Введение
Периферические мембранные белки, или экстринсические мембранные белки, – это мембранные белки, которые временно прикрепляются к биологической мембране, с которой они ассоциированы. Эти белки присоединяются к интегральным мембранным белкам или проникают в периферические области липидного бислоя. Регулирующие белковые субъединицы многих ионных каналов и трансмембранных рецепторов, например, могут быть отнесены к периферическим мембранным белкам. В отличие от интегральных мембранных белков, периферические мембранные белки, как правило, концентрируются в водорастворимой компоненте или фракции всех белков, выделенных в процессе очистки белков. Белки с GPI-якорями являются исключением из этого правила и могут обладать свойствами очистки, схожими со свойствами интегральных мембранных белков. Показано, что обратимое присоединение белков к биологическим мембранам регулирует клеточную сигнализацию и многие другие важные клеточные процессы посредством различных механизмов. Например, тесная ассоциация многих ферментов с биологическими мембранами может приближать их к их липидному субстрату(ам). Связывание с мембраной также может способствовать перестройке, диссоциации или конформационным изменениям в различных структурных доменах белка, что приводит к активации их биологической активности. Кроме того, локализация многих белков происходит на внутренних или внешних поверхностях или слоях их резидентной мембраны. Это облегчает сборку мультибелковых комплексов, повышая вероятность соответствующих белок-белковых взаимодействий.
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.
Связывание с липидным бислоем
Периферические мембранные белки могут взаимодействовать с другими белками или непосредственно с липидным бислоем. В последнем случае они известны как амфитропные белки. Некоторые белки, такие как G-белки и определенные протеинкиназы, одновременно взаимодействуют с трансмембранными белками и липидным бислоем. Некоторые полипептидные гормоны, антимикробные пептиды и нейротоксины накапливаются на поверхности мембраны перед тем, как найти и взаимодействовать со своими клеточными поверхностными рецепторами, которые сами могут быть периферическими мембранными белками. Фосфолипидный бислой, формирующий клеточную мембрану, состоит из гидрофобной внутренней области ядра, заключенной между двумя областями гидрофильности – на внутренней и внешней поверхностях клеточной мембраны (см. статью о липидном бислое для более подробного структурного описания клеточной мембраны). Показано, что внутренняя и внешняя поверхности, или межфазные области, модельных фосфолипидных бислоев имеют толщину около 8–10 Å, хотя она может быть больше в биологических мембранах, содержащих большое количество ганглиозидов или липополисахаридов. Гидрофобная внутренняя область ядра типичных биологических мембран может иметь толщину около 27–32 Å, как оценивается методом рентгеновской дифракции под малыми углами (SAXS). Граничная область между гидрофобным внутренним ядром и гидрофильными межфазными областями очень узкая – около 3 Å (см. статью о липидном бислое для описания составляющих ее химических групп). При движении от гидрофобной области ядра к межфазной гидрофильной области эффективная концентрация воды быстро изменяется в этом пограничном слое – от почти нуля до концентрации около 2 М. Фосфатные группы в фосфолипидных бислоях полностью гидратированы или насыщены водой и расположены примерно в 5 Å за пределами границы гидрофобной области ядра. Некоторые водорастворимые белки необратимо ассоциируются с липидными бислоями и могут образовывать трансмембранные α-спиральные или β-бочковые каналы. Такие превращения происходят в порообразующих токсинах, таких как колицин А, α-гемолизин и другие. Они также могут наблюдаться в белках, подобных Bcl-2, в некоторых амфифильных антимикробных пептидах и в некоторых аннексинах. Эти белки обычно описываются как периферические, поскольку одно из их конформационных состояний растворимо в воде или лишь слабо связано с мембраной.
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.
Механизмы связывания мембран
Ассоциация белка с липидным бислоем может приводить к значительным изменениям в третичной структуре белка. Эти изменения могут включать сворачивание ранее развернутых участков белковой структуры, перестройку или повторное сворачивание мембранной части белка. Также возможно образование или диссоциация четвертичных структур белка или олигомерных комплексов, а также специфическое связывание ионов, лигандов или регуляторных липидов. Типичные амфитропные белки должны прочно взаимодействовать с липидным бислоем для выполнения своих биологических функций. К ним относятся ферментативная обработка липидов и других гидрофобных веществ, закрепление в мембране, связывание и перенос небольших неполярных соединений между различными клеточными мембранами. Эти белки могут быть закреплены в бислое за счет гидрофобных взаимодействий между бислоем и неполярными остатками, расположенными на поверхности белка, посредством специфических нековалентных взаимодействий со связыванием регуляторных липидов или через присоединение к ковалентно связанным липидным якорям. Показано, что аффинность связывания многих периферических белков с мембраной зависит от специфического липидного состава мембраны, с которой они ассоциированы.
Неспецифическая гидрофобная ассоциация
Амфитропные белки ассоциируют с липидными бислоями посредством различных гидрофобных якорных структур, таких как амфифильные α-спирали, экспонированные неполярные петли, посттрансляционно ацилированные или липидированные аминокислотные остатки, или ацильные цепи специфически связанных регуляторных липидов, таких как фосфатидилинозитольные фосфаты. Гидрофобные взаимодействия оказались важными даже для высококатионных пептидов и белков, таких как полибазисный домен белка MARCKS или гистактофилин, при наличии их естественных гидрофобных якорей. Ассоциация белка с мембранами через ацилированные остатки – обратимый процесс, поскольку ацильная цепь может быть скрыта в гидрофобном связывающем кармане белка после диссоциации от мембраны. Этот процесс происходит в β-субъединицах G-белков. Вероятно, из-за этой дополнительной потребности в структурной гибкости, липидные якоря обычно связаны с высокогибкими сегментами третичной структуры белков, которые плохо разрешаются при рентгеноструктурном анализе белков.
Специфическое связывание белка и липида
Некоторые цитозольные белки рекрутируются к различным клеточным мембранам, распознавая определенные типы липидов, присутствующих в данной мембране. Связывание белка с конкретным липидом происходит посредством специфических структурных доменов, направленных на мембрану, которые содержатся в белке и имеют специфические связывающие участки для головных групп липидов, к которым они связываются. Это типичное биохимическое взаимодействие белок-лиганд, стабилизируемое образованием межмолекулярных водородных связей, взаимодействий Ван-дер-Ваальса и гидрофобных взаимодействий между белком и липидным лигандом. Стабильность таких комплексов также обеспечивается формированием ионных связей между аспартатными или глутаматными остатками белка и липидными фосфатами при участии ионов кальция (Ca2+). Такие ионные связи могут образовываться и быть стабильными, если ионы (например, Ca2+) уже связаны с белком в растворе до связывания с липидами. Образование ионных связей наблюдается во взаимодействии белок-липид как для доменов типа C2, так и для аннексинов.
Электростатические взаимодействия белка-липида
Любой положительно заряженный белок будет притягиваться к отрицательно заряженной мембране посредством неспецифических электростатических взаимодействий. Однако не все периферические пептиды и белки являются катионными, и отрицательно заряжены не все стороны мембраны. К ним относятся цитоплазматическая сторона плазматических мембран, наружный листовка бактериальных наружных мембран и митохондриальные мембраны. Следовательно, электростатические взаимодействия играют важную роль в таргетировании мембран электронных переносчиков, таких как цитохром c, катионных токсинов, таких как харибдотоксин, и специфических мембранных таргетирующих доменов, таких как некоторые PH-домены, C1-домены и C2-домены. Электростатические взаимодействия сильно зависят от ионной силы раствора. При физиологической ионной силе (0,14M NaCl) эти взаимодействия относительно слабы: около 3–4 ккал/моль для небольших катионных белков, таких как цитохром c, харибдотоксин или гизактофилин.
Ферменты
Периферические ферменты участвуют в метаболизме различных компонентов мембраны, таких как липиды (фосфолипазы и холестеролоксидазы), олигосахариды клеточной стенки (гликозилтрансферазы и трансгликозидазы) или белки (сигнальная пептидаза и пальмитоилбелковые тиоэстеразы). Липазы также могут переваривать липиды, которые образуют мицеллы или неполярные капли в воде. КлассФункцияФизиология Структура Альфа/бета гидролазный фолд Катализирует гидролиз химических связей. Включает бактериальные, грибковые, желудочные и поджелудочные липазы, пальмитоилбелковые тиоэстеразы, кутиназы и холинестеразы – центральный бета-лист, вставленный между двумя слоями альфа-спиралей. Фосфолипаза А2 (секреторная и цитозольная) Гидролизует связь Sn 2 с жирной кислотой в фосфолипидах. Переваривание липидов, нарушение мембраны и липидная сигнализация. Содержит каталитическую триаду аминокислот: аспарагиновую кислоту, серин и гистидин. Фосфолипаза С Гидролизует PIP2, фосфатидилинозитол, до двух вторичных мессенджеров – инозитолтрифосфата и диацилглицерола. Липидная сигнализация – основная структура, состоящая из разделенного триозофосфатного изомеразы (TIM) барреля, имеющего активный сайт, каталитические остатки и сайт связывания Ca2+. Холестеролоксидаза Окисляет и изомеризует холестерин до холест-4-ен-3-она. Снижает содержание холестерина в клеточных мембранах, используется в бактериальной патогенезе. Две петли остатков, действующие как крышка на активном сайте. Каротиноидная оксигеназа Расщепляет каротиноиды. Каротиноиды функционируют как у растений, так и у животных в качестве гормонов (включая витамин А у людей), пигментов, ароматизаторов, цветочных ароматов и защитных соединений. Состоит из нескольких ферментов, соединенных вместе, образуя ветвистые структуры. Липоксигеназы Железосодержащие ферменты, катализирующие диоксигенизацию полиненасыщенных жирных кислот. У животных липоксигеназы участвуют в синтезе медиаторов воспаления, известных как лейкотриены. Сотни аминокислот, составляющих белок, организованы в два домена: бета-лист N-терминала и спиральный C-терминал. Альфа-токсины Расщепляют фосфолипиды в клеточной мембране, аналогично фосфолипазе С. Бактериальная патогенезия, особенно у *Clostridium perfringens*. Растворимый мономер с олигомерными препорными комплексами. Сфингомиелиназа С Фосфодиэстераза, расщепляющая фосфодиэстерные связи. Обработка липидов, таких как сфингомиелин. Софазин-домен и соединительные области с металофосфатным каталитическим доменом. Гликозилтрансферазы: MurG и трансгликозидазы Катализируют перенос сахарных фрагментов из активированных донорных молекул в специфические акцепторные молекулы, образуя гликозидные связи. Биосинтез дисахаридов, олигосахаридов и полисахаридов (гликоконъюгатов), MurG участвует в биосинтезе бактериального пептидогликана. Три богатых глицином петли: одна в C-терминале и две в N-терминале. Феррохелатаза Преобразует протопорфирин IX в гемоглобин. Участвует в метаболизме порфиринов, протопорфирины используются для укрепления яичных скорлуп. Полипептид, сложенный в два домена, каждый из которых имеет четыре параллельных бета-листа, окруженных альфа-спиралями. Семейство белков, связанных с миотобуларином Липидная фосфатаза, дефосфорилирующая PtdIns3P и PtdIns(3,5)P2. Необходима для дифференцировки мышечных клеток. Содержит GRAM-домен, SET-интерактивный домен и PDZ-связывающий домен. Дигидрооротатдегидрогеназа Окисляет дигидрооротат (DHO) в оротат. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов в прокариотических и эукариотических клетках. Состоит из двух доменов: альфа/бета-баррельного домена, содержащего активный сайт, и альфа-спирального домена, формирующего входной туннель к активному сайту. Гликолат оксидаза Катализирует окисление α-гидроксикарбоновых кислот до соответствующих α-кетокислот. У зеленых растений фермент участвует в фотодыхании. У животных фермент участвует в производстве оксалата. Альфа/бета-фолд, содержащий альфа-спирали, бета-нити, петли и повороты.
Носители электронов
Эти белки участвуют в цепях переноса электронов. К ним относятся цитохром c, купредоксины, железосодержащий белок с высоким потенциалом, адренодоксинредуктаза, некоторые флавопротеины и другие.