Биологическое значение мембранной организации ферментов

2.         Биологическое значение мембранной организации ферментов

Изучение роли мембранной организации белков непосредственно в живом организме затруднено из-за сложной организации живой материи и одновременного протекания множества взаимосвязанных процессов. Однако, возможность проведения мутации генов, обеспечивающей избирательные изменения в структуре экспрессируемых белков, например, экспрессию только растворимых форм белков, позволяет в некоторых случаях показать важность функционирования именно мембраносвязанных белков. Рассмотрим это на примере Kit-лиганда — одного из мембраносвязанных факторов роста млекопитающих. Для мутантной формы этого интегрального гликопротеина I типа, не содержащей трансмембранного и цитоплазматического доменов, была продемонстрирована нормальная экспрессия in vivo и биологическая активность при исследовании слияния клеток, аналогичная активности секретируемой формы нативного белка. Однако у мыши, имеющей ген такого белка, проявлялись все симптомы животного, вообще лишенного гена Кit-лиганда — макроцитарная анемия, бесплодие, белый окрас.

Недавние исследования также убедительно подтверждают физиологическую значимость мембранной формы АПФ. Мышь, у которой ген нативного АПФ был заменен на ген, кодирующий фермент без якоря таким образом, что весь секретируемый фермент был активен, однако не встраивался в мембрану, имела все симптомы «нокаутного» животного, полностью лишенного гена АПФ: низкое давление, неконтролируемое мочеиспускание, бесплодие, различные сосудистые дисфункции, нарушения структуры и функции почек.

Отметим, что важность связывания с биомембраной выявлена не только для интегральных белков, но и продемонстрирована в ряде случаев для периферических белков, например, пируватоксидазы — периферического фермента, катализирующего окисление пирувата до уксусной кислоты и восстановление убихинона. Указанный фермент циркулирует в организме и связывается с плазматической мембраной лишь в присутствии субстрата и кофактора; при этом в молекуле белка формируется С-концевой липидсвязывающий домен. Показано, что мутантная форма пируватоксидазы, лишенная последних 24 аминокислотных остатков, полностью неактивна in vivo из-за неспособности связываться с мембраной.

Таким образом, биологическая роль различных мембранных ферментов может в значительной степени определяться их способностью к связыванию с мембраной. Во-первых, связывание с биомембраной обеспечивает локализацию (концентрирование) ферментов в определенной части клетки и/или в той области мембраны, где концентрируется субстрат. Например, ацетилхолинэстераза фиксируется в постсинаптической мембране, где велика концентрация ацетилхолина. Во-вторых, адсорбция ферментов на мембране создает возможность для сопряжения процессов катализа и трансмембранного переноса. Так, при функционировании мембраносвязанных ферментов, участвующих в гидролизе крахмала и белков, вблизи клеточной мембраны создается локально высокая концентрация растворимых молекул продукта, что способствует их эффективному поглощению клеткой. В-третьих, для многих ферментов при связывании с мембраной обеспечивается доступность водонерастворимых субстратов. Это могут быть интегральные ферменты, участвующие в процессинге мембранных белков, а также периферические ферменты: фосфолипазы, протеинкиназа С, пируватоксидаза и др. Наконец, при связывании формируется оптимальное микроокружение, обеспечивающее нативную конформацию и каталитическую активность мембранных ферментов.

3.         Изучение активности мембранных ферментов

Каталитическая активность мембранных ферментов часто очень сильно зависит от используемого детергента или фосфолипида. Обычно активность мембранных ферментов измеряют в смеси, содержащей детергент и экзогенно добавленный фосфолипид. Кроме того, ферментный препарат нередко содержит соочищаемые с ним эндогенные липиды. В таких условиях физическое состояние фермента, в частности степень его агрегации, оказывается весьма неопределённым и скорее всего гетерогенным. Часто в одной и той же среде, компоненты которой смешивались в разной последовательности, получают совершенно разные ферментативные активности. Такая зависимость от предыстории препарата являет собой пример гистерезиса и весьма типична для мембранных ферментов. По существу фермент «застревает» в метастабильном состоянии и не может приобрести наиболее стабильную «рабочую конформацию».

После того как мембранный фермент очищен, для изучения его каталитической активности желательно, а часто и необходимо реконструировать его с фосфолипидами. Изучение очищенных и реконструированных ферментов даёт большие преимущества. В частности, в такой системе не протекают различные конкурирующие реакции, присущие биомембранам. Использование реконструированной системы позволяет не только охарактеризовать изолированную систему, но и определить минимальное число компонентов, необходимых для проявления тех или иных биохимических активностей.

Для встраивания мембранного белка в липидную везикулу, прежде всего, необходимо избавиться от находящегося в препарате белка детергента, который, если он присутствует в значительных количествах, дестабилизирует фосфолипидный бислой. Обычно детергент удаляют уже из смеси белка с фосфолипидом, но в некоторых случаях белок очищают от детергента до начала реконструкции. Для удаления детергента используют гель-фильтрацию, диализ или адсорбцию на поверхности шариков из полистирола. Последний способ применяют в первую очередь для удаления тритона Х-100.

Методы реконструкции можно разделить на две группы.

1.         Процедуры, при которых белок предварительно очищают от детергента, а затем проводят реконструкцию.

2.         Процедуры, в которых белки и фосфолипиды смешивают в присутствии детергента, а затем удаляют детергент до образования протеолипосом. Выбранный фосфолипид должен быть способен к формированию стабильных бислоев.

Реконструкция без избытка детергента

1.         Инкубация белка с заранее полученными везикулами.

Этот способ используется для реконструкции не пронизывающих бислой белков с ограниченной гидрофобной поверхностью, например цитохрома b5 и в-гидроксибутиратдегидрогеназы.

2.         Реконструкция с участием амфифильных катализаторов.

Добавление в белково-фосфолипидную смесь амфифильных веществ в низких концентрациях облегчает встраивание в везикулы таких мембранных ферментов, как бактериородопсин или цитохром с-оксидаза. В качестве амфифильных веществ использовали холестерол, короткоцепочесные фосфатидилхолины и жирные кислоты. Данный способ хорош тем, что в нём не используют какие-либо грубые процедуры, в том числе обработка избытком детергентов, однако пока он мало распространён.