1.6. Белки мембран.
В отличие от липидов, мембранные белки трудно классифицировать по их структуре. Исходя из функциональной роли белков их можно разделить на следующие группы:
Структурные белки. Белки этой группы
а) придают клетке и органеллам определенную форму
б) придают мембране (напр. плазмолемме) те или иные механические свойства ( эластичность и т.д.)
в) обеспечивают связь мембраны с цитоскелетом или (в случае ядерной мембраны) с хромосомами.
2. Транспортные белки. Проницаемость мембран определяется их липидным бислоем. Последний проницаем только для ограниченного круга веществ – не очень больших гидрофобных молекул (напримержирных кислот) и совсем мелких молекул (газов, воды и т.д.).Все прочие вещества могут перемещаться через мембрану только при наличии в ней соответствующих белковых транспортных систем. Причем одни из этих систем обеспечивают двусторонний перенос своих лигандов, а другие – только односторонний. В итоге деятельность этих систем дает два основных результата:
а) создаются устойчивые транспортные потоки определенных веществ через мембраны (напр. в проксимальных канальцах почек – поток глюкозы из первичной мочи в кровь через последовательно расположенную серию мембран).
б) кроме того транспорт ионов приводит к возникновению трансмембранного потенциала во всех клетках, а также к его изменениям в нервных и мышечных клетках и волокнах. Последнее лежит в основе таких явлений, как возбудимость и проводимость.
3. Белки, обеспечивающие непосредственное межклеточное взаимодействие. Многочисленных белки этой группы подразделяют на две совокупности:
а) адгезивные белки – необходимые для связывания клеток друг с другом или неклеточными структурами (базальной мембраной, волокнами)
б) белки, участвующие в образовании специализированных межклеточных контактов (десмосом и др.).
4. Белки, участвующие в передаче сигналов от одних клеток к другим.
Такая передача осуществляется в очень многих случаях самыми разными способами. Например, в нервных и нервно-мышечных синапсах с т.н. ионотропными рецепторами сигнальной молекулой (внеклеточным медиатором) является определенное низкомолекулярное вещество, а плазмолемма воспринимающей клетки содержит:
а) рецепторные белки,
б) белки эффекторного устройства- ионные каналы, изменяющие свою функцию при связывании лиганда с рецепторами
в) фермент инактивации медиатора.
Как видно, участвующие в этом ионные каналы попадают сразу в две функциональные группы: кроме данной, еще и в группу транспортных белков. Помимо того, обычно эти ионные каналы сами же осуществляют и рецепторную функцию (за счет дополнительных субъединиц). Так обстоит, например, дело в случае н-холинорецепторов – они одновременно являются ионными каналами для катионов. Все это иллюстрирует сложность классификации мембранных белков.
Есть синапсы с т.н. метаботропными (медленными) рецепторами. Здесь используется иной способ передачи сигнала от клетки к клетке – такой, какой применяется и в случае гормонов нестероидной природы (гормоны-белки, пептиды и производные аминокислот). Практически все они неспособны проникать через плазмолемму клетки-мишени. Однако и в этих случаях мембранные белки, участвующие в процессе, обычно можно разделить на 3 функциональные вида:
а) рецепторыне белки
б) белки трансмиттерного устройства (передающего сигнал через мембрану)
в) ферменты, одни из которых на внешней поверхности инактивируют сигнальное вещество, а другие на внутренней поверхности реагируют на сигнал образованием внутриклеточного медиатора.
1.6.1. Некоторые белки плазмолеммы эритроцитов
Рассмотрим конкретных представителей перечисленных групп мембранных белков, обратившись к плазмолемме эритроцитов. В данной мембране — не менее 100 различных белков. Самые известные из них показаны на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Некоторые мембранные белки плазмолеммы эритроцитов
Спектрин — фибриллярный белок массой около 240000 Да, который с помощью другого белка — анкирина — связан с внутренней поверхностью плазмолеммы. Молекулы спектрина имеют вид палочек диаметром 2нм и длиной около 100 нм. Всего в мембране — более 200000 таких молекул.
Последние на цитоплазматической поверхности мембраны образуют своего рода сетку, которая придает мембране эластичность и упругость. Если в этой сетке молекулы спектрина стыкуются друг с другом конец в конец, то, как показывают расчеты, размер ее ячеек равен примерно 14 нм. Т.е. одна молекула спектрина простирается примерно на 7 ячеек. Если же при контакте друг с другом молекулы спектрина перекрываются, то ячейки, очевидно, будут крупней.
Гликофорин, в отличие от спектрина, не периферический белок, а интегральный. Он пронизывает всю мембрану и с обеих сторон выступает над ее поверхностью. Всего в плазмолемме эритроцита — примерно 360000 молекул гликофорина.
Белок состоит из двух субъединиц. Каждая из них включает пептидную цепь из 131 остатка аминокислот, а также 16 олигосахаридных цепей, содержащих вместе около 90 остатков моносахаров. При этом на углеводный компонент приходится 60% массы гликофорина. С этим фактом и связано название белка (буквально: «несущий углеводы»).
В пептидной цепи гликофорина три участка, а именно:
а) N-концевой участок (приблизительно 50 остатков аминокислот) выступает с внешней стороны мембраны, с ним связаны все 16 олигосахаридных цепей. Почти каждый второй моносахарид в этих цепях представлен сиаловой кислотой, имеющей отрицательно заряженную группу. Остатки данной кислоты присутствуют также в других белках плазмолеммы; но на гликофорин приходится 75% от ее общего количества на поверхности эритроцита.
Благодаря сиаловой кислоте, эритроцит несет (на внешней стороне плазмолеммы) значительный отрицательный заряд, который препятствует слипанию эритроцитов друг с другом. Этим эритроциты отличаются от многих других клеток, например нервных и мышечных, у которых внешняя поверхность заряжена положительно.
По мере старения эритроцитов происходит постепенная потеря ими остатков сиаловой кислоты и, соответственно, снижение отрицательного заряда. Когда последний достигает критически низкого уровня, эритроцит захватывается макрофагами селезенки и разрушается.
Таким образом, N-концевой участок гликофорина играет очень важную роль в определении продолжительности жизни эритроцита.
б) Срединный участок (приблизительно 30 остатков аминокислот) проходит через гидрофобную область липидного бислоя. Вероятно, он имеет вид вытянутой -спирали, включающей, в основном, аминокислоты с неполярными (гидрофобными) радикалами.
в) С-концевой участок расположен на внутренней поверхности мембраны и обогащен заряженными и полярными радикалами. Видимо, с ним связываются т.н. актиноподобные белки, а с последними, в свою очередь, — элементы цитоскелета клетки (в частности, тонкие микрофиламенты).
В таком случае гликофорин выполняет и очень важную структурную функцию — служит местом крепления цитоскелета.