēta kā daļēji caurlaidīga, t.i. barjera, kas nav ūdens caurlaidīga, bet caurlaidīga tajā izšķīdinātām vielām (joniem un molekulām).

Daļēji caurlaidīgas audu struktūras. Daļēji caurlaidīgās audu struktūras ietver arī asins kapilāru sienu un dažādus šķēršļus (piemēram, nieru asinsķermenīšu filtrācijas barjeru, plaušu elpošanas daļas aerohemātisko barjeru, hematoencefālisko barjeru un daudzas citas, lai gan šādas barjeras). - papildus bioloģiskajām membrānām (plazmolemma) - ietver arī nemembrānas komponentus. Šādu audu struktūru caurlaidība ir aplūkota sadaļā "Transcelulārā caurlaidība" 4. nodaļa .

Starpšūnu šķidruma un citozola fizikāli ķīmiskie parametri būtiski atšķiras (sk. 2-1. tabulu), un atšķiras arī katras membrānas intracelulārās organellas un citozola parametri. Bioloģiskās membrānas ārējā un iekšējā virsma ir polāra un hidrofila, bet membrānas nepolārais kodols ir hidrofobs. Tāpēc nepolāras vielas var iekļūt lipīdu divslānī. Tajā pašā laikā tieši bioloģiskās membrānas kodola hidrofobiskais raksturs nosaka polāro vielu tiešas iespiešanās neiespējamību caur membrānu.

Nepolāras vielas(piemēram, ūdenī nešķīstošs holesterīns un tā atvasinājumi) brīvi iekļūst bioloģiskajās membrānās. Jo īpaši šī iemesla dēļ steroīdu hormonu receptori atrodas šūnas iekšpusē.

Polārās vielas(piemēram, Na+, K+ C1-, Ca2+ joni; dažādi mazi, bet polāri metabolīti, kā arī cukuri, nukleotīdi, olbaltumvielu un nukleīnskābju makromolekulas) paši no sevis caur bioloģiskajām membrānām neiekļūst. Tāpēc plazmas membrānā ir iebūvēti polāro molekulu (piemēram, peptīdu hormonu) receptori, un otrie kurjeri veic hormonālā signāla pārraidi uz citiem šūnu nodalījumiem.

Selektīva caurlaidība- bioloģiskās membrānas caurlaidība pret noteiktām ķīmiskām vielām) ir svarīga šūnu homeostāzes uzturēšanai. optimāls jonu, ūdens, metabolītu un makromolekulu saturs šūnā. Konkrētu vielu pārvietošanos pa bioloģisko membrānu sauc par transmembrānu transportu (transmembrānu transportu).

Šūnas. Saistīšanās ar signalizācijas molekulu (hormonu vai raidītāju) notiek vienā membrānas pusē, un šūnu reakcija veidojas otrā membrānas pusē. Tādējādi tiem ir unikāla un svarīga loma starpšūnu komunikācijā un signālu pārraidē.

Daudzi transmembrānu receptori sastāv no divām vai vairākām apakšvienībām, kas darbojas saskaņoti un var atdalīties pēc saistīšanās ar ligandu vai mainīt to konformāciju un pāriet uz nākamo aktivizācijas cikla posmu. Tos bieži klasificē, pamatojoties uz to molekulāro struktūru. Vienkāršāko no šiem receptoriem polipeptīdu ķēdes šķērso lipīdu dubultslāni tikai vienu reizi, savukārt daudzas šķērso lipīdu divslāni septiņas reizes (piemēram, G-proteīnu saistītie receptori).

Struktūra

Ārpusšūnu domēns

Ekstracelulārais domēns ir receptora reģions, kas atrodas ārpus šūnas vai organellas. Ja receptoru polipeptīda ķēde vairākas reizes šķērso šūnu, ārējais domēns var sastāvēt no vairākām cilpām. Receptora galvenā funkcija ir sajust hormonu (lai gan daži receptori arī spēj reaģēt uz membrānas potenciāla izmaiņām), un daudzos gadījumos hormons saistās ar šo domēnu.

Transmembrānas domēns

Daži receptori ir arī olbaltumvielu kanāli. Transmembrānas domēns galvenokārt sastāv no transmembrānas α-spirālēm. Dažos receptoros, piemēram, nikotīna acetilholīna receptoros, transmembrānas domēns veido membrānas poru vai jonu kanālu. Kad ekstracelulārais domēns ir aktivizēts (saistīšanās ar hormoniem), kanāls var ļaut joniem iziet cauri. Citos receptoros pēc hormonu saistīšanās transmembrānas domēns maina savu konformāciju, kam ir intracelulāra iedarbība.

Intracelulārais domēns

Intracelulārais jeb citoplazmas domēns mijiedarbojas ar šūnas vai organellu iekšpusi, pārraidot saņemto signālu. Pastāv divi principiāli atšķirīgi šādas mijiedarbības veidi:

• Intracelulārais domēns saistās ar efektoru signalizācijas proteīniem, kas savukārt pārraida signālu pa signalizācijas ķēdi uz galamērķi.
• Ja receptors ir saistīts ar enzīmu vai tam ir fermentatīva aktivitāte, intracelulārais domēns aktivizē fermentu (vai veic fermentatīvu reakciju).

Klasifikācija

Lielākā daļa transmembrānu receptoru pieder vienai no trim klasēm, kas atšķiras ar galveno signālu pārraides mehānismu. Jonotropos un metabotropos transmembrānu receptorus klasificē. Jonotropie receptori jeb receptori, kas saistīti ar jonu kanāliem, ir iesaistīti, piemēram, ātrā sinaptisko signālu pārraidē starp neironiem un citām mērķa šūnām, kas spēj uztvert elektriskos signālus.

Metabotropie receptori pārraida ķīmiskos signālus. Tos iedala divās lielās klasēs: ar G proteīnu saistītie receptori un ar enzīmu saistītie receptori.

Ar G proteīnu saistītus receptorus sauc arī par 7TM receptoriem (septiņu transmembrānu domēna receptoriem). Tie ir transmembrānas proteīni ar ārējo segmentu ligandu saistīšanai, membrānas segmentu un citozola segmentu, kas savienots ar G proteīnu. Tās ir sadalītas sešās klasēs, pamatojoties uz receptoru struktūras un funkciju līdzību, klasēs A-F (vai 1-6), kuras savukārt ir sadalītas daudzās ģimenēs. Šajā klasē ietilpst maņu orgānu receptori un adrenerģiskie receptori.

Tāpat kā GPCR, ar enzīmiem saistītie receptori ir transmembrānas proteīni, kuru ligandu saistošais domēns atrodas membrānas ārpusē. Atšķirībā no GPCR, to citozola domēns nav saistīts ar G proteīnu, bet tam ir fermentatīvā aktivitāte vai tas tieši saistās ar fermentu. Parasti septiņu segmentu, piemēram, GPCR, vietā šādiem receptoriem ir tikai viens transmembrānas segments. Šie receptori var ietvert tādus pašus signalizācijas ceļus kā GPCR. Šajā klasē ietilpst, piemēram, insulīna receptori.

Ir sešas galvenās ar enzīmu saistītu receptoru klases:

• Receptoru tirozīna kināzes - var tieši fosforilēt tirozīna atlikumus gan pašiem, gan nelielam intracelulāro signalizācijas proteīnu kopumam.
• Ar tirozīna kināzi saistītie receptori paši nav aktīvi enzīmi, bet tiešā veidā saista citoplazmas tirozīna kināzes, lai pārraidītu signālus.
• Receptoru serīna-treonīna kināzes - var tieši fosforilēt serīna vai treonīna atlikumus gan pašu, gan gēnu regulējošo proteīnu atlikumus, ar kuriem tie saistās.
• Ar histidīna kināzēm saistītie receptori aktivizē divpakāpju signalizācijas ceļu, kurā kināze fosforilē pati savu histidīnu un nekavējoties pārnes fosfātu uz otru intracelulāro signālu proteīnu.
• Receptoru guanilāta ciklāzes - tieši katalizē cGMP molekulu veidošanos citozolā, kas darbojas kā mazs intracelulārs sūtnis, izmantojot mehānismus, kas lielā mērā ir līdzīgi cAMP.
• Receptoriem līdzīgās tirozīna fosfatāzes - atdala fosfātu grupas no intracelulāro signālu proteīnu tirozīniem. Tos sauc par receptoriem, jo ​​to kā receptoru darbības mehānisms joprojām nav skaidrs.

regula

Šūnā ir vairāki veidi, kā regulēt transmembrānu receptoru aktivitāti, svarīgākie veidi ir receptoru fosforilēšana un internalizācija.

Skatīt arī

Piezīmes

Wikimedia fonds. 2010. gads.

Skatiet, kas ir “transmembrānu receptori” citās vārdnīcās:

Acetilholīns Holīnerģiskie receptori (acetilholīna receptori) transmembrānu receptori, kuru ligands ir acetilholīns ... Wikipedia

Transmembrānas receptori ir membrānas proteīni, kas atrodas un darbojas ne tikai ārējā šūnas membrānā, bet arī šūnu nodalījumu un organellu membrānās. Saistīšanās ar signalizācijas molekulu (hormonu vai mediatoru) notiek ar vienu ... ... Wikipedia - Neuropilin 1 Apzīmējumi Simboli NRP1 Entrez Gene ... Wikipedia

Sensora rodopsīna II kompleksa un devēja proteīna dimērs. Sensorais rodopsīns ir parādīts zilā krāsā. Skats membrānas plaknē. Sensorais rodopsis ... Wikipedia

Aktīvā viela ›› Alfa horiogonadotropīns* (Choriogonadotropin alfa*) Latīņu nosaukums Ovitrelle ATX: ›› G03GA08 Choriogonadotropin alfa Farmakoloģiskā grupa: hipotalāma, hipofīzes hormoni, gonadotropīni un to antagonisti... ... Zāļu vārdnīca

Proteīnkināze A ir proteīnkināze, kuras aktivitāte ir atkarīga no cAMP līmeņa šūnā. Proteīnkināze A aktivizē un inaktivē fermentus un citus proteīnus, izmantojot fosforilāciju (tas ir, pievienojot fosfātu grupu). Saturs... ...Wikipedia

Proteīnkināze A ir proteīnkināze, kuras aktivitāte ir atkarīga no cAMP līmeņa šūnā. Proteīnkināze A aktivizē un inaktivē fermentus un citus proteīnus, pateicoties fosforilēšanai (tas ir, fosfātu grupas pievienošanai). Saturs 1... ...Wikipedia