Transmembránové receptory. Transmembránový proteín Konečný produkt transmembránových proteínov

: charakteristiky a konštrukčné princípy

1. Štruktúra membránových proteínov

Hlavnou úlohou lipidov v membránach je stabilizácia dvojvrstvovej štruktúry a proteíny sú aktívnymi zložkami biomembrán. Budeme diskutovať o niektorých princípoch, ktoré sa ukázali ako užitočné pri objasňovaní štrukturálnych vlastností membránových proteínov. Na ilustráciu týchto princípov uvedieme príklady.

Na úsvite vývoja membránológie sa verilo, že membránové proteíny sú vo svojej štruktúre celkom homogénne a na povrchu dvojvrstvy sú uložené vo forme 3 vrstiev. Teraz sa viac prikláňame k názoru, že aspoň pre transmembránové proteíny tie ich časti, ktoré sú ponorené do membrány, obsahujú a-helixy. Samozrejme, veľmi rád by som v tejto veci vyvodil nejaké jednoznačné závery, ktoré však musia byť založené na faktických údajoch. Tvárou v tvár obrovskej štrukturálnej rozmanitosti rozpustných proteínov sa prichádza k záveru, že integrálne membránové proteíny môžu byť oveľa zložitejšie, ako si v súčasnosti predstavujeme. Klasifikácia rozpustných proteínov podľa typu štruktúry sa uskutočnila až po stanovení štruktúr viac ako 100 rôznych proteínov vo vysokom rozlíšení. Čo sa týka transmembránových proteínov, tak to bolo urobené len v jednom prípade – pre proteín fotosyntetického reakčného centra baktérií. Spolu s údajmi z elektrónovej mikroskopie s nízkym rozlíšením o štruktúre bakteriorhodopsínu je to jediný zdroj, na ktorom môžu byť založené modely pre väčšinu ostatných transmembránových proteínov.

Ďalším dôležitým bodom sú spôsoby pripojenia proteínov k membráne. Schematicky sú znázornené na obr. 3.1.

1. Väzba s proteínmi ponorenými do dvojvrstvy. Príklady zahŕňajú Fi časť H+-ATPázy, ktorá sa viaže na Fo časť uloženú v membráne; Možno spomenúť aj niektoré cytoskeletálne proteíny.

2. Väzba na dvojvrstvový povrch. Táto interakcia je primárne elektrostatickej alebo hydrofóbnej povahy. Na povrchu niektorých membránových proteínov sú hydrofóbne domény vytvorené v dôsledku charakteristík sekundárnej alebo terciárnej štruktúry. Tieto povrchové interakcie môžu byť použité popri iných interakciách, ako je transmembránové ukotvenie.

3.Väzba pomocou hydrofóbnej „kotvy“; táto štruktúra je zvyčajne odhalená ako sekvencia nepolárnych aminokyselinových zvyškov. Niektoré membránové proteíny využívajú ako kotvy kovalentne viazané mastné kyseliny alebo fosfolipidy.

4. Transmembránové proteíny. Niektoré z nich prechádzajú cez membránu len raz, iné niekoľkokrát.

Rozdiely medzi proteínmi vonkajšej a vnútornej membrány neurčujú jednoznačne spôsob ich pripojenia k dvojvrstve; tieto rozdiely určujú len relatívnu silu ich väzby.

2. Purifikácia membránových proteínov

Na čistenie integrálnych membránových proteínov a ich získanie v biochemicky aktívnej forme sú potrebné detergenty na solubilizáciu proteínov a ich uchovanie v roztoku. Súvisiace požiadavky na detergenty a manipulácia s nimi predstavujú ďalšie výzvy okrem tých, ktoré sa bežne vyskytujú pri čistení proteínov. Na izoláciu integrálnych membránových proteínov bolo vyvinutých mnoho špecifických metód, ale väčšina purifikačných schém je založená na rovnakých chromatografických a hydrodynamických technikách používaných pre rozpustné proteíny. Ide o chromatografiu na DEAE-celulóze, Sepharose alebo hydroxyl-patite, gélovú filtráciu, odstreďovanie v hustotnom gradiente sacharózy atď. Správny výber detergentu je veľmi dôležitý, pretože práve detergent ničí biomembránu a nahrádza lipidy. obklopuje konkrétny proteín a určuje stabilitu proteínu v roztoku. Mechanizmy účinku detergentov sú diskutované v prehľade.

2.1. DETERGENTY

Počas posledných dvoch desaťročí bolo k dispozícii veľké množstvo detergentov vhodných na čistenie integrálnych membránových proteínov. V zásade by sa malo pokúsiť nájsť detergent, ktorý by nenarušil sekundárne a terciárne štruktúry membránových proteínov, ale nahradil by iba väčšinu alebo všetky membránové lipidy v kontakte s hydrofóbnymi oblasťami proteínovej molekuly. Konečným cieľom solubilizácie je začlenenie proteínu do detergentnej micely; následnou purifikačnou stratégiou je oddelenie takýchto komplexov proteín-detergent.

Prvým problémom je výber optimálnych podmienok pre solubilizáciu študovaného proteínu. Čistiace prostriedky denaturujúce bielkoviny nie sú vhodné na túto jemnú úlohu. Na druhej strane mnohé detergenty účinne neničia membrány a vytvárajú zmiešané micely obsahujúce proteín. Takéto detergenty môžu byť buď príliš hydrofóbne alebo príliš hydrofilné na to, aby sa účinne zmiešali s membránovými lipidmi a ak je ich koncentrácia dostatočne vysoká, aby premenili dvojvrstvu na globulárne zmiešané micely. Najprv sa dúfalo, že výber požadovaného detergentu by mohol byť systematizovaný pomocou jediného parametra nazývaného hydrofilno-lipofilná rovnováha. Tento parameter, ktorý sa pohybuje od 1 do 20, sa používa pri príprave povrchovo aktívnych látok ako miera relatívnej hydrofóbnosti. Boli získané určité korelácie, z ktorých vyplýva, že hodnota HLB detergentu sa môže použiť na predpovedanie jeho správania v biologických systémoch. Vo všeobecnosti možno povedať, že detergenty s hodnotou HLB v rozsahu 12,5 až 14,5 sú najúčinnejšie rozpúšťadlá pre integrálne membránové proteíny. Následne sa však ukázalo, že hľadanie optimálnych detergentov pre konkrétny membránový proteín si vyžaduje zohľadnenie mnohých faktorov a malo by byť vždy sprevádzané empirickým testovaním. Je potrebné vziať do úvahy nasledovné.

1. Maximálna solubilizácia študovaného proteínu. Kritériom je prenos proteínu do supernatantu po centrifugácii, počas ktorej membrána sedimentuje.

2.Solubilizácia proteínu v požadovanej forme. Zvyčajne hovoríme o zachovaní jeho enzymatickej aktivity, ale niekedy sa využívajú určité spektrálne charakteristiky alebo prítomnosť špecifických proteínových asociátov. Okrem toho je predpokladom stabilita proteínu po solubilizácii. V niektorých prípadoch sa spolu s detergentom pridávajú exogénne fosfolipidy na udržanie biochemickej aktivity. Príkladom je produkcia E. coli laktózovej permeázy a proteínu sodíkového kanála. Na stabilizáciu proteínu po solubilizácii sa niekedy pridáva glycerol alebo iný polyol. Má zmysel použiť aj inhibítory proteázy a uskutočniť solubilizáciu za podmienok, ktoré minimalizujú pravdepodobnosť ich proteolytickej degradácie.

3. Možnosť použitia pracieho prostriedku pri tejto technike. V prvom rade je potrebné vziať do úvahy náplň pracieho prostriedku, správanie sa pri danej hodnote pH, CMC a veľkosť miciel pracieho prostriedku. Posledne menované vlastnosti sú obzvlášť dôležité. Detergenty s nízkym CMC, ktoré tvoria veľké micely, sa neodstránia dialýzou alebo ultrafiltráciou, pretože koncentrácia detergentných monomérov je príliš nízka. V praxi to znamená, že ak sa proteín zahustí ultrafiltráciou, zvýši sa aj koncentrácia detergentu s nízkym CMC, čo môže viesť k denaturácii proteínu. Z tohto dôvodu mnohí výskumníci uprednostňujú použitie detergentov s vysokým CMC, ako je oktylglukozid, žlčové soli alebo modernejšie zwitteriónové detergenty. Polystyrénové živice, ako je Biobidz SM-2, sú veľmi cenné. Selektívne sa viažu na detergenty ako Triton X-100, odstraňujú ich z roztoku a umožňujú úplne bez dialýzy. Ďalším faktorom, ktorý treba zvážiť, je absorpcia svetla čistiaceho prostriedku. Niektoré detergenty, ako napríklad Triton X-100, absorbujú v oblasti blízkej UV, čo znemožňuje určiť koncentráciu proteínu meraním absorbancie pri 280 nm.

Ak vezmeme do úvahy všetky tieto faktory, je jasné, prečo je v mnohých prípadoch potrebné použiť rôzne detergenty pri izolácii integrálnych membránových proteínov. Napríklad Triton X-100 sa môže použiť na solubilizáciu, ale separácia s DEAE-celulózou sa najlepšie uskutoční v prítomnosti oktylglukozidu. Detergenty sa môžu meniť v chromatografickej fáze, počas centrifugácie v hustotnom gradiente a v niektorých prípadoch prostredníctvom dialýzy. Malo by sa pamätať na to, že detergent, ktorý nie je vhodný na solubilizáciu konkrétneho proteínu, môže byť veľmi účinný pri udržiavaní proteínu v roztoku po výmene detergentu. Čistenie by sa malo takmer vždy vykonávať s nadbytkom detergentu v roztoku, inak sa rovnováha posunie skôr smerom k agregácii membránových proteínov než k tvorbe komplexov proteín-detergent. V niektorých prípadoch môže byť takáto agregácia dokonca žiaduca a konečným krokom čistenia môže byť odstránenie detergentu. Ale spravidla pri nedostatku pracieho prostriedku dochádza k nevratnému zrážaniu a strate bielkovín.

Potreba udržiavať koncentráciu detergentu na určitej úrovni vytvára ďalšie ťažkosti okrem tých, s ktorými sa bežne stretávame pri čistení proteínov; O niektorých sme už hovorili. Problémy vznikajú aj pri použití štandardnej metódy vysolovania pri vysokých koncentráciách síranu amónneho: v mnohých prípadoch sa proteín vyzráža v kombinácii s detergentom a lipidom. Pretože fyziologický roztok má vysokú hustotu a detergent v agregáte je relatívne nízky, počas odstreďovania zostane zrazenina na povrchu. Je dôležité si uvedomiť, že komplexy proteín-detergent podliehajú čisteniu, často s významným množstvom viazaného fosfolipidu. To ovplyvňuje kvalitu separácie pri chromatografii, ako aj výsledky charakterizácie finálnych pro-rozpustných proteínov, je potrebné určiť počet a molekulovú hmotnosť polypeptidových podjednotiek, ich stechiometriu, veľkosť a prípadne tvar molekula, ako aj v prípade potreby biochemická aktivita.

Lipidy v membránach sú primárne zodpovedné za ich štruktúrne vlastnosti – vytvárajú dvojvrstvu, čiže matricu, v ktorej sa nachádzajú aktívne zložky membrány – proteíny. Práve proteíny dodávajú rôznym membránam ich jedinečnosť a poskytujú špecifické vlastnosti. Početné membránové proteíny plnia tieto hlavné funkcie: určujú prenos látok cez membrány (transportné funkcie), vykonávajú katalýzu, zabezpečujú procesy foto- a oxidačnej fosforylácie, replikáciu DNA, transláciu a modifikáciu proteínov, príjem a prenos signálu. nervové impulzy atď.

Je obvyklé rozdeliť membránové proteíny do 2 skupín: integrálne(interné) a periférne(externé). Kritériom takejto separácie je stupeň sily väzby proteínu na membránu, a teda stupeň náročnosti spracovania potrebného na extrakciu proteínu z membrány. Periférne proteíny sa teda môžu uvoľniť do roztoku aj vtedy, keď sa membrány premyjú tlmivými zmesami s nízkou iónovou silou, nízkymi hodnotami pH v prítomnosti chelatačných látok, ako je etyléndiamíntetraacetát (EDTA), ktoré viažu dvojmocné katióny. Periférne proteíny sa uvoľňujú z membrán za takýchto miernych podmienok, pretože sú spojené s lipidovými hlavami alebo s inými membránovými proteínmi pomocou slabých elektrostatických interakcií alebo s hydrofóbnymi interakciami s lipidovými koncami. Naopak, integrálne proteíny sú amfifilné molekuly, majú na svojom povrchu veľké hydrofóbne oblasti a nachádzajú sa vo vnútri membrány, takže ich extrakcia vyžaduje deštrukciu dvojvrstvy. Na tieto účely sa najčastejšie používajú saponáty alebo organické rozpúšťadlá. Spôsoby naviazania proteínov na membránu sú dosť rôznorodé (obr. 4.8).

Transportné proteíny. Lipidová dvojvrstva je nepriepustnou bariérou pre väčšinu molekúl a iónov rozpustných vo vode a ich transport cez biomembrány závisí od aktivity transportných proteínov. Existujú dva hlavné typy týchto proteínov: kanály(póry) a dopravcov. Kanály sú tunely prechádzajúce membránou, v ktorých sú väzbové miesta pre transportované látky prístupné na oboch membránových povrchoch súčasne. Kanály neprechádzajú pri preprave látok žiadnymi konformačnými zmenami, ich konformácia sa mení len pri otváraní a zatváraní. Nosiče, naopak, menia svoju konformáciu počas prenosu látok cez membránu. Okrem toho je väzobné miesto transportovanej látky v nosiči kedykoľvek prístupné len na jednom povrchu membrány.

Kanály možno rozdeliť do dvoch hlavných skupín: napäťovo závislé a chemicky regulované. Príkladom potenciálne závislého kanála je Na+ kanál, ktorého činnosť je regulovaná zmenou napätia elektrického poľa. Inými slovami, tieto kanály sa otvárajú a zatvárajú v reakcii na zmenu transmembránový potenciál. Chemicky regulované kanály

otvárať a zatvárať v reakcii na väzbu špecifických chemických činidiel. Napríklad nikotínový acetylcholínový receptor, keď sa naň naviaže neurotransmiter, prechádza do otvorenej konformácie a umožňuje prechod monovalentných katiónov (pododdiel 4.7 tejto kapitoly). Pojmy „pór“ a „kanál“ sa zvyčajne používajú zameniteľne, ale póry sa častejšie chápu ako neselektívne štruktúry, ktoré rozlišujú látky najmä podľa veľkosti a umožňujú priechod všetkým dostatočne malým molekulám. Kanály sa často chápu ako iónové kanály. Rýchlosť transportu cez otvorený kanál dosahuje 10 6 - 10 8 iónov za sekundu.

Transportéry možno tiež rozdeliť do 2 skupín: pasívne a aktívne. Pomocou pasívnych nosičov je cez membránu transportovaný jeden druh látky. Pasívne transportéry sú zapojené do uľahčená difúzia a len zvyšujú tok látok pozdĺž elektrochemického gradientu (napríklad prenos glukózy cez membrány erytrocytov). Aktívne nosiče transportujú látky cez membránu pomocou energie. Tieto transportné proteíny akumulujú látky na jednej strane membrány a transportujú ich proti elektrochemickému gradientu. Rýchlosť dopravy pomocou nosičov veľmi závisí od ich typu a pohybuje sa od 30 do 10 5 s -1. Pojmy „permease“ a „translocase“ sa často používajú na označenie jednotlivých prepravcov, ktoré možno považovať za synonymá pojmu „prepravca“.

Enzýmové funkcie membránových proteínov. V bunkových membránach funguje veľké množstvo rôznych enzýmov. Niektoré z nich sú lokalizované v membráne, kde nachádzajú vhodné prostredie na premenu hydrofóbnych zlúčenín, iné sa v nich vďaka účasti membrán nachádzajú v prísnom poradí, katalyzujú po sebe nasledujúce fázy životne dôležitých procesov, zatiaľ čo iné vyžadujú asistenciu. lipidov na stabilizáciu ich konformácie a udržanie aktivity. V biomembránach sa našli enzýmy - zástupcovia všetkých známych tried. Môžu prenikať cez membránu, byť v nej prítomné v rozpustenej forme, alebo ako periférne proteíny sa viazať na membránové povrchy ako odpoveď na akýkoľvek signál. Je možné rozlíšiť nasledujúce charakteristické typy membránových enzýmov:

1) transmembránové enzýmy, ktoré katalyzujú spojené reakcie na opačných stranách membrány. Tieto enzýmy majú zvyčajne niekoľko aktívnych centier umiestnených na opačných stranách membrány. Typickými predstaviteľmi takýchto enzýmov sú zložky dýchacieho reťazca alebo fotosyntetické redoxné centrá, ktoré katalyzujú redoxné procesy spojené s transportom elektrónov a tvorbou iónových gradientov na membráne;

2) transmembránové enzýmy podieľajúce sa na transporte látok. Transportné proteíny, ktoré spájajú prenos látky s hydrolýzou ATP, majú napríklad katalytickú funkciu;

3) enzýmy, ktoré katalyzujú transformáciu substrátov viazaných na membránu. Tieto enzýmy sa podieľajú na metabolizme membránových zložiek: fosfolipidy, glykolipidy, steroidy atď.

4) enzýmy zapojené do transformácie vo vode rozpustných substrátov. Pomocou membrán, najčastejšie v pripojenom stave, sa môžu enzýmy koncentrovať v tých oblastiach membrány, kde je obsah ich substrátov najväčší. Napríklad enzýmy, ktoré hydrolyzujú proteíny a škrob, sú pripojené k membránam črevných mikroklkov, čo pomáha zvýšiť rýchlosť rozkladu týchto substrátov.

Cytoskeletálne proteíny . Cytoskelet je komplexná sieť proteínových vlákien rôznych typov a je prítomný iba v eukaryotických bunkách. Cytoskelet poskytuje mechanickú podporu plazmatickej membráne a dokáže určiť tvar bunky, ako aj umiestnenie organel a ich pohyb počas mitózy. Za účasti cytoskeletu sa uskutočňujú aj také dôležité procesy pre bunku, ako je endo- a exocytóza, fagocytóza a améboidný pohyb. Cytoskelet je teda dynamickým rámcom bunky a určuje jej mechaniku.

Cytoskelet je tvorený tromi typmi vlákien:

1) mikrovlákna(priemer ~6 nm). Sú to vláknité organely - polyméry globulárneho proteínu aktínu a iných proteínov s ním spojených;

2) medziľahlé vlákna (priemer 8-10 nm). Tvorené keratínmi a príbuznými proteínmi;

3) mikrotubuly(priemer ~ 23 nm) - dlhé rúrkové štruktúry.

Pozostávajú z globulárneho proteínu nazývaného tubulín, ktorého podjednotky tvoria dutý valec. Dĺžka mikrotubulov môže dosiahnuť niekoľko mikrometrov v cytoplazme buniek a niekoľko milimetrov v axónoch nervov.

Uvedené cytoskeletálne štruktúry prenikajú do bunky v rôznych smeroch a sú úzko spojené s membránou a v niektorých bodoch sa k nej pripájajú. Tieto úseky membrány hrajú dôležitú úlohu pri medzibunkových kontaktoch, s ich pomocou sa bunky môžu prichytiť k substrátu. Tiež hrajú dôležitú úlohu pri transmembránovej distribúcii lipidov a proteínov v membránach.

Proteíny spojené s polárnymi hlavami membránových lipidov

Proteíny, ktoré tvoria komplexy s integrálnymi membránovými proteínmi

Povrchové proteíny

Povrchové proteíny sa často pripájajú k membráne a interagujú s integrálnymi proteínmi alebo povrchovými oblasťami lipidovej vrstvy.

Množstvo tráviacich enzýmov zapojených do hydrolýzy škrobu a bielkovín je naviazaných na integrálne membránové proteíny črevných mikroklkov.

Príkladmi takýchto komplexov sú sacharáza-izomaltáza a maltáza-glykoamyláza. Možno spojenie týchto tráviacich enzýmov s membránou umožňuje hydrolýzu substrátov vysokou rýchlosťou a absorpciu produktov hydrolýzy bunkou.

Polárne alebo nabité domény molekuly proteínu môžu interagovať s polárnymi hlavami lipidov a vytvárať iónové a vodíkové väzby. Okrem toho sa mnohé proteíny rozpustné v cytosóle môžu za určitých podmienok na krátky čas viazať na povrch membrány. Niekedy je nevyhnutnou podmienkou pre prejav enzymatickej aktivity väzba na bielkoviny. Takéto proteíny napríklad zahŕňajú proteínkinázu C a faktory zrážania krvi.

Upevnenie pomocou membránovej "kotvy"

„Kotva“ môže byť nepolárna proteínová doména vybudovaná z aminokyselín s hydrofóbnymi radikálmi. Príkladom takéhoto proteínu je cytochróm b 5 membrány ER. Tento proteín sa podieľa na redoxných reakciách ako nosič elektrónov.

Úlohu membránovej „kotvy“ môže plniť aj zvyšok mastnej kyseliny kovalentne naviazaný na proteín (myristický - C 14 alebo palmitový - C 16). Proteíny spojené s mastnými kyselinami sa nachádzajú hlavne na vnútornom povrchu plazmatickej membrány. Kyselina myristová sa pridáva k N-terminálnemu glycínu za vzniku amidovej väzby. Kyselina palmitová tvorí tioesterovú väzbu s cysteínom alebo esterovú väzbu so serínovými a treonínovými zvyškami.

Malá skupina proteínov môže interagovať s vonkajším povrchom bunky pomocou fosfatidylinozitolglykánového proteínu kovalentne pripojeného k C-koncu proteínu. Táto „kotva“ je často jediným spojením medzi proteínom a membránou, preto sa pôsobením fosfolipázy C tento proteín oddelí od membrány.

Niektoré z transmembránových proteínov preklenú membránu raz (glykoforín), iné majú niekoľko oblastí (domén), ktoré postupne prechádzajú cez dvojvrstvu.

Integrálne membránové proteíny obsahujúce 1 až 12 transmembránových domén. 1- LDL receptor; 2 - GLUT-1 - transportér glukózy; 3 - inzulínový receptor; 4 - adrenoreceptor.

Transmembránové domény preklenujúce dvojvrstvu majú a-helikálnu konformáciu. Polárne aminokyselinové zvyšky smerujú do vnútra globule a nepolárne sú v kontakte s membránovými lipidmi. Takéto proteíny sa nazývajú „invertované“ v porovnaní s proteínmi rozpustnými vo vode, v ktorých je väčšina hydrofóbnych zvyškov aminokyselín skrytá vo vnútri a hydrofilné sú umiestnené na povrchu.

Biologické membrány, nachádzajúce sa na hranici bunky a extracelulárneho priestoru, ako aj na hranici membránových organel bunky (mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex, lyzozómy, peroxizómy, jadro, membránové vezikuly) a cytozol sú nevyhnutné pre fungovanie bunky ako celku a jej organel. Bunkové membrány majú v podstate podobnú molekulárnu organizáciu. V tejto kapitole sa o biologických membránach diskutuje predovšetkým na príklade plazmatickej membrány (plazmolemy), ktorá oddeľuje bunku od extracelulárneho prostredia.

akýkoľvek biologická membrána(obr. 2–1) pozostáva z fosfolipidy(~ 50 %) a bielkoviny (až 40 %). V menšom množstve membrána obsahuje ďalšie lipidy, cholesterol a sacharidy.

Ryža. 2–1. pozostáva z dvojitej vrstvy fosfolipidy, ktorého hydrofilné časti (hlavy) smerujú k povrchu membrány a hydrofóbne časti (chvosty, ktoré stabilizujú membránu vo forme dvojvrstvy) do membrány. I - integrálne bielkoviny ponorený do membrány. T - transmembránové proteíny preniknú cez celú hrúbku membrány. P - periférne proteíny umiestnené buď na vonkajšom alebo vnútornom povrchu membrány.

Fosfolipidy. Fosfolipidová molekula pozostáva z polárnej (hydrofilnej) časti (hlavy) a nepolárneho (hydrofóbneho) dvojitého uhľovodíkového chvosta. Vo vodnej fáze fosfolipidové molekuly automaticky agregujú chvost s chvostom, čím vytvárajú kostru biologickej membrány (obr. 2-1 a 2-2) vo forme dvojitej vrstvy (dvojvrstvy). Takže v membráne sú konce fosfolipidov (mastných kyselín) nasmerované do dvojvrstvy a hlavy obsahujúce fosfátové skupiny sú nasmerované von.

Kyselina arachidónová. Kyselina arachidónová sa uvoľňuje z membránových fosfolipidov – prekurzora Pg, tromboxánov, leukotriénov a množstva ďalších biologicky aktívnych látok s mnohými funkciami (zápalové mediátory, vazoaktívne faktory, druhí poslovia atď.).

Lipozómy- membránové vezikuly umelo pripravené z fosfolipidov s priemerom 25 nm až 1 μm. Lipozómy používané ako modely biologických membrán, ako aj na zavádzanie rôznych látok (napríklad génov, liečiv) do buniek; posledná okolnosť je založená na skutočnosti, že membránové štruktúry (vrátane lipozómov) sa ľahko spájajú (v dôsledku fosfolipidovej dvojvrstvy).

Veveričky biologické membrány sa delia na integrálne (vrátane transmembránových) a periférne (obr. 2-1 a 2-2).

Integrálne membránové proteíny (globulárne) uložené v lipidovej dvojvrstve. Ich hydrofilné aminokyseliny interagujú s fosfátovými skupinami fosfolipidov a ich hydrofóbne aminokyseliny interagujú s reťazcami mastných kyselín. Integrálne membránové proteíny zahŕňajú adhézne proteíny a niektoré receptorové proteíny (membránové receptory).

Transmembránový proteín - molekula proteínu, ktorá prechádza celou hrúbkou membrány a vyčnieva z nej na vonkajšom aj vnútornom povrchu. Transmembránové proteíny zahŕňajú póry, iónové kanály, transportéry, pumpy a niektoré receptorové proteíny.

Póry a kanály- transmembránové dráhy, po ktorých sa voda, ióny a molekuly metabolitov pohybujú medzi cytozolom a medzibunkovým priestorom (a v opačnom smere).

vektory vykonávať transmembránový pohyb špecifických molekúl (vrátane v kombinácii s prenosom iónov alebo molekúl iného typu).

Čerpadlá pohyb iónov proti ich koncentračným a energetickým gradientom (elektrochemický gradient) pomocou energie uvoľnenej hydrolýzou ATP.

Proteíny periférnej membrány (fibrilárne a globulárne) sa nachádzajú na jednom z povrchov bunkovej membrány (vonkajšej alebo vnútornej) a sú nekovalentne spojené s integrálnymi membránovými proteínmi.

Príklady periférnych membránových proteínov spojených s vonkajším povrchom membrány sú - receptorové proteíny A adhéznych proteínov.

Príklady periférnych membránových proteínov spojených s vnútorným povrchom membrány sú - proteíny cytoskeletu, proteíny systému druhého posla, enzýmy a iné bielkoviny.

Bočná pohyblivosť. Integrálne proteíny sa môžu redistribuovať v membráne v dôsledku interakcie s periférnymi proteínmi, cytoskeletálnymi prvkami, molekulami v membráne susednej bunky a zložkami extracelulárnej matrice.

Sacharidy(hlavne oligosacharidy) sú súčasťou glykoproteínov a glykolipidov membrány a tvoria 2–10 % jej hmoty (obr. 2–2). Lektíny interagujú so sacharidmi na povrchu buniek. Oligosacharidové reťazce vyčnievajú na vonkajšom povrchu bunkových membrán a tvoria povrchovú škrupinu - glykokalyx.

Glykokalyx má hrúbku asi 50 nm a pozostáva z oligosacharidov kovalentne spojených s glykoproteínmi a glykolipidmi plazmalémy. Funkcie glykokalyx: medzibunkové rozpoznávanie, medzibunkové interakcie, parietálne trávenie (glykokalyx pokrývajúci mikroklky hraničných buniek črevného epitelu obsahuje peptidázy a glykozidázy, ktoré dokončujú rozklad bielkovín a sacharidov).

Priepustnosť membrány

Membránová dvojvrstva oddeľuje dve vodné fázy. Plazmatická membrána teda oddeľuje medzibunkovú (intersticiálnu) tekutinu od cytosólu a membrány lyzozómov, peroxizómov, mitochondrií a iných membránových intracelulárnych organel oddeľujú ich obsah od cytosólu. Biologická membrána – polopriepustná bariéra.

Polopriepustná membrána. Biologická membrána je definovaná ako semipermeabilná, t.j. bariéra, ktorá nie je priepustná pre vodu, ale prepúšťa látky v nej rozpustené (ióny a molekuly).

Semipermeabilné tkanivové štruktúry. K polopriepustným tkanivovým štruktúram patrí aj stena krvných vlásočníc a rôzne bariéry (napríklad filtračná bariéra obličkových teliesok, aerohematická bariéra dýchacej časti pľúc, hematoencefalická bariéra a mnohé ďalšie, aj keď takéto bariéry - okrem biologických membrán (plazmolema) - zahŕňajú aj nemembránové zložky.O permeabilite takýchto tkanivových štruktúr sa hovorí v časti "Transcelulárna permeabilita" Kapitola 4 .

Fyzikálno-chemické parametre medzibunkovej tekutiny a cytosólu sú výrazne odlišné (pozri tabuľku 2-1) a odlišné sú aj parametre každej membránovej intracelulárnej organely a cytosólu. Vonkajšie a vnútorné povrchy biologickej membrány sú polárne a hydrofilné, ale nepolárne jadro membrány je hydrofóbne. Preto môžu nepolárne látky preniknúť do lipidovej dvojvrstvy. Zároveň je to práve hydrofóbnosť jadra biologickej membrány, ktorá určuje zásadnú nemožnosť priameho prieniku polárnych látok cez membránu.

Nepolárne látky(napríklad vo vode nerozpustný cholesterol a jeho deriváty) voľne prenikajú biologickými membránami. Najmä z tohto dôvodu sú receptory steroidných hormónov umiestnené vo vnútri bunky.

Polárne látky(napríklad ióny Na+, K+ C1-, Ca2+; rôzne malé, ale polárne metabolity, ako aj cukry, nukleotidy, makromolekuly bielkovín a nukleových kyselín) samy o sebe neprenikajú biologickými membránami. Preto sú receptory pre polárne molekuly (napríklad peptidové hormóny) zabudované do plazmatickej membrány a druhí poslovia vykonávajú prenos hormonálneho signálu do iných bunkových kompartmentov.

Selektívna priepustnosť- priepustnosť biologickej membrány pre špecifické chemikálie) je dôležitá pre udržanie bunkovej homeostázy. optimálny obsah iónov, vody, metabolitov a makromolekúl v bunke. Pohyb špecifických látok cez biologickú membránu sa nazýva transmembránový transport (transmembránový transport).

Bunky. Väzba na signálnu molekulu (hormón alebo transmiter) prebieha na jednej strane membrány a bunková odpoveď sa vytvára na druhej strane membrány. Preto hrajú jedinečnú a dôležitú úlohu v medzibunkovej komunikácii a prenose signálu.

Mnohé transmembránové receptory sú zložené z dvoch alebo viacerých podjednotiek, ktoré pôsobia v zhode a môžu disociovať po naviazaní na ligand alebo zmeniť svoju konformáciu a prejsť do ďalšej fázy aktivačného cyklu. Často sú klasifikované na základe ich molekulárnej štruktúry. Polypeptidové reťazce najjednoduchšieho z týchto receptorov prechádzajú lipidovou dvojvrstvou iba raz, zatiaľ čo mnohé prechádzajú lipidovou dvojvrstvou sedemkrát (napríklad receptory spojené s G-proteínom).

Štruktúra

Extracelulárna doména

Extracelulárna doména je oblasť receptora, ktorá sa nachádza mimo bunky alebo organely. Ak receptorový polypeptidový reťazec prechádza bunkou niekoľkokrát, vonkajšia doména môže pozostávať z niekoľkých slučiek. Primárnou funkciou receptora je snímať hormón (hoci niektoré receptory sú tiež schopné reagovať na zmeny membránového potenciálu) av mnohých prípadoch sa hormón viaže na túto doménu.

Transmembránová doména

Niektoré receptory sú tiež proteínové kanály. Transmembránová doména pozostáva hlavne z transmembránových a-helixov. V niektorých receptoroch, ako je napríklad nikotínový acetylcholínový receptor, tvorí transmembránová doména membránový pór alebo iónový kanál. Akonáhle je aktivovaná extracelulárna doména (väzba hormónov), kanál môže umožniť prechod iónov. V iných receptoroch transmembránová doména po väzbe hormónov mení svoju konformáciu, čo má intracelulárny účinok.

Intracelulárna doména

Intracelulárna alebo cytoplazmatická doména interaguje s vnútrom bunky alebo organely a prenáša prijatý signál. Existujú dva zásadne odlišné spôsoby takejto interakcie:

• Intracelulárna doména sa viaže na efektorové signálne proteíny, ktoré následne prenášajú signál pozdĺž signálneho reťazca na miesto určenia.
• Ak je receptor spojený s enzýmom alebo sám má enzymatickú aktivitu, vnútrobunková doména aktivuje enzým (alebo uskutoční enzymatickú reakciu).

Klasifikácia

Väčšina transmembránových receptorov patrí do jednej z troch tried, ktoré sa vyznačujú hlavným mechanizmom prenosu signálu. Ionotropné a metabotropné transmembránové receptory sú klasifikované. Ionotropné receptory alebo receptory spojené s iónovými kanálmi sa podieľajú napríklad na rýchlom prenose synaptických signálov medzi neurónmi a inými cieľovými bunkami, ktoré dokážu snímať elektrické signály.

Metabotropné receptory prenášajú chemické signály. Sú rozdelené do dvoch veľkých tried: receptory spojené s G proteínom a receptory spojené s enzýmom.

Receptory spojené s G proteínom sa tiež nazývajú 7TM receptory (receptory so siedmimi transmembránovými doménami). Sú to transmembránové proteíny s vonkajším segmentom na väzbu ligandu, membránovým segmentom a cytosolickým segmentom spojeným s G proteínom. Sú rozdelené do šiestich tried na základe podobnosti štruktúry a funkcie receptorov, triedy A-F (alebo 1-6), ktoré sú zase rozdelené do mnohých rodín. Táto trieda zahŕňa receptory zmyslových orgánov a adrenergné receptory.

Podobne ako GPCR, aj receptory spojené s enzýmom sú transmembránové proteíny, ktorých doména viažuca ligand je umiestnená na vonkajšej strane membrány. Na rozdiel od GPCR, ich cytosolická doména nie je spojená s G proteínom, ale samotná má enzymatickú aktivitu alebo priamo viaže enzým. Typicky, namiesto siedmich segmentov, ako sú GPCR, takéto receptory majú iba jeden transmembránový segment. Tieto receptory môžu zahŕňať rovnaké signálne dráhy ako GPCR. Táto trieda zahŕňa napríklad inzulínový receptor.

Existuje šesť hlavných tried receptorov spojených s enzýmami:

• Receptorové tyrozínkinázy - môžu priamo fosforylovať tyrozínové zvyšky, ako ich vlastné, tak aj pre malý súbor intracelulárnych signálnych proteínov.
• Receptory spojené s tyrozínkinázou nie sú samotné aktívne enzýmy, ale priamo viažu cytoplazmatické tyrozínkinázy na prenos signálov.
• Receptorové serín-treonínkinázy - môžu priamo fosforylovať serínové alebo treonínové zvyšky, a to ako ich vlastné, tak zvyšky génových regulačných proteínov, s ktorými sa viažu.
• Receptory spojené s histidínkinázami aktivujú dvojstupňovú signálnu dráhu, v ktorej kináza fosforyluje svoj vlastný histidín a okamžite prenáša fosfát na druhý intracelulárny signálny proteín.
• Receptorové guanylátcyklázy – priamo katalyzujú produkciu molekúl cGMP v cytosóle, ktoré pôsobia ako malý intracelulárny posol mechanizmami do značnej miery podobnými cAMP.
• Receptorové tyrozínfosfatázy - odstraňujú fosfátové skupiny z tyrozínov intracelulárnych signálnych proteínov. Nazývajú sa receptorové, pretože mechanizmus ich účinku ako receptorov zostáva nejasný.

nariadenia

V bunke existuje niekoľko spôsobov regulácie aktivity transmembránových receptorov, pričom najdôležitejšími spôsobmi sú fosforylácia a internalizácia receptorov.

pozri tiež

Poznámky

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo sú „transmembránové receptory“ v iných slovníkoch:

Acetylcholín Cholinergné receptory (acetylcholínové receptory) transmembránové receptory, ktorých ligandom je acetylcholín ... Wikipedia

Transmembránové receptory sú membránové proteíny, ktoré sa nachádzajú a pôsobia nielen vo vonkajšej bunkovej membráne, ale aj v membránach kompartmentov a organel bunky. Väzba na signálnu molekulu (hormón alebo mediátor) nastáva s jedným ... ... Wikipedia - Neuropilin 1 Označenia Symboly NRP1 Entrez Gene ... Wikipedia

Dimér senzorového komplexu rodopsínu II a transduktorového proteínu. Senzorický rodopsín je znázornený modrou farbou. Pohľad v rovine membrány. Senzorická rodopsis ... Wikipedia

Účinná látka ›› Choriogonadotropín alfa* (Choriogonadotropín alfa*) Latinský názov Ovitrelle ATX: ›› G03GA08 Choriogonadotropín alfa Farmakologická skupina: Hormóny hypotalamu, hypofýzy, gonadotropíny a ich antagonisty... ... Slovník liekov

Proteínkináza A je proteínkináza, ktorej aktivita závisí od hladiny cAMP v bunke. Proteínkináza A aktivuje a inaktivuje enzýmy a iné proteíny prostredníctvom fosforylácie (to znamená pridaním fosfátovej skupiny). Obsah... ...Wikipedia

Proteínkináza A je proteínkináza, ktorej aktivita závisí od hladiny cAMP v bunke. Proteínkináza A aktivuje a inaktivuje enzýmy a iné proteíny vďaka fosforylácii (to znamená pridanie fosfátovej skupiny). Obsah 1... ...Wikipedia