Кіріспе
Перифериялық мембраналық ақуыздар немесе экстринзикалық мембраналық ақуыздар – бұл мембранамен байланысты болатын, бірақ оған уақытша ғана жабысатын мембраналық ақуыздар. Бұл ақуыздар интегралды мембраналық ақуыздарға жалғасады немесе липидтік екі қабаттың шеткі аймақтарына еніп, байланысады. Мысалы, көптеген иондық каналдар мен трансмембраналық рецепторлардың реттеуші ақуыздық бөлімдері перифериялық мембраналық ақуыздар ретінде қарастырылуы мүмкін. Интегралды мембраналық ақуыздардан өзгеше, перифериялық мембраналық ақуыздар ақуызды тазарту процедурасы кезінде алынған барлық ақуыздардың суға ерігіш компонентінде немесе фракциясында жиналады. GPI жабыстырғышы бар ақуыздар осы ереженің ерекшелігі болып табылады және интегралды мембраналық ақуыздарға ұқсас тазарту қасиеттеріне ие болуы мүмкін. Ақуыздардың биологиялық мембраналарға қайтымды жабысуы жасуша сигнализациясын және басқа да маңызды жасушалық процестерді әртүрлі механизмдер арқылы реттеуге мүмкіндік береді. Мысалы, көптеген ферменттер мен биологиялық мембраналардың тығыз байланысы оларды липидтік субстраттарымен жақын орналастыруы мүмкін. Мембранаға байланысу көптеген ақуыздық құрылымдық домендерде қайта құрылымдануға, диссоциацияға немесе конформациялық өзгерістерге әкелуі мүмкін, нәтижесінде олардың биологиялық активтілігі күшейеді. Сонымен қатар, көптеген ақуыздардың орналасуы олардың тұрақты мембранасының ішкі немесе сыртқы беттеріне немесе қабаттарына локалдануы мүмкін. Бұл кез келген тиісті ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуінің ықтималдығын арттыра отырып, көп ақуыздық кешендердің құралуын жеңілдетеді.
Peripheral membrane proteins, or extrinsic membrane proteins, are membrane proteins that adhere only temporarily to the biological membrane with which they are associated. These proteins attach to integral membrane proteins, or penetrate the peripheral regions of the lipid bilayer. The regulatory protein subunits of many ion channels and transmembrane receptors, for example, may be defined as peripheral membrane proteins. In contrast to integral membrane proteins, peripheral membrane proteins tend to collect in the water soluble component, or fraction, of all the proteins extracted during a protein purification procedure. Proteins with GPI anchors are an exception to this rule and can have purification properties similar to those of integral membrane proteins. The reversible attachment of proteins to biological membranes has shown to regulate cell signaling and many other important cellular events, through a variety of mechanisms. For example, the close association between many enzymes and biological membranes may bring them into close proximity with their lipid substrate(s). Membrane binding may also promote rearrangement, dissociation, or conformational changes within many protein structural domains, resulting in an activation of their biological activity. Additionally, the positioning of many proteins are localized to either the inner or outer surfaces or leaflets of their resident membrane. This facilitates the assembly of multi protein complexes by increasing the probability of any appropriate protein–protein interactions.
Липидтік қос қабатына байланысу
Перифериялық мембраналық ақуыздар басқа ақуыздармен немесе тікелей липидтік екі қабатпен өзара әрекеттесуі мүмкін. Соңғы жағдайда олар амфитроптық ақуыздар деп аталады. G ақуыздары және кейбір белок киназалары сияқты кейбір ақуыздар бір мезгілде трансмембраналық ақуыздармен және липидтік екі қабатпен өзара әрекеттеседі. Кейбір полипептид гормондары, микробқа қарсы пептидтер және нейротоксиндер олардың жасуша бетіндегі рецепторлар нысаналарын табуға және өзара әрекеттесуге дейін мембрана бетінде жиналады, олардың өзі перифериялық мембраналық ақуыздар болуы мүмкін. Жасуша бетінің мембранасын құрайтын фосфолипидтік екі қабат гидрофобты ішкі ядролық аймақтан тұрады, ол гидрофильдік екі аймақтың арасында орналасқан, біреуі жасуша мембранасының ішкі бетінде, екіншісі – сыртқы бетінде (жасуша мембранасының құрылымының толық сипаттамасы үшін липидтік екі қабат туралы мақаланы қараңыз). Модельді фосфолипидтік екі қабаттардың ішкі және сыртқы беттері немесе интерфейстік аймақтары шамамен 8-10 Å қалыңдығында екені көрсетілді, бірақ бұл биологиялық мембраналарда ганглиозидтердің немесе липополисахаридтердің көп мөлшері болғанда кеңірек болуы мүмкін. Типикалық биологиялық мембраналардың гидрофобты ішкі ядролық аймағы шағын бұрышты рентгендік шашырау (SAXS) арқылы бағаланғанда шамамен 27-32 Å қалыңдыққа ие болуы мүмкін. Гидрофобты ішкі ядро мен гидрофильді интерфейстік аймақтар арасындағы шекаралық аймақ өте тар, шамамен 3 Å (оның құрамдас химиялық топтарының сипаттамасы үшін липидтік екі қабат туралы мақаланы қараңыз). Гидрофобты ядролық аймақтан шығып, интерфейстік гидрофильді аймаққа қарай жылғанда, судың тиімді концентрациясы осы шекаралық қабатта нөлге жуықтан шамамен 2 М-ға дейін тез өзгереді. Фосфолипидтік екі қабаттардағы фосфат топтары толығымен гидратацияланған немесе сумен қаныққан және гидрофобты ядролық аймақтың шекарасынан шамамен 5 Å қашықтықта орналасқан. Кейбір суда еритін ақуыздар липидтік екі қабаттармен қайтымсыз байланысып, трансмембраналық альфа-спиральды немесе бета-цилиндрлі каналдар құра алады. Мұндай трансформациялар A колицині, альфа-гемолизин және басқалар сияқты пор түзуші токсиндерде болады. Олар сондай-ақ BcL 2 сияқты ақуыздарда, кейбір амфифильді микробқа қарсы пептидтерде және кейбір аннексиндерде де кездеседі. Бұл ақуыздар әдетте шеткі деп сипатталады, өйткені олардың конформациялық күйлерінің бірі суда еритін немесе мембранамен әлсіз байланысты.
The phosphate groups within phospholipid bilayers are fully hydrated or saturated with water and are situated around 5 Å outside the boundary of the hydrophobic core region. Some water soluble proteins associate with lipid bilayers irreversibly and can form transmembrane alpha helical or beta barrel channels. Such transformations occur in pore forming toxins such as colicin A, alpha hemolysin, and others. They may also occur in BcL 2 like protein , in some amphiphilic antimicrobial peptides , and in certain annexins These proteins are usually described as peripheral as one of their conformational states is water soluble or only loosely associated with a membrane.
Мембраналық байланыстыру механизмдері
Белоктың липидтік екі қабатпен байланысуы белоктың үшіншілік құрылымында маңызды өзгерістерге әкелуі мүмкін. Осы өзгерістерге бұрын бүгілмеген белок құрылымының аймақтарының бүгілуі, немесе бүгілудің қайта ұйымдастырылуы, немесе мембранамен байланысты белок бөлігінің қайта бүгілуі жатуы мүмкін. Сонымен қатар, бұл белоктың төртіншілік құрылымдары немесе олигомерлік кешендерінің қалыптасуы немесе ыдырауы, сондай-ақ иондардың, лигандтардың немесе реттеуші липидтердің белгілі бір байланысын қамтуы мүмкін. Типикалық амфитроптық белоктар өздерінің биологиялық функцияларын орындау үшін липидтік екі қабатпен күшті өзара әрекеттесуі керек. Оларға липидтердің және басқа гидрофобты заттардың ферменттік өңделуі, мембранаға бекіту, және әртүрлі жасушалық мембраналар арасындағы кішкентай поляр емес қосылыстардың байланысуы және тасымалдануы жатады. Бұл белоктар екі қабатқа гидрофобтық өзара әрекеттесулер арқылы, белок бетіндегі ашық гидрофобтық қалдықтар арқылы, реттеуші липидтермен ковалентті емес байланыс арқылы немесе ковалентті байланысқан липидтік тістіктерге бекітілу арқылы бекітілуі мүмкін. Көптеген перифериялық белоктардың мембранаға байланысу қабілеті олармен байланысты мембрананың липидтік құрамына байланысты екені көрсетілген.
Белгісіз гидрофобтық байланыстар
Амфитроптық ақуыздар липидтік екі қабаттармен әртүрлі гидрофобтық бекіткіш құрылымдар арқылы байланысады. Мысалы, амфифильді α спиральдар, ашық полярлы емес тізбектер, трансляциядан кейін ацилденген немесе липидтелген аминқышқыл қалдықтары, немесе фосфатидилинозитол фосфаттары сияқты белгілі бір реттеуші липидтердің ацил тізбектері. Гидрофобтық өзара әрекеттесулер тіпті MARCKS ақуызының немесе гистактофилиннің полибазиялық домені сияқты жоғары катионды пептидтер мен ақуыздар үшін де маңызды екені көрсетілген, егер олардың табиғи гидрофобтық бекіткіштері болса. Ацилденген қалдықтарды пайдалану арқылы ақуыздардың мембраналармен байланысуы қайтымды процесс, себебі ацил тізбегі мембранадан ажырағаннан кейін ақуыздың гидрофобтық байланысу қуысына енуі мүмкін. Бұл процесс G ақуыздарының бета-бөлімшелерінде жүзеге асады. Бұл қосымша құрылымдық икемділік қажеттілігіне байланысты, липидтік бекіткіштер әдетте ақуыздың құрылымдық үшіншілік сегменттерінің өте икемді бөліктеріне бекітіледі, олар ақуыз кристаллографиялық зерттеулерде жақсы анықталмайды.
Белгілі ақуыз-липидті байланыстыру
Кейбір цитозольдік ақуыздар, белгілі бір жасушалық мембраналарда кездесетін липидтердің нақты түрлерін тану арқылы, әртүрлі жасушалық мембраналарға тартылады. Ақуыздың нақты липидке байланысуы, ақуыз ішіндегі нақты мембранаға бағытталған құрылымдық домендер арқылы жүзеге асады, олар байланысқан липидтердің липидтік бас тобы үшін арнайы байланысу қуыстарын қамтиды. Бұл – типикалық биохимиялық ақуыз-лиганд өзара әрекеттесуі, және ол молекулааралық сутекті байланыстар, Ван дер Ваальс күштері және ақуыз бен липид лиганд арасындағы гидрофобтық өзара әрекеттесулердің қалыптасуымен тұрақтандырылады. Мұндай кешендер сондай-ақ, аралық кальций иондары (Ca2+) арқылы ақуыздың аспартат немесе глутамат қалдықтары мен липидтік фосфаттар арасындағы иондық байланыстардың қалыптасуымен де тұрақтандырылады. Мұндай иондық байланыстар липидке байланысудан бұрын, иондардың (мысалы, Ca2+) ерітіндідегі ақуызға байланысқан кезде пайда болуы мүмкін және тұрақты болады. Иондық байланыстардың қалыптасуы, C2 типті ақуыз домендері мен аннексиндер арасындағы ақуыз-липид өзара әрекеттесуінде байқалады.
Белсенді-липид электростаттық өзара әрекеттесулері
Кез келген оң зарядталған белок, теріс зарядталған мембранаға бейтарап электростатикалық өзара әрекеттесу арқылы тартылады. Дегенмен, барлық перифериялық пептидтер мен ақуыздар катиондық емес, және мембрананың тек белгілі бір жақтары ғана теріс зарядталған. Оларға плазмалық мембрананың цитоплазмалық жағы, бактериялық сыртқы мембрананың сыртқы қабаты және митохондриялық мембраналар жатады. Сондықтан электростатикалық өзара әрекеттесулер, цитохром c, катиондық токсиндер, мысалы, харибдотоксин, және кейбір PH домендері, C1 домендері және C2 домендері сияқты белгілі бір мембранаға бағытталған домендер сияқты электрон тасымалдаушыларды мембранаға бағыттауда маңызды рөл атқарады. Электростатикалық өзара әрекеттесулер ерітіндінің иондық күшіне күшті тәуелді. Физиологиялық иондық күште (0,14M NaCl) бұл өзара әрекеттесулер салыстырмалы түрде әлсіз: цитохром c, харибдотоксин немесе гизактофилин сияқты кішкентай катиондық ақуыздар үшін шамамен 3-4 ккал/моль.
Ферменттер
Перифериялық ферменттер әртүрлі мембраналық компоненттердің метаболизміне қатысады, мысалы липидтер (фосфолипазалар мен холестерол оксидазалары), жасуша қабырғасы олигосахаридтері (гликозилтрансферазалар мен трансгликозидазалар) немесе ақуыздар (сигналдық пептидазалар мен палмитоил ақуыздық тиоэстеразалар). Липазалар судағы мицелдерді немесе полярлы емес тамшыларды құрайтын липидтерді де қорыта алады. Сынып Функция Физиология Құрылымы Альфа/бета гидролазалық бүгілу Химиялық байланыстардың гидролизіне катализатор болады. Бактериялық, саңырауқұлақ, асқазан және панкреатикалық липаздарды, палмитоил ақуыз тиоэстеразаларды, кутиназаларды және холинэстеразаларды қамтиды. Липидтердің қорытылуы, мембрананың бұзылуы және липидтік сигнализация. Фосфолипаза С PIP2 фосфатидилинозитолын екі екінші хабаршыға – инозитол трифосфатына және диацилглицеролға гидролиздейді. Липидтік сигналды берудің өзекті құрылымы: триозофосфат изомеразаның (TIM) бөлінген баррелі, активті орны, каталитикалық қалдықтары және Ca2+ байлау орны бар. Холестерол оксидазасы холестеринді холест-4-ен-3-онға дейін окистейді және изомерлендіреді. Бактериялық патогенезде қолданылатын холестериннің жасушалық мембраналарын азайтады. Белсенді орындағы екі қалдық циклдері. Каротиноидты оксигеназа каротиноидтарды кеседі. Каротиноидтар өсімдіктер мен жануарларда гормондар (адамда А витамині), пигменттер, дәмдеуіштер, гүлдің иісі және қорғаныс қосылыстары ретінде қызмет етеді. Бір-бірімен байланысқан бірнеше ферменттерден құралған тармақты құрылымды құрайды. Липоксигеназалар көп қанықпаған май қышқылдарының диоксигендеуін катализациялайтын ферменттерді қамтитын темір. Жануарларда липоксигеназалар лейкотриендер деп аталатын қабыну медиаторларының синтезіне қатысады. Жүздеген амин қышқылдарынан құралған белок екі доменге бөлінеді: бета-қаптама N-терминалы және спиральді C-терминалы. Альфа-токсиндер Фосфолипаза С-ге ұқсас клеткалық мембранадағы фосфолипидтерді кеседі. Бактериялық патогенез, әсіресе Clostridium perfringens. Сфингомиелиназа С – фосфодиэстераза, фосфодиэстер байланыстарын ажыратады. Сфингомиелин сияқты липидтерді өңдейді. Дисахаридтер, олигосахаридтер және полисахаридтер (гликоконъюгаттар) биосинтезі, MurG бактериялық пептидогликан биосинтезіне қатысады. Үш глицинге бай цикл: бірі C-терминалында, екеуі N-терминалында. Феррохелатаза IX протопорфиринді гемаға айналдырады. Порфириннің метаболизміне қатысады, протопорфириндер жұмыртқа қабықтарын нығайту үшін қолданылады. Екі доменге бүлінген полипептид, әрқайсысының төрт саптық қатар бета-қапшығы бар, оның қасында альфа-пеликстер орналасқан. Миотубуларинге қатысты ақуыздар туысы – липид фосфатазасы, PtdIns3P және PtdIns(3,5)P2 фосфорилендірмейді. Бұлшықет жасушаларының дифференциациясы үшін қажет. ГРАМ домені, СЕТ өзара әрекеттесетін домені және ПДЗ-мен байланысу доменін қамтиды. Дигидроротат дегидрогеназасы дигидроротатты (DHO) оротатқа дейін окистейді. Прокариоттық және эукариоттық жасушаларда пиримидин нуклеотидтерінің биосинтезі. Екі доменнен тұрады: белсенді орынды қамтитын альфа/бета-барел домені және белсенді орынға қарай туннельді құрайтын альфа-спиральді домен. Гликолат оксидазасы α-гидроксикарбон қышқылдарының тиісті α-кетоқышқылдарға окистенуін катализациялайды. Жасыл өсімдіктерде фермент фотореспирацияға қатысады. Жануарларда фермент оксалат өндірісіне қатысады. Альфа-спиральдар, бета-қабаттар және циклдер мен бұрылыстарды қамтитын β8/α8 бүгілуі.
Электрон тасымалдаушылар
Бұл ақуыздар электрондық тасымалдау тізбектеріне қатысады. Оларға цитохром c, купредоксиндер, жоғары потенциалды темір ақуызы, адренодоксин редуктазасы, кейбір флавопротеиндер және басқалары жатады.