Липидно-белковые взаимодействия

5. Липидно-белковые взаимодействия

Большинство методов, применяемых для изучения упорядоченности и динамических свойств мембран, используется и для исследования липидно-белковых взаимодействий. Работы по изучению этих взаимодействий были в основном направлены на выяснение влияния мембранных белков на физическое состояние липидов. Рассмотрим типичную мембрану с весовым соотношением липид/белок = 1:1. При средней мол. массе белка 50 кДа молярное соотношение липид/белок составляет -60:1 при условии, что присутствуют только фосфолипиды. Для сравнения укажем, что соответствующие соотношения для мембраны наружного сегмента палочки сетчатки и саркоплазматического ретикулума составляют по оценкам 75:1 и 110:1. Если белок представляет собой цилиндр, выступающий за пределы бислоя с обеих сторон примерно на 10 А, то его радиус должен составлять около 18 А. Молекула фосфолипида в жидкой мембране занимает площадь ~60А², что соответствует радиусу головки ~4,4 А, и для того, чтобы полностью окружить белок, иа каждой стороне бислоя должно находиться около 16 таких молекул липидов. Следовательно, согласно этой модели, в любой момент времени около 50% липидов должно соседствовать с белковыми молекулами. Однако белком занято 35% площади поверхности мембраны, и даже учитывая сугубо приближенный характер этой модели, можно понять, что физические методы регистрации состояния липидов должны учитывать влияние белков на свойства биомембран.

Чтобы выяснить структуру и функции мембран, необходимо прежде всего ответить на следующие вопросы: 1) насколько прочно связаны внутримембранные белки с липидами и какова природа ли-пидного слоя, прилегающего к белку? 2) как далеко простирается влияние мембранных белков на укладку и динамические свойства мембранных липидов? 3) как влияют липиды на структуру и функции внутримембранных белков? 4) как периферические мембранные белки, связанные с поверхностью бислоя, взаимодействуют с липидами и влияют на их поведение?

5.1 Связывание липидов с внутримембранными белками в бислое

Этой теме были посвящены многочисленные исследования, в которых использовались разнообразные подходы. По существу во всех этих работах ставилась задача выяснить, есть ли у белков участки, специфически взаимодействующие с определенными липидами, и можно ли считать белково-липидные комплексы долгоживущими, т. е. обладают ли они временем жизни, сравнимым с временем оборота типичного фермента. Такие исследования проводились с помощью Н-ЯМР, ЭПР и флуоресцентных методов. Чтобы разобраться в полученных результатах, полезно рассмотреть термодинамику простой реакции обмена, где липид одного типа вытесняется с места связывания на белке другим липидом:

Константа равновесия этой реакции равна

Она является относительной константой связывания липидов Li и L2 с данным участком белковой молекулы, причем

Если липиды двух типов присутствуют в мембране в одинаковой концентрации и сродство их к белку одинаково, то К = 1. Рассмотрим гипотетический случай, когда L₂ является минорным липидным компонентом и составляет только 5°/о от общего количества липидов. Тогда

Предположим, что L2 предпочтительно связывается с неким участком белковой молекулы, так что в равновесии 90% участков занято L.2. Тогда

Следовательно, К = 171, что соответствует величине ДС° = = -3,1 ккал/моль. Столь небольшого различия в свободной энергии связывания оказывается достаточно для существенного смещения распределения липидов, связанных с белком, от равновесного состояния. Это обусловлено тем, что соотношение эффективных концентраций конкурирующих липидов в мембране относительно мало: не превышает 100, а в большинстве случаев гораздо меньше. Другими словами, даже минорные липиды присутствуют в мембране в концентрации, составляющей не менее 1% от концентрации основных липидов, с которыми они конкурируют за места связывания на белках.

Для оценки относительного сродства липидов к специфическим белкам используют два подхода. Они основаны на применении липидных аналогов, встроенных в фосфолипидные везикулы, которые содержат интересующий исследователя белок.

1. Спин-меченные фосфолипиды, соседствующие с мембранными белками, обладают ограниченной подвижностью. Это проявляется в уширении спектра ЭПР. У тех молекул ЭПР-зонда, которые соседствуют с белком, возможность движения с характерной частотой > 10⁸ с" ¹ существенно ограничена. Спектр ЭПР в этом случае может быть представлен в виде суммы двух компонент: компоненты с узкими спектральными линиями, соответствующей основной липидной фазе, и компоненты, отвечающей липидам с ограниченной подвижностью. Для того чтобы эта последняя была в спектре преобладающей, отношение белок/липид должно быть достаточно высоким. Осложняет картину то, что липиды могут попадать в «ловушки» из белковых агрегатов. Такие липиды тоже обладают ограниченной подвижностью, и им соответствует третья компонента в спектре ЭПР. Для выявления попавших в ловушку липидов при высоких концентрациях белка можно использовать липидные спиновые зонды, ковалентно связанные с поверхностью белка.

2. Спин-меченные и бромированные липидные производные способны тушить флуоресценцию триптофана, входящего в состав мембранных белков. Эффективность тушения зависит от расстояния между липидным производным и остатком триптофана, и присутствие таких липидов в слое, непосредственно прилегающем к белку, приведет к тушению флуоресценции белка. Относительную способность этих липидов связываться с белком в присутствии различных конкурирующих липидов можно исследовать путем измерения интенсивности флуоресценции белка.

Анализ экспериментальных данных, но на практике такие измерения трудно осуществить. Как правило, считается, что все места связывания одинаковы. В одном из вариантов исследуют связывание небольшого количества спин-меченного липида данного типа в присутствии большого количества липида другого типа. При этом снимаются спектры образцов с разным соотношением между липидами и белками. В предположении, что имеется N одинаковых мест связывания, выполняется следующее соотношение. Трудности здесь могут возникнуть из-за гетерогенности мест связывания как по сродству к липидам, так и по способности связанных липидов тушить флуоресценцию триптофана. Однако флуоресцентный метод имеет то преимущество, что при высоких значениях отношения липид/белок агрегация белка создает меньшие проблемы, чем при использовании метода ЭПР.

Необходимо помнить, что ни один из методов, используемых для нахождения относительных констант связывания липидов с мембранными белками, не пригоден для определения небольших количеств мест связывания с высоким сродством, поэтому тот факт, что такие места этими методами не обнаружены, вовсе не означает, что они отсутствуют.

Некоторые белки проявляют избирательность при связывании с фосфолипидами, несущими различные полярные головки

Избирательность связывания с липидами была изучена только для небольшого числа белков, в частности для цитохром с-оксидазы митохондрий, Na⁺/К⁺ -АТРазы, Са²⁺ -АТРазы из саркоплазматического ретикулума и родопсина позвоночных у животных. Как правило, избирательность связывания весьма слаба, при этом максимальное значение К близко к 5. Тем не менее, этого достаточно для того, чтобы имелось значительное различие в связывании липидов с разными белками, зависящее от концентрации липидов разных типов, присутствующих в мембране.

1.Одна молекула родопсина связывается примерно с 24 липидными молекулами, отдавая лишь очень небольшое предпочтение кардиолипину перед фосфатидилхолином.

2.Ыа ⁺ /К⁺-АТРаза из Squalus acanthus связывается примерно с 60 фосфолипидными молекулами, отдавая предпочтение отрицательно заряженным липидам по сравнению с фосфатидилхолином: для кардиолипина К = 3,8, для фосфа-тидилсерина К = 1,7, для фосфатидной кислоты К = 1,5. Фосфатидилэтаноламин и фосфатидилглицерол связываются с этим белком с одинаковым сродством. Предпочтение кислым липидам не может быть обусловлено чисто электростатическими эффектами. Какова биохимическая роль такого предпочтения — неизвестно.

3.Цитохром с-оксидаза связывает от 40 до 55 молекул липидов. Этот фермент отдает предпочтение кардиолипину по сравнению с фосфатидилхолином. Как правило, при очистке митохондриальной цитохром с-оксидазы она выделяется вместе с кардиолипином. Высказывалось предположение, что у этого фермента имеется небольшое число мест связывания, обладающих высоким сродством к этому липиду, и что последний необходим для обеспечения его каталитической активности. Для выяснения биологической роли предпочтительного связывания кардиолипина необходимо провести дальнейшие исследования. Кроме того, поскольку кардиолипин является димерным фосфолипидом, возникают трудности при анализе данных по конкурентному связыванию.

4. Са²⁺ -АТРаза привлекла внимание ученых в связи с тем, что, как предполагается, ее ферментативная активность определяется так называемым «липидным кольцом», или «пограничным липидным слоем», непосредственно примыкающим к белку. Активность Са²⁺ -АТРазы не зависела от содержания холестерола в реконструированных везикулах, а чистый холестерол тоже не оказывал никакого влияния на ее активность. Это наводило на мысль, что холестерол в указанном пограничном слое отсутствует. Однако работы по связыванию свидетельствовали об обратном, а дело было в том, что относительная константа связывания холестерола с белком примерно вдвое меньше, чем для фосфатидилхолина. Небольшое количество холестерола присутствует и в природных мембранах, содержащих данный фермент. Относительное сродство Са²⁺ -АТРазы к фосфо-липидам почти не зависит от природы полярной головки, а также типа ацильных цепей, хотя при реконструкции фермента с разными липидами ферментативная активность существенно варьирует.

Скорость обмена пограничных липидов со свободными липидами

Термин «пограничный липидный слой» был введен в связи с появлением идеи о существовании стационарного слоя липида, связанного с поверхностью белка, например цитохромокси-дазы. Под «стационарностью» понимается отсутствие обмена липидов за время, сравнимое со временем оборота фермента, т. е. ~ 10 ~³ с, поэтому такой фермент вместе с его непосредственным окружением может рассматриваться как долгоживущий комплекс. Во всех изученных к настоящему времени случаях это условие не выполняется, но термин «пограничный липидный слой» остается полезным описательным термином, если речь идет о ближайшем липидном окружении белка.

Данные ²Н-ЯМР четко показали, что пограничные липиды быстро обмениваются с основной массой липидов в бислое. Спектры ЭПР меченых фосфолипидов свидетельствуют о существовании свободных и связанных липидных компонентов, в то же время аналогичные эксперименты с дейтерированными липидными зондами говорят о том, что организация и динамические свойства липидов в присутствии таких белков, как цитохромоксидаза, практически не изменяются. Такое расхождение, по-видимому, объясняется различиями в характерных временах измерения двух методов. Время обмена пограничных липидов составляет 10"⁶— 10 ⁷ с, поэтому метод ²Н-ЯМР выявляет только один тип липидов, тогда как данные ЭПР свидетельствуют о наличии двух разных липидных популяций.

Если коэффициент латеральной диффузии фосфолипидов в мембранном бислое равен величине, приведенной в табл. 5.2, то среднее время перескока липидной молекулы из одного положения в мембране в соседнее составляет около 10"⁷ с. Наличие такого быстрого обмена между пограничными и свободными липидами позволяет предположить, что в известных нам случаях липиды, находящиеся по соседству с белком, и свободные липиды практически равноценны. Необходимо подчеркнуть, что это только грубые оценки, полученные для относительно небольшого числа белков, главным образом производных фосфатидилхолина.

Похожие работы

Биохимия мембран

Скачать

14172

6

0

... является курсом, для изучения которого необходимо наличие знаний об основных принципах организации биологических молекул, строении и механизмах действия ферментов. Дисциплина биохимия мембран относится к дисциплинам специализации федерального компонента.   5. Распределение времени, отведенного на изучение дисциплины по учебному плану Форма учебной работы Форма обучения Очная По ...

Конспект лекций по биофизике

Скачать

92536

0

0

... Рисунок Кинетика биопроцессов Динамические свойства биопроцессов Каждая система состоящая из элементов будет характеризоваться динамикой, складывающейся из элементов. Кинетика биопроцессов – раздел биофизики, изучающий динамические свойства биопроцессов. 1.    Параметры, меняющие свое значение со временем. Переменные величины: численность клеток, биомасса, концентрация ...

Асимметрия мембран

Скачать

57416

0

12

... и индуцируют трансмембранную миграцию липидных молекул, поэтому полученные результаты бывает трудно интерпретировать. Детальная оценка достоинств и недостатков методов изучения липидной асимметрии в мембранах дается, например, в обзорах. МЕТОДЫ УСТАНОВЛЕНИЯ ТРАНСМЕМБРАННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИПИДОВ Химическая модификация фосфолипидов Относительно легко подвергаются химической модификации только ...

Структура и состав биологических мембран

Скачать

41293

2

7

... правильным только благодаря взаимной компенсации ошибок, однако в историческом плане эта работа имела большое значение, поскольку с тех пор концепция липидного бислоя как структурной основы биологических мембран стала доминирующей и на самом деле оказалась верной. Концепция бимолекулярной липидной мембраны получила дальнейшее развитие в предложенной в 1935 г. модели Дэвсона-Даниелли, или ...