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.
Одна молекула родопсина связывается примерно с 24 липидными молекулами, отдавая лишь очень небольшое предпочтение кардиолипину перед фосфатидилхолином.
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.
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.
5.2 Изменения в липидном бислое, связанные с присутствием интегральных мембранных белков
Результаты большинства исследований липидных бислоев методом 2Н-ЯМР с применением дейтерированных фосфолипидов свидетельствуют о том, что белки оказывают лишь слабое влияние на упорядоченность липидов в бислое и их динамические свойства. Сходные данные были получены методами 'Н-, l9F- и 3|Р-ЯМР. Имеются сообщения о существовании пограничных липидов в природных мембранах. Эти данные получены методом 3,Р-ЯМР и предполагают иммобилизацию полярных головок дол-гоживущими липидно-белковыми комплексами. Однако эти факты нельзя считать окончательно установленными. Так, из данных ЯМР можно сделать следующие общие выводы: 1) скорость обмена между пограничными и свободными липидами весьма велика; 2) в присутствии белков упорядоченность связанных липидов почти не изменяется; 3) скорость переориентации ацильных цепей в присутствии белков слабо уменьшается в частотном диапазоне 109с~'; 4) соседство с трансмембранными белками не сказывается существенным образом на ориентации и динамических свойствах полярных головок. По данным ЯМР, организация и динамика липидов при контактировании с белками очень слабо, но изменяются. Это связывают с некой «жесткостью» поверхности белка, контактирующего с липидом, но сами эффекты весьма незначительны.
Влияние мембранных белков на липидные бислои исследовали и многими другими методами. Рассмотрим вкратце некоторые из полученных результатов.
1. Подвижность спин-меченных липидов ограничивается при контактировании их с белками или при захвате липидно-белковыми агрегатами. В большинстве ЯМР-исследований по релаксации сходные эффекты в том же частотном диапазоне не обнаруживаются. Возможно, эти эффекты обусловлены присутствием объемной нитроксидной спиновой метки. Однако, по крайней мере, в одном случае и данные ЯМР, и данные ЭПР свидетельствовали об уменьшении подвижности ацильных цепей в этом временном диапазоне при липидно-белковых взаимодействиях. Единого мнения о том, влияет ли белок на подвижность спиновых меток за пределами пограничного липидного слоя, не выработано. О существовании некоего липидного слоя за пределами пограничного слоя свидетельствовали спектроскопические данные; эти данные объяснялись в предположении, что имеется единый липидный слой, подверженный воздействию белков. В любом случае важно помнить, что методом ЯМР значительные ограничения подвижности обычно не выявляются.
Деполяризация флуоресценции мембранных зондов, например ДФГ, зависит от присутствия интегральных мембранных Щелков. По мере встраивания белков в бислой микровязкость последнего возрастет, о чем свидетельствуют поляризационные данные в стационарных условиях. Для согласования экспериментальных данных с представлением о том, что ограничение подвижности испытывают только зонды, соседствующие с белком, использовалось простое моделирование. Однако детальный анализ, Включавший измерения анизотропии образцов во времени, в одном случае показал, что а) влияние белка проявляется в основном в увеличении параметра упорядоченности, т. е. в ограничении диапазона Движения, и б) данный эффект распространяется за пределы пограничного слоя. Однако эффекты, наблюдаемые при работе с этими зондами, не обязательно будут характерны для фосфолипидов.
Для определения конфигурации ацильной цепи использовался Метод инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием. Полученные результаты согласовывались с данными 2Н-ЯМР и свидетельствовали о незначительном изменении упорядоченности ацильной цепи в присутствии белка. Природа наблюдаемых эффектов зависит от свойств ацильной цепи, поэтому построение какой-то общей модели затруднено {34]. Использование дейтерированных препаратов позволяет избирательно изучать различные липиды; так, было выявлено преимущественное взаимодействие между гликофорином и фосфатидилсерином.
4. Для изучения температурного фазового перехода в липидах и влияния мембранных белков на этот переход использовалась дифференциальная сканирующая калориметрия. Вообще говоря, в присутствии интегральных мембранных белков происходят: а) весьма незначительное уменьшение температуры фазового перехода; б) увеличение ширины интервала перехода и в) уменьшение АН перехода. Если в присутствии белка наблюдается только один фазовый переход, то его относят к липидам, которые не подвергаются влиянию белков. Белок как бы изолирует связанные с ними липиды и предотвращает их участие в фазовом переходе. Это приводит к уменьшению молярной энтальпии перехода. Обычно АН0 уменьшается с увеличением содержания белка линейно, что позволяет легко найти число липидных молекул, связанных с одной молекулой белка. Это число варьирует от примерно 20 для бактериородопсина до 685 для белка полосы 3. Сюда входят не только молекулы пограничных липидов, но и липиды, захваченные белковыми агрегатами, находящиеся в обогащенных белком доменах, а также, возможно, липиды, претерпевшие изменения из-за взаимодействий с углеводными цепями гликопротеинов. Латеральное разделение фаз и агрегация белков затрудняют использование этого подхода для получения подробной информации о липидно-белковых взаимодействиях. Однако изучение влияния белков на температурные переходы бинарных смесей липидов позволило выявить преимущественные взаимодействия между гликофорином и фосфатидилсерином и между цитохром с-оксидазой и кардиолипином.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
