Трансмембранні рецептори. Трансмембранний білок Кінцевий продукт роботи трансмембранних білків

: характеристика та структурні принципи

1. Структура мембранних білків

Основна роль ліпідів у складі мембран полягає у стабілізації бислойной структури, а білки є активними компонентами біомембран. Ми обговоримо деякі принципи, які виявилися корисними для з'ясування структурних особливостей мембранних білків. Ми наведемо приклади, що ілюструють ці принципи.

На зорі розвитку мембранології вважали, що мембранні білки за своєю структурою досить гомогенні і укладені у вигляді 3-шарових поверхонь бислоя. Зараз швидше схильні вважати, що принаймні трансмембранні білки мають ті ділянки, які занурені в мембрану, містять а-спіралі. Звичайно, дуже хотілося б зробити якісь однозначні висновки з цього приводу, але вони мають ґрунтуватися на фактичних даних. Перед лицем величезної структурної різноманітності розчинних білків приходиш до висновку, що інтегральні мембранні білки можуть виявитися набагато складнішими, ніж ми зараз уявляємо. Класифікація розчинних білків за типами структур була проведена тільки після того, як з високою роздільною здатністю встановили структуру більше 100 різних білків. Що стосується трансмембранних білків, це вдалося зробити тільки в одному випадку - для білка фотосинтетичного реакційного центру бактерій. Разом з електронно-мікроскопічними даними низького дозволу про структуру бактеріородопсину це єдине джерело, на якому може ґрунтуватися побудова моделей більшості інших трансмембранних білків.

Ще один важливий момент – способи прикріплення білків до мембрани. Вони схематично представлені на рис. 3.1.

1. Зв'язування з білками, зануреними в бислой. Як приклади можна навести Fi-частину Н + -АТРази, яка зв'язується з Fo-частиною, зануреною в мембрану; можна згадати також деякі білки цитоскелету.

2. Зв'язування з поверхнею бислоя. Ця взаємодія має насамперед електростатичну природу чи гідрофобну. На поверхні деяких мембранних білків є гідрофобні домени, що утворюються завдяки особливостям вторинної чи третинної структури. Зазначені поверхневі взаємодії можуть використовуватися як доповнення до інших взаємодій, наприклад, до трансмембранного заякорювання.

3. Зв'язування за допомогою гідрофобного «якоря»; ця структура зазвичай виявляється як послідовність неполярних амінокислотних залишків. Деякі мембранні білки використовують як якоря ковалентно пов'язані з ними жирні кислоти або фосфоліпіди.

4.Трансмембранні білки. Одні з них перетинають мембрану лише один раз, інші – кілька разів.

Відмінностями між зовнішніми та внутрішніми мембранними білками не задається однозначно спосіб їх прикріплення до бісЛою; ці відмінності визначають лише відносну силу їхнього зв'язування.

2. Очищення мембранних білків

Для очищення інтегральних мембранних білків та отримання їх у біохімічно активній формі необхідні детергенти, що дозволяють солюбілізувати білки та зберегти їх у розчині. Відповідні вимоги до детергентів та правил поводження з ними створюють додаткові проблеми, крім тих, з якими зазвичай стикаються при очищенні білків. Для виділення інтегральних мембранних білків розроблено багато спеціальних методів, проте більшість схем очищення ґрунтується на тих же хроматографічних та гідродинамічних методиках, які використовуються для розчинних білків. Це хроматографія на ДЕАЕ-целюлозі, сефарозі або гідроксилу-патит, гель-фільтрація, центрифугування в градієнті щільності сахарози і т. д. Дуже важливий правильний вибір детергенту, оскільки саме детергент руйнує біомембрану, займаючи місце ліпідів, що оточують той чи інший. визначає стабільність білка у розчині. Механізми дії детергентів розглянуті огляді.

2.1. ДЕТЕРГЕНТИ

Протягом останніх двох десятиліть з'явилося багато детергентів, придатних для очищення інтегральних мембранних білків. В принципі потрібно намагатися знайти такий детергент, який не порушував би вторинну та третинну структури мембранних білків, а лише заміняв би більшість або всі мембранні ліпіди, що контактують із гідрофобними ділянками білкової молекули. Кінцевою метою солюбилізації є вбудовування білка в детергентію міцелу; Наступна стратегія очищення полягає у розподілі таких білково-детергентних комплексів.

Перша проблема - це підбір оптимальних умов солюбі-зації білка, що досліджується. Детергенти, які денатурують білки, не підходять для вирішення такого делікатного завдання. З іншого боку, багато детергентів недостатньо ефективно руйнують мембрани і утворюють змішані міцели, що містять білок. Такі детергенти можуть бути занадто гідрофобними, або занадто гідрофільними для ефективного змішування з мембранними ліпідами і - при досить високій їх концентрації - для перетворення бислоя в глобулярні змішані міцели. Спочатку сподівалися, що вибір необхідного детергенту вдасться систематизувати за допомогою одного параметра, званого гідрофільно-ліпофільним балансом. Цей параметр, що змінюється від 1 до 20, використовується при отриманні сурфактантів як відносна міра гідрофобності. Справді, отримані деякі кореляції, у тому числі випливає, що значення ГЛБ детергенту можна використовуватиме передбачення його поведінки у біологічних системах. Власне кажучи, можна сказати, що детергенти зі значенням ГЛБ у діапазоні від 12,5 до 14,5 є найефективнішими розчинниками інтегральних мембранних білків. Однак згодом з'ясувалося, що пошук оптимальних детергентів для певного мембранного білка вимагає врахування багатьох факторів і повинен супроводжуватися емпіричною перевіркою. Необхідно враховувати таке.

1.Максимальна солюбілізація досліджуваного білка. Критерієм є перехід білка супернатант після центрифугування, у якому відбувається осадження мембрани.

2.Солюбілізація білка в потрібній формі. Зазвичай йдеться про збереження його ферментативної активності, але іноді використовуються певні спектральні характеристики чи наявність конкретних асоціатів білкових. Крім того, необхідною умовою є стабільність білка після солюбілізації. У деяких випадках для підтримки біохімічної активності разом із детергентом додають екзогенні фосфоліпіди. Як приклад можна навести отримання лактозопермеази Е. coli білка натрієвого каналу. Іноді для стабілізації білка після солюбілізацію додають гліцерол або інший поліол. Має сенс використовувати також інгібітори протеаз і проводити солюбілізацію в умовах, що зводять до мінімуму ймовірність їхнього протеолітичного розщеплення.

3.Можливість використання детергенту в даній методиці. Необхідно насамперед враховувати заряд детергенту, поведінку при даному значенні рН, ККМ та розмір міцел детергенту. Останні властивості особливо важливі. Детергенти з низькою ККМ, що утворюють великі міцели, не видаляються при діалізі або ультрафільтрації через занадто низьку концентрацію мономерів детергенту. З практичної точки зору це означає, що якщо концентрувати білок за допомогою ультрафільтрації, зростатиме і концентрація детергенту з низькою ККМ, а це може призвести до денатурації білка. З цієї причини багато дослідників вважають за краще використовувати детергенти з високими ККМ, наприклад, октилглюкозид, солі жовчних кислот або більш сучасні цвіттеріонні детергенти. Дуже цінними є полістиренові смоли, такі як біобідз SM-2. Вони вибірково зв'язуються з детергентами типу тритон Х-100, видаляють їх із розчину і дозволяють обійтися взагалі без діалізу. Ще один фактор, який необхідно враховувати - це поглинання світла детергентом. Деякі детергенти, наприклад, тритон Х-100, поглинають у ближній УФ-області, що унеможливлює визначення концентрації білка з вимірювання оптичної щільності при довжині хвилі 280 нм.

З урахуванням усіх цих факторів стає зрозуміло, чому у багатьох випадках при виділенні інтегральних мембранних білків доводиться використовувати різні детергенти. Наприклад, для солюбилізації можна застосовувати тритон Х-100, а поділ за допомогою ДЕАЕ-целюлози краще проводити у присутності октилглюкозиду. Детергенти можна змінювати на стадії хроматографії, під час центрифугування в градієнті густини, а в деяких випадках – за допомогою діалізу. Слід пам'ятати, що детергент, непридатний для солюбилизации певного білка, може бути дуже ефективним збереження білка в розчині після заміни детергенту. Очищення майже завжди слід проводити при надлишку детергенту в розчині, інакше рівновага буде зрушена у бік агрегації мембранних білків, а не у бік утворення білково-детергентних комплексів. У деяких випадках подібна агрегація може бути навіть бажаною, і остання стадія очищення може полягати у видаленні детергенту. Але, як правило, при нестачі детергенту відбуваються незворотне осадження та втрата білка.

Необхідність підтримки концентрації детергенту на певному рівні створює додаткові проблеми, крім тих, з якими зазвичай стикаються при очищенні білків; про деякі з них ми вже говорили. Проблеми виникають і при використанні стандартного методу висолення при високій концентрації сульфату амонію: у багатьох випадках білок осаджується в комплексі з детергентом та ліпідом. Оскільки сольовий розчин має високу щільність, а детергент в агрегаті відносно низьку, то при центрифугуванні преципітату залишатиметься на поверхні. Важливо пам'ятати, що очищення зазнає білково-детергентних комплексів, нерідко зі значною кількістю пов'язаного фосфоліпіду. Це позначається на якості поділу при хроматографуванні, а також на результатах характеристики кінцевого пророзчинних білків, потрібно визначити число та молекулярну масу поліпептидних субодиниць, їх стехіометрію, розмір і, можливо, форму молекули, а також, якщо це необхідно, біохімічну активність.

Ліпідам у складі мембран відводять, насамперед, структурні властивості - вони створюють бислой, або матрикс, у якому розміщуються активні компоненти мембрани - білки. Саме білки надають різноманітним мембранам унікальності та забезпечують специфічні властивості. Численні мембранні білки виконують такі основні функції: обумовлюють перенесення речовин через мембрани (транспортні функції), здійснюють каталіз, забезпечують процеси фото- та окисного фосфорилювання, реплікацію ДНК, трансляцію та модифікацію білків, рецепцію сигналів та передачу нервового імпульсу та ін.

Прийнято ділити мембранні білки на 2 групи: інтегральні(внутрішні) та периферичні(Зовнішні). Критерієм такого поділу є ступінь міцності зв'язування білка з мембраною і, відповідно, ступінь жорсткості обробки, необхідної для вилучення білка з мембрани. Так, периферичні білки можуть вивільнятися в розчин вже при промиванні мембран буферними сумішами з низькою іонною силою, низькими значеннями рН у присутності хелатуючих речовин, наприклад етилендіамінотетраацетату (ЕДТА), що зв'язують двовалентні катіони. Периферичні білки виділяються з мембран за таких м'яких умов, оскільки пов'язані з головками ліпідів або іншими білками мембрани за допомогою слабких електростатичних взаємодій, або за допомогою гідро-фобних взаємодій - з хвостами ліпідів. Навпаки, інтегральні білки є амфіфільні молекули, мають на своїй поверхні великі гідрофобні ділянки і розташовуються всередині мембрани, тому для їх вилучення потрібно зруйнувати бислой. Для цих цілей найчастіше використовують детергенти або органічні розчинники. Способи прикріплення білків до мембран досить різноманітні (рис. 4.8).

Транспортні білки. Ліпідний бішар є непроникним бар'єром для більшості водорозчинних молекул та іонів, і їх перенесення через біомембрани залежить від діяльності транспортних білків. Можна виділити два основні типи цих білків: канали(пори) та переносники. Канали являють собою тунелі, що перетинають мембрану, в яких місця зв'язування речовин, що транспортуються, доступні на обох поверхнях мембрани одночасно. Канали в процесі транспорту речовин не зазнають будь-яких конформаційних змін, їх конформація змінюється лише при відкриванні та закриванні. Переносники, навпаки, у процесі перенесення речовин через мембрану змінюють свою конформацію. Причому в кожний конкретний момент часу місце зв'язування речовини, що переноситься в переноснику доступне тільки на одній поверхні мембрани.

Канали, своєю чергою, можна розділити на дві основні групи: потенциалзависимые і регульовані хімічно. Прикладом потенціалзалежного каналу є Na + -канал, його робота регулюється зміною напруги електричного поля. Іншими словами, ці канали відкриваються та закриваються у відповідь на зміну трансмембранного потенціалу. Хімічно регульовані канали

відкриваються та закриваються у відповідь на зв'язування специфічних хімічних агентів. Наприклад, нікотиновий ацетилхоліновий рецептор при зв'язуванні з ним нейромедіатора переходить у відкриту конформацію і пропускає одновалентні катіони (підряду 4.7 цього розділу). Терміни "пора" і "канал" зазвичай взаємозамінні, але під часом частіше розуміють неселективні структури, що розрізняють речовини головним чином за розміром і пропускають всі досить малі молекули. Під каналами найчастіше розуміють іонні канали. Швидкість транспорту через відкритий канал досягає 106 - 108 іонів в секунду.

Переносники також можна розділити на 2 групи: пасивні та активні. За допомогою пасивних переносників через мембрану здійснюється транспорт одного типу речовин. Пасивні переносники задіяні в полегшеної дифузіїі лише збільшують потік речовини, що здійснюється електрохімічним градієнтом (наприклад, перенесення глюкози через мембрани еритроцитів). Активні переносники транспортують речовини через мембрану із витратами енергії. Ці транспортні білки накопичують речовини однією зі сторін мембрани, переносячи їх проти електрохімічного градієнта. Швидкість транспорту за допомогою переносників дуже сильно залежить від їх типу і коливається від 30 до 10 5 с -1 . Часто для позначення окремих переносників використовують терміни пермеазу, транслоказу, які можна вважати синонімами терміна переносник.

Ферментні функції мембранних білків. У клітинних мембранах функціонує велика кількість різноманітних ферментів. Одні з них локалізуються в мембрані, знаходячи там відповідне середовище для перетворення гідрофобних сполук, інші завдяки участі мембран розташовуються в них у суворій черговості, каталізуючи послідовні стадії життєво важливих процесів, треті потребують сприяння ліпідів для стабілізації своєї конформації та підтримки. У біомембранах виявлено ферменти – представники всіх відомих класів. Вони можуть пронизувати мембрану наскрізь, бути в ній у розчиненій формі або, будучи периферичними білками, зв'язуватися з мембранними поверхнями у відповідь на будь-який сигнал. Можна виділити такі характерні типи мембранних ферментів:

1) трансмембранні ферменти, що каталізують пов'язані реакції на протилежних сторонах мембрани. Ці ферменти мають, як правило, кілька активних центрів, що розміщуються на протилежних сторонах мембрани. Типовими представниками таких ферментів є компоненти дихального ланцюга або фотосинтетичні редокс-центри, що каталізують окисно-відновні процеси, пов'язані з транспортом електронів та створенням іонних градієнтів на мембрані;

2) трансмембранні ферменти, що у транспорті речовин. Транспортні білки, що сполучають перенесення речовини з гідролізом АТР, наприклад, мають каталітичну функцію;

3) ферменти, що каталізують перетворення пов'язаних з мембраною субстратів. Ці ферменти беруть участь у метаболізмі мембранних компонентів: фосфоліпідів, гліколіпідів, стероїдів та ін.

4) ферменти, що у перетвореннях водорозчинних субстратів. За допомогою мембран, найчастіше у прикріпленому до них стані, ферменти можуть концентруватися в тих областях мембран, де вміст їх субстратів найбільший. Наприклад, ферменти, що гідролізують білки та крохмаль, прикріплюються до мембран мікроворсинок кишечника, що сприяє збільшенню швидкості розщеплення цих субстратів.

Білки цитоскелету . Цитоскелет є складною мережею білкових волокон різного типу і присутній тільки в еукаріотичних клітинах. Цитоскелет забезпечує механічну опору для плазматичної мембрани, може визначати форму клітини, а також місце розташування органел та їх переміщення при мітозі. За участю цитоскелету здійснюються також такі важливі для клітини процеси, як ендо- та екзоцитоз, фагоцитоз, амебоїдний рух. Таким чином, цитоскелет є динамічним каркасом клітини та визначає її механіку.

Цитоскелет формується з волокон трьох типів:

1) мікрофіламенти(Діаметр ~ 6 нм). Є ниткоподібні органели - полімери глобулярного білка актину та інших пов'язаних з ним білків;

2) проміжні філаменти (діаметр 8-10 нм). Сформовані кератинами та спорідненими ним білками;

3) мікротрубочки(Діаметр ~ 23 нм) - довгі трубчасті структури.

Складаються з глобулярного білка тубуліна, субодиниці якого формують порожнистий циліндр. Довжина мікротрубочок може досягати кількох мікрометрів у цитоплазмі клітин та кількох міліметрів в аксонах нервів.

Перелічені структури цитоскелета пронизують клітину в різних напрямках і тісно зв'язуються з мембраною, прикріплюючись до неї деяких точках. Ці ділянки мембрани відіграють важливу роль міжклітинних контактах, з допомогою клітини можуть прикріплюватися до субстрату. Вони ж відіграють важливу роль у трансмембранному розподілі ліпідів та білків у мембранах.

Білки, пов'язані з полярними «головками» ліпідів мембран

Білки, що утворюють комплекси з інтегральними білками мембрани

Поверхневі білки

Поверхневі білки часто прикріплюються до мембрани, взаємодіючи з інтегральними білками або поверхневими ділянками ліпідного шару.

Ряд травних ферментів, що беруть участь у гідролізі крохмалю та білків, прикріплюється до інтегральних білків мембран мікроворсинок кишечника.

Прикладами таких комплексів можуть бути сахараза-ізомальтаза та мальтаза-глікоамілаза. Можливо, зв'язок цих травних ферментів з мембраною дозволяє з високою швидкістю гідролізувати субстрати та засвоювати продукти гідролізу клітиною.

Полярні або заряджені домени білкової молекули можуть взаємодіяти з полярними "головками" ліпідів, утворюючи іонні та водневі зв'язки. Крім того, множина розчинних у цитозолі білків за певних умов можуть зв'язуватися з поверхнею мембрани на нетривалий час. Іноді зв'язування білка є необхідною умовою прояву ферментативної активності. До таких білків, наприклад, відносять протеїнкіназу С, фактори згортання крові.

Закріплення за допомогою мембранного "якоря"

Якорем може бути неполярний домен білка, побудований з амінокислот з гідрофобними радикалами. Прикладом такого білка може бути цитохром b 5 мембрани ЕР. Цей білок бере участь в окислювально-відновних реакціях як переносник електронів.

Роль мембранного "якоря" може виконувати також ковалентно пов'язаний з білком залишок жирної кислоти (миристинової - 14 або пальмітинової - 16). Білки, пов'язані з жирними кислотами, локалізовані переважно на внутрішній поверхні плазматичної мембрани. Міристинова кислота приєднується до N-кінцевого гліцину з утворенням амідного зв'язку. Пальмітінова кислота утворює тіоефірний зв'язок з цистеїном або складноефірний із залишками серину і треоніну.

Невелика група білків може взаємодіяти із зовнішньою поверхнею клітини за допомогою ковалентно приєднаного до С-кінця білка фосфатидилінозитолглікану. Цей "якір" - часто єдина сполучна ланка між білком і мембраною, тому при дії фосфоліпази цей білок відокремлюється від мембрани.

Деякі з трансмембранних білків пронизують мембрану один раз (глікофорин), інші мають кілька ділянок (доменів), які послідовно перетинають бислой.

Інтегральні білки мембран, що містять від 1 до 12 доменів трансмембранних. 1-рецептор ЛПНЩ; 2 – ГЛЮТ-1 – транспортер глюкози; 3 – рецептор інсуліну; 4 – адренорецептор.

Трансмембранні домени, що пронизують бислой, мають конформацію α-спіралі. Полярні залишки амінокислот звернені всередину глобули, а неполярні контактують з мембранними ліпідами. Такі білки називають "вивернутими" в порівнянні з розчинними у воді білками, в яких більшість гідрофобних залишків амінокислот заховано всередину, а гідрофільні розташовуються на поверхні.

Біологічні мембрани, що знаходяться на межі клітини та позаклітинного простору, а також на межі мембранних органел клітини (мітохондрій, ендоплазматичної мережі, комплексу Гольджі, лізосом, пероксисом, ядра, мембранних бульбашок) та цитозолю істотно важливі для функціонування як клітини в цілому, так і її органі. Клітинні мембрани мають подібну молекулярну організацію. У цьому розділі біологічні мембрани розглянуті переважно на прикладі плазматичної мембрани (плазмолеми), що відмежовує клітину від позаклітинного середовища.

Будь-яка біологічна мембрана(рис. 2-1) складається з фосфоліпідів(~50%) та білків (до 40%). У менших кількостях до складу мембрани входять інші ліпіди, холестерол та вуглеводи.

Мал. 2–1. складається з подвійного шару фосфоліпідів, гідрофільні частини яких (головки) спрямовані до поверхні мембрани, а гідрофобні частини (хвости, що стабілізують мембрану у вигляді бислоя) усередину мембрани. І - інтегральні білкизанурені в мембрану. Т - трансмембранні білкипронизують усю товщу мембрани. П – периферичні білкирозташовані або на зовнішній або на внутрішній поверхні мембрани.

Фосфоліпіди. Молекула фосфоліпіду складається з полярної (гідрофільної) частини (головка) та аполярного (гідрофобного) подвійного вуглеводневого хвоста. У водній фазі молекули фосфоліпідів автоматично агрегують хвіст до хвоста, формуючи каркас біологічної мембрани (рис. 2-1 та 2-2) у вигляді подвійного шару (бішар). Таким чином, у мембрані хвости фосфоліпідів (жирні кислоти) спрямовані всередину бислоя, а фосфатні угруповання голівки, що містять, звернені назовні.

Арахідонова кислота.З мембранних фосфоліпідів звільняється арахідонова кислота - попередник Пг, тромбоксанів, лейкотрієнів та інших біологічно активних речовин з безліччю функцій (медіатори запалення, вазоактивні фактори, другі посередники та ін.).

Ліпосоми- Штучно приготовані з фосфоліпідів мембранні бульбашки діаметром від 25 нм до 1 мкм. Ліпосомивикористовують як моделі біологічних мембран, а також для введення всередину клітин різних речовин (наприклад, генів, ЛЗ); остання обставина полягає в тому, що мембранні структури (зокрема і липосомы) легко зливаються ( рахунок фосфоліпідного бислоя).

Білкибіологічних мембран поділяють на інтегральні (у тому числі трансмембранні) та периферичні (рис. 2-1 та 2-2).

Інтегральні мембранні білки (глобулярні) вбудовані в ліпідний бішар. Їхні гідрофільні амінокислоти взаємодіють з фосфатними групами фосфоліпідів, а гідрофобні амінокислоти - з ланцюгами жирних кислот. До інтегральних мембранних білків відносяться білки адгезії, деякі рецепторні білки (мембранні рецептори).

Трансмембранний білок - Молекула білка, що проходить через всю товщу мембрани і виступає з неї як на зовнішній, так і на внутрішній поверхні. До трансмембранних білків відносяться пори, іонні канали, переносники, насоси, деякі рецепторні білки.

Пори та канали- трансмембранні шляхи, якими між цитозолем і міжклітинним простором (і у зворотному напрямку) переміщуються вода, іони і молекули метаболітів.

Переносникиздійснюють трансмембранне переміщення конкретних молекул (у тому числі у поєднанні з перенесенням іонів чи молекул іншого типу).

Насосипереміщують іони проти їх концентраційного та енергетичного градієнтів (електрохімічний градієнт) за допомогою енергії, що звільняється при гідролізі АТФ.

Периферичні мембранні білки (фібрилярні та глобулярні) знаходяться на одній із поверхонь клітинної мембрани (зовнішньої або внутрішньої) і нековалентно пов'язані з інтегральними мембранними білками.

Приклади периферичних мембранних білків, пов'язаних із зовнішньою поверхнею мембрани - рецепторні білкиі білки адгезії.

Приклади периферичних мембранних білків, пов'язаних із внутрішньою поверхнею мембрани, - білки цитоскелета, білки системи других посередників, ферментита інші білки.

Латеральна рухливість.Інтегральні білки можуть перерозподілятися в мембрані внаслідок взаємодії з периферичними білками, елементами цитоскелету, молекулами в мембрані сусідньої клітини та компонентами позаклітинного матриксу.

Вуглеводи(переважно олігосахариди) входять до складу глікопротеїнів та гліколіпідів мембрани, становлячи 2–10% її маси (рис. 2–2). З вуглеводами клітинної поверхні взаємодіють лектини. Ланцюги олігосахаридів виступають на зовнішній поверхні мембран клітини і формують поверхневу оболонку - глікокалікс.

Глікокалікс має товщину близько 50 нм і складається з олігосахаридів, ковалентно пов'язаних з глікопротеїнами та гліколіпідами плазмолеми. Функції глікокаліксу: міжклітинне впізнавання, міжклітинні взаємодії, пристінне травлення (глікоколікс, що покриває мікроворсинки каймчатих клітин епітелію кишечника, містить пептидази та глікозидази, що завершують розщеплення білків та вуглеводів).

Проникність мембрани

Мембранний бішар поділяє дві водні фази. Так, плазматична мембрана відокремлює міжклітинну (інтерстиціальну) рідину від цитозолю, а мембрани лізосом, пероксисом, мітохондрій та інших мембранних внутрішньоклітинних органел їх вміст від цитозолю. Біологічна мембрана – напівпроникний бар'єр.

Напівпроникна мембрана.Біологічну мембрану визначають як напівпроникну, тобто. бар'єр, не проникний для води, але проникний для розчинених у ній речовин (іони та молекули).

Напівпроникні тканинні структури.До напівпроникних тканинних структур відносять також стінку кровоносних капілярів і різні бар'єри (наприклад, фільтраційний бар'єр ниркових тілець, аерогематичний бар'єр респіраторного відділу легені, гематоенцефалічний бар'єр і багато інших, хоча до складу таких бар'єрів - крім біологічних мембран (плазмолема). Проникність таких тканинних структур розглянуто у розділі «Трансклітинна проникність» розділу 4 .

Фізико-хімічні параметри міжклітинної рідини та цитозолю суттєво різні (див. табл. 2-1), також різні параметри кожного мембранного внутрішньоклітинного органоїду та цитозолю. Зовнішня та внутрішня поверхні біологічної мембрани полярні та гідрофільні, але неполярна серцевина мембрани гідрофобна. Тому неполярні речовини можуть проникати крізь ліпідний бислой. У той же час, саме гідрофобний характер серцевини біологічної мембрани визначає принципову неможливість безпосереднього проникнення через мембрану полярних речовин.

Неполярні речовини(наприклад, водонерозчинні холестерол та його похідні) вільно проникають через біологічні мембрани. Зокрема саме з цієї причини рецептори стероїдних гормонів розташовані всередині клітини.

Полярні речовини(наприклад, іони Na+, K+ C1- , Са2+; різні невеликі, але полярні метаболіти, а також цукру, нуклеотиди, макромолекули білка та нуклеїнових кислот) самі по собі не проникають через біологічні мембрани. Саме тому рецептори полярних молекул (наприклад, пептидних гормонів) вбудовані в плазматичну мембрану, а передачу гормонального сигналу до інших компартментів клітин здійснюють другі посередники.

Виборча проникність- проникність біологічної мембрани по відношенню до конкретних хімічних речовин) - важлива для підтримки клітинного гомеостазу. оптимального вмісту в клітині іонів, води, метаболітів та макромолекул. Переміщення конкретних речовин через біологічну мембрану називають трансмембранним транспортом.

Клітини. Зв'язування з сигнальною молекулою (гормоном чи медіатором) відбувається з одного боку від мембрани, а клітинна відповідь формується з іншого боку від мембрани. Таким чином, вони відіграють унікальну та важливу роль у міжклітинних зв'язках та передачі сигналу.

Багато трансмембранних рецепторів складаються з двох або декількох субодиниць, які діють у сукупності і можуть дисоціювати при зв'язуванні з лігандом або змінювати свою конформацію і переходити на наступну стадію циклу активації. Найчастіше вони класифікуються з урахуванням їхньої молекулярної структури. Поліпептидні ланцюги найпростіших із цих рецепторів перетинають ліпідний бислой лише один раз, тим часом як багато - сім разів (наприклад, пов'язані з G-білками рецептори).

Будова

Позаклітинний домен

Позаклітинний домен - це ділянка рецептора, що знаходиться поза клітиною чи органоїдом. Якщо поліпептидний ланцюг рецептора перетинає клітину кілька разів, зовнішній домен може складатися з декількох петель. Основна функція рецептора полягає в тому, щоб упізнавати гормон (хоча деякі рецептори також здатні реагувати на зміну мембранного потенціалу), і в багатьох випадках гормон зв'язується саме з цим доменом.

Трансмембранний домен

Деякі рецептори є також білковими каналами. Трансмембранний домен переважно складається з трансмембранних α-спіралей. У деяких рецепторах, таких як нікотиновий ацетилхоліновий рецептор, трансмембранний домен утворює мембранну пору або іонний канал. Після активації позаклітинного домену (зв'язування з гормоном) канал може пропускати іони. В інших рецепторів після зв'язування гормону трансмембранний домен змінює свою конформацію, що має внутрішньоклітинний вплив.

Внутрішньоклітинний домен

Внутрішньоклітинний або цитоплазматичний домен взаємодіє з внутрішньою частиною клітини або органоїду, ретранслюючи отриманий сигнал. Існують два принципово різні шляхи такої взаємодії:

• Внутрішньоклітинний домен зв'язується з білками ефекторними сигнальними, які в свою чергу передають сигнал по сигнальному ланцюгу до місця його призначення.
• Якщо рецептор пов'язаний з ферментом або сам володіє ферментативною активністю, внутрішньоклітинний домен активує фермент (або здійснює ферментативну реакцію).

Класифікація

Більшість трансмембранних рецепторів відноситься до одного з трьох класів, що виділяються за основним механізмом трансдукції сигналу. Класифікують іонотропні та метаботропні трансмембранні рецептори. Іонотропні рецептори, або рецептори, пов'язані з іонними каналами, беруть участь, наприклад, у швидкій передачі синаптичних сигналів між нейронами та іншими клітинами-мішенями, які можуть сприймати електричні сигнали.

Метаботропні рецептори передають хімічні сигнали. Вони поділяються на два великі класи: рецептори, пов'язані з G-білками, і рецептори, пов'язані з ферментами.

Рецептори, пов'язані з G-білками, також називаються 7TM-рецепторами (seven-transmembrane domain receptors, рецептори з сімома трансмембранними доменами). Це трансмембранні білки із зовнішнім сегментом для зв'язування ліганду, мембранним сегментом та цитозольним сегментом, пов'язаним із G-білком. Вони виділяють шість класів виходячи з подібності структури і функцій рецепторів, класи A-F (чи 1-6), які, своєю чергою, поділяються на безліч сімейств. До цього класу відносяться рецептори органів чуття та адренорецептори.

Як і GPCR, рецептори, пов'язані з ферментами – це трансмембранні білки, у яких домен зв'язування з лігандом розташований зовні мембрани. На відміну від GPCR, їх цитозольний домен не пов'язаний з G-білком, а сам має ферментативну активність або пов'язує фермент безпосередньо. Зазвичай замість семи сегментів, як у GPCR, такі рецептори мають лише один трансмембранний сегмент. Ці рецептори можуть включати самі сигнальні шляхи, що і GPCR. До цього класу належить, наприклад, рецептор інсуліну.

Виділяють шість основних класів рецепторів, пов'язаних із ферментами:

• Рецепторні тирозинові кінази можуть безпосередньо фосфорилювати тирозинові залишки, як власні, так і для невеликого набору внутрішньоклітинних сигнальних білків.
• Рецептори, пов'язані з тирозинкіназами - самі собою не є активними ферментами, але безпосередньо пов'язують цитоплазматичні тирозинкінази передачі сигналу.
• Рецепторні серин-треонінові кінази можуть безпосередньо фосфорилювати серинові або треонінові залишки, як власні, так і для білків регуляції генів, з якими вони зв'язуються.
• Рецептори, пов'язані з гістидиновими кіназами - активують двостадійний сигнальний шлях, в якому кіназа фосфорилює власний гістидин і негайно передає фосфат другому білку.
• Рецепторні гуанілатциклази - прямо каталізують виробництво молекул цГМФ в цитозолі, які діють як невеликий внутрішньоклітинний посередник за механізмами, багато в чому схожим на цАМФ.
• Рецептороподібні тирозинфосфатази видаляють фосфатні групи з тирозинів внутрішньоклітинних сигнальних білків. Вони називаються рецептороподібними, тому що механізм їхньої дії як рецепторів залишається нез'ясованим.

Регуляція

У клітині існує кілька шляхів регуляції активності трансмембранних рецепторів, найбільш важливими способами є фосфорилювання та інтерналізація рецепторів.

Див. також

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Трансмембранні рецептори" в інших словниках:

Ацетилхолін Холінергічні рецептори (ацетилхолінові рецептори) трансмембранні рецептори, лігандом яких є ацетилхолін … Вікіпедія

Трансмембранні рецептори мембранні білки, які розміщуються і працюють не лише у зовнішній клітинній мембрані, а й у мембранах компартментів та органел клітини. Зв'язування з сигнальною молекулою (гормоном або медіатором) відбувається з однією… … Вікіпедія - Нейропілін 1 Позначення Символи NRP1 Entrez Gene … Вікіпедія

Димер комплексу сенсорного родопсину II та білка трансд'юсера. Сенсорний родопсин зображений блакитним. Вид у площині мембрани. Сенсорний родопсі … Вікіпедія

Діюча речовина ›› Хоріогонадотропін альфа* (Choriogonadotropin alfa*) Латинська назва Ovitrelle АТХ: ›› G03GA08 Хоріогонадотропін альфа Фармакологічна група: Гормони гіпоталамуса, гіпофіза, гонадотропіни та їх антагоністи. Словник медичних препаратів

Протеїнкіназа А протеїнкіназа, активність якої залежить від рівня цАМФ у клітині. Протеїнкіназа А здійснює активацію та інактивацію ферментів та інших білків за рахунок фосфорилювання (тобто приєднання фосфатної групи). Зміст… … Вікіпедія

Протеїнкіназа А протеїнкіназа, активність якої залежить від рівня цАМФ у клітині. Протеїнкіназа А здійснює активація та інактивація ферментів та інших білків за рахунок фосфорилювання (тобто приєднання фосфатної групи). Зміст 1… … Вікіпедія