Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Для того чтобы с хорошим разрешением получить трехмерную структуру белка и увидеть расположение сотен или тысяч его неводородных атомов, необхс5димо иметь большие кристаллы с высокой степенью упорядоченности. Природа не наделила белковые молекулы свойством спонтанно создавать регулярные макроскопические структуры. В естественных условиях они не образуются; их нет в клетках и живых организмах. Поэтому получение из белков монокристаллических образцов в лабораторных условиях, как правило, - самый длительный этап рентгеноструктурного анализа, который может продолжаться годами и закончиться безрезультатно. Именно так до недавних пор завершались все попытки закристаллизовать мембранные белки, которые все это время оказывались как бы вне компетенции рентгеновской кристаллографии. Десятилетиями объектами рентгеноструктурного анализа оставались водорастворимые глобулярные белки.
55
3.1. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ
Одно из самых значительных достижений рентгеноструктурного анализа белков последних лет, которое не может не повлиять на дальнейшее развитие биологии и становление ее новой области -молекулярной биологии клетки, состоит в начавшейся расшифровке трехмерных структур первых мембранных белков. Перед обсуждением полученных здесь результатов целесообразно кратко сообщить о том, что было известно об этих белках до исследования их с помощью рентгеновской дифракции. Если основные структурные особенности биологических мембран определяются молекулами липидного бислоя, то специфические функции мембран выполняются главным образом белками. Они ответственны за процессы превращения энергии, выступают в качестве рецепторов и ферментов, образуют каналы активного и пассивного транспорта молекул и ионов различных веществ через мембраны, охраняют организм от проникновения чужеродных антигенов и стимулируют иммунный ответ клеточного типа. В обычной плазматической мембране белок составляет около 50% ее массы. Однако в некоторых мембранах, например во внутренних мембранах митохондрий и хлоропластов, его содержание поднимается до 75%, а в других, например миелиновой мембране, снижается до 25%. Многие мембранные белки пронизывают липидный бислой насквозь и контактируют с водной средой по обеим сторонам мембраны. Молекулы этих белков, называемых трансмембранными, как и окружающие их молекулы липидов, обладают амфипатическими свойствами, поскольку содержат гидрофобные участки, взаимодействующие внутри бислоя с гидрофобными хвостами липидов, и гидрофильные участки, обращенные к воде с обеих сторон мембраны. Другая группа мембранных белков соприкасается с водой только с одной стороны бислоя [234, 235]. Одни из них погружены только во внешний или во внутренний слой мембраны, другие ассоциированы за счет невалентных взаимодействий с трансмембранными белками, третьи прикреплены к мембране с помощью ковалентно связанных с ними цепей жирных кислот, внедренных в липидный слой.
В 1979 г. было показано, что белки плазматической мембраны способны к вращательной диффузии - поворотам вокруг оси, перпендикулярной плоскости бислоя, и самопроизвольному передвижению вдоль плоскости самой мембраны, что получило название "латеральной диффузии". Однако белки не могут совершать так называемые флип-флопы, т.е. перевертываться и перескакивать с одной стороны бислоя на другую. Латеральная диффузия позволяет мембранным белкам совершать перемещения по мембране и взаимодействовать между собой, а также обеспечивает распространение мембранных компонентов из мест их синтеза в другие области клеток. Текучая структура липидного бислоя дает возможность мембранам сливаться, не утрачивая способности к регуляции их проницаемости и реализации специфических функций.
Благодаря динамическим свойствам мембран ассоциированные с
56
ними белки поддаются отделению от липидов. Иногда эта операция довольно проста и совершается в мягких условиях, например путем экстракции солевым раствором. Освобождаемые таким образом мембранные белки называются периферическими. В других случаях, касающихся обычно трансмембранных белков, выделение более сложно и не всегда заканчивается удачно. Многие белки, получившие по способу их очистки название "интегральных", удается выделить только после полного разрушения бислоя с помощью детергентов и органических растворителей [236]. Детергенты - это небольшие по сравнению с белками амфипатические, дифильные молекулы (доде-цилсульфат натрия, тритон и др.), состоящие из полярной и неполярной частей. При смешивании детергента с мембраной неполярные, гидрофобные, концы его молекул взаимодействуют с липидами и, разрушая их ассоциацию с белками, связываются с гидрофобными участками последних, благодаря чему их полярные, гидрофильные концы оказываются ориентированными в водную среду. Солюбилизированные мембранные белки, приобретя способность растворяться в воде, переходят в раствор в виде комплексов с детергентом. При его удалении белки эту способность теряют и выпадают в осадок, образуя смесь различных белков. Как правило, мембраны предварительно прогревают до 100° в 1%-ном растворе сильного детергента, что приводит к разрушению всех нековалентных белок-белковых и белок-липидных взаимодействий. А. Гелениус и К. Симонс разработали метод разделения белков путем электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии детергента (додецилсульфата натрия) [236]. В свое время это был прорыв в исследовании мембранных белков, приведший к их химической идентификации, классификации и выделению главных белков, присутствующих в различных мембранах.
