Периферические мембранные белки

Перифери́ческие мембра́нные белки́, или вне́шние мембра́нные белки́ (англ. Peripheral membrane proteins, extrinsic membrane proteins), представляют собой мембранные белки^[1], которые обычно непрочно и лишь временно прикрепляются к биологической мембране, с которой они связаны^[2]. Данные белки прикрепляются к интегральным мембранным белкам или проникают в периферические области липидного бислоя. Например, регуляторные белковые субъединицы многих ионных каналов и трансмембранных рецепторов можно определить как периферические мембранные белки. В отличие от интегральных мембранных белков, периферические мембранные белки обычно собираются в водорастворимый компонент, или фракцию, всех белков, выделенных в ходе процедуры очистки белков. Белки с GPI-якорями являются исключением из этого правила и могут иметь свойства очистки, аналогичные свойствам интегральных мембранных белков.

Схематическое изображение различных типов взаимодействия монотопических мембранных белков с клеточной мембраной:
1. взаимодействие посредством амфипатической α-спирали, параллельной плоскости мембраны (внутриплоскостная мембранная спираль)
2. взаимодействие посредством гидрофобной петли
3. взаимодействие посредством ковалентно связанного мембранного липида ("липидирование")
4. электростатическое или ионное взаимодействие с мембранными липидами (например, через ион кальция — Ca²⁺).

Обратимое прикрепление белков к биологическим мембранам регулирует клеточную сигнализацию и многие другие важные клеточные события посредством различных механизмов^[3]. Например, тесная связь между многими ферментами и биологическими мембранами может привести их в непосредственную близость к липидному субстрату (субстратам)^[4]. Связывание с мембраной может также способствовать перестройке, диссоциации/ассоциации или конформационным изменениям в структурных доменах многих белков, что приводит к увеличению/уменьшению их биологической активности^[5][6]. Кроме того, расположение многих белков локализовано либо на внутренней, либо на внешней поверхности или створках их резидентной мембраны^[7]. Это облегчает сборку мультибелковых комплексов, увеличивая вероятность любых соответствующих белок-белковых взаимодействий.

Связывание с липидным бислоем

PH-домен фосфолипазы C дельта 1. Средняя плоскость липидного бислоя — чёрные точки. Граница области углеводородного ядра — синие точки (внутриклеточная сторона). Слой фосфолипидов — жёлтые точки.

Периферические мембранные белки могут взаимодействовать с другими белками или непосредственно с липидным бислоем. В последнем случае их называют амфитропными белками^[5]. Некоторые белки, например G-белки и некоторые протеинкиназы, взаимодействуют с трансмембранными белками и липидным бислоем одновременно. Некоторые полипептидные гормоны, антимикробные пептиды и нейротоксины накапливаются на поверхности мембраны, прежде чем обнаруживаются и взаимодействуют со своими рецепторами-мишенями на поверхности клетки, которые сами могут быть периферическими мембранными белками.

Фосфолипидный бислой, образующий поверхностную мембрану клетки, состоит из гидрофобного внутреннего ядра, расположенного между двумя гидрофильными областями, одной на внутренней и одной на внешней поверхности клеточной мембраны. Было показано, что внутренняя и внешняя поверхности, или межфазные области, модельных фосфолипидных бислоев имеют толщину около 8-10 Å (0,8-1 нм) , хотя она может быть больше в биологических мембранах, включающих большое количество ганглиозидов или липополисахаридов^[8]. Гидрофобная внутренняя область ядра типичных биологических мембран может иметь толщину около 27-32 Å (2,7-3,2 нм), как показано с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS)^[9]. Пограничная область между гидрофобным внутренним ядром и гидрофильными межфазными областями очень узкая, около 3 Å (0,3 нм). При движении наружу от гидрофобной области ядра к межфазной гидрофильной области эффективная концентрация воды быстро меняется в этом пограничном слое, от почти нуля до концентрации около 2 М^[10][11]. Фосфатные группы в фосфолипидных бислоях полностью гидратированы или насыщены водой и расположены примерно на 5 Å (0,5 нм) за границей гидрофобной области ядра^[12].

Некоторые водорастворимые белки необратимо связываются с липидными бислоями и могут образовывать трансмембранные альфа-спиральные или бета-баррельные каналы. Такие превращения происходят в порообразующих токсинах, таких как колицин А, альфа-гемолизин и другие. Они также могут происходить в BcL-2-подобном белке, в некоторых амфифильных антимикробных пептидах и в некоторых. Эти белки обычно называют периферическими, поскольку одно из их конформационных состояний — водорастворимое или слабо связанное с мембраной^[13].

Амфитропные белки связываются с гидрофобными якорными структурами.

Механизмы связывания с мембраной

Пчелиный яд фосфолипаза A2 (1poc). Средняя плоскость липидного бислоя — чёрные точки. Граница области углеводородного ядра — красные точки (внеклеточная сторона). Слой фосфолипидов — жёлтые точки.

Ассоциация белка с липидным бислоем может сопровождаться значительными изменениями в третичной структуре белка. Они могут включать сворачивание участков структуры белка, которые ранее были развёрнуты, перестройку сворачивания или рефолдинг мембраноассоциированной части белков. Также может происходить образование или диссоциация четвертичных структур белка или олигомерных комплексов, специфическое связывание ионов, лигандов или регуляторных липидов.

Типичные амфитропные белки должны тесно взаимодействовать с липидным бислоем для выполнения своих биологических функций. К ним относятся ферментативная переработка липидов и других гидрофобных веществ, заякоривание мембран, связывание и перенос небольших неполярных соединений между различными клеточными мембранами. Эти белки могут быть прикреплены к бислою в результате гидрофобных взаимодействий между бислоем и открытыми неполярными остатками на поверхности белка^[14], путём специфических нековалентных связывающих взаимодействий с регуляторными липидами или путём их присоединения к ковалентно связанным липидным якорям.

Было показано, что сродство к связыванию с мембраной многих периферических белков зависит от специфического липидного состава мембраны, с которой они ассоциированы^[15].

Неспецифическая гидрофобная ассоциация

Амфитропные белки связываются с липидным бислоем через различные гидрофобные якорные структуры. Например, амфифильные α-спирали, открытые неполярные петли, посттрансляционно ацилированные или липидированные аминокислотные остатки или ацильные цепи специфически связанных регуляторных липидов, таких как фосфатидилинозитолфосфаты. Было показано, что гидрофобные взаимодействия важны даже для многококатионных пептидов и белков, таких как полиосно́вный домен белка MARCKS или гистактофилин, при наличии их естественных гидрофобных якорей^[16].

Ковалентно связанные липидные якоря

Липидные якоря белков ковалентно прикреплены к различным ацильным цепям жирных кислот на цитоплазматической стороне клеточной мембраны посредством пальмитоилирования, миристоилирования или пренилирования. На экзоплазматической (внешней) стороне клеточной мембраны липидные якоря белков ковалентно прикреплены к липидам — гликозилфосфатидилинозитолу (GPI) и холестерину^[17][18]. Ассоциация белков с мембранами с помощью ацилированных остатков — обратимый процесс, поскольку ацильная цепь может быть погружена в гидрофобном кармане связывания белка после диссоциации с мембраной. Этот процесс происходит в бета-субъединицах G-белков. Возможно, из-за этой дополнительной потребности в структурной гибкости липидные якоря обычно связываются с высокогибкими сегментами третичной структуры белков, которые плохо поддаются кристаллографическому исследованию.

Специфическое белок-липидное взаимодействие

P40phox PX-домен NADPH-оксидазы. Средняя плоскость липидного бислоя — чёрные точки. Граница области углеводородного ядра — синие точки (внутриклеточная сторона). Слой фосфолипидов — жёлтые точки.

Некоторые цитозольные белки рекрутируются в различные клеточные мембраны посредством распознавания определённых типов липидов, содержащихся в данной мембране^[19]. Связывание белка с определённым липидом происходит через специфические мембранонацеливающие структурные домены, которые находятся внутри белка и имеют специфические карманы для связывания головных групп липидов, с которыми они связываются. Это типичное биохимическое взаимодействие белка с лигандом, которое стабилизируется за счёт образования межмолекулярных водородных связей, ван-дер-ваальсовых взаимодействий и гидрофобных взаимодействий между белком и липидным лигандом. Такие комплексы также стабилизируются за счёт образования ионных мостиков между аспартатными или глутаматными остатками белка и фосфатами липидов через промежуточные ионы кальция (Ca²⁺). Такие ионные мостики могут возникать и быть стабильными, когда ионы (такие как Ca²⁺) уже связаны с белком в растворе, до связывания липидов. Образование ионных мостиков наблюдается при белково-липидном взаимодействии между доменами типа C2 белка и аннексинами.

Электростатические взаимодействия сильно зависят от ионной силы раствора. Эти взаимодействия относительно слабы при физиологической ионной силе (0,14 М NaCl): ~ 3-4 ккал/моль для небольших катионных белков, таких как цитохром c, харибдотоксин или гистактофилин^[16][20][21].

Пространственное положение в мембране

Ориентация и глубина проникновения многих амфитропных белков и пептидов в мембраны изучаются с помощью сайт-направленной спиновой маркировки^[22], химического мечения, измерения сродства к связыванию с мембраной мутантов белков^[23], флуоресцентной спектроскопии^[24], жидкостной или твёрдотельной ЯМР-спектроскопии^[25], спектроскопии ATR FTIR^[26], рентгеновской или нейтронной дифракции^[27], и вычислительных методов^{[28][29][30][31]}.

Были идентифицированы два различных способа мембранной ассоциации белков. Типичные водорастворимые белки не имеют открытых неполярных остатков или каких-либо других гидрофобных якорей. Поэтому они полностью остаются в водном растворе и не проникают в липидный бислой, что было бы энергетически затратно. Такие белки взаимодействуют с бислоями только электростатически, например, таким образом с мембранами взаимодействуют рибонуклеаза и полилизин. Однако типичные амфитропные белки имеют различные гидрофобные якоря, которые проникают в межфазную область и достигают углеводородной внутренней части мембраны. Такие белки «деформируют» липидный бислой, снижая температуру перехода жидкость-гель липида^[32]. Связывание обычно представляет собой сильно экзотермическую реакцию^[33]. Аналогично происходит ассоциация амфифильных α-спиралей с мембранами^[27][34]. Неструктурированные или развёрнутые пептиды с неполярными остатками или липидными якорями также могут проникать через межфазную область мембраны и достигать углеводородного ядра, особенно когда такие пептиды являются катионными и взаимодействуют с отрицательно заряженными мембранами^[35][36][37].

Категории белков

Ферменты

Периферические ферменты участвуют в метаболизме различных компонентов мембраны, таких как липиды (фосфолипазы и холестериноксидазы), олигосахариды клеточной стенки (гликозилтрансферазы и трансгликозидазы) или белки (сигнальные пептидазы и тиоэстеразы пальмитоиловых белков). Липазы также могут расщеплять липиды, образующие мицеллы или неполярные капли в воде.

Класс	Выполняемые функции	Физиология	Структура
Суперсемейство Альфа/бета гидролаз	Катализируют гидролиз химических связей[38].	Включает бактериальные, грибковые, желудочные и панкреатические липазы, тиоэстеразы пальмитилированных белков, кутиназы и холинэстеразы.	Центральный бета-лист вставлен между двумя слоями альфа-спиралей[39].
Фосфолипаза A2 (секретируемая и цитозольная)	Гидролиз связи sn-2 положения ацильного остатка жирной кислоты в фосфолипиде[40].	Расщепление липидов, разрушение мембран и липидная сигнализация.	Содержит каталитическую триаду аминокислот: аспартат, серин и гистидин[41].
Фосфолипаза C	Гидролизует PIP2, фосфатидилинозитол, на два вторичных мессенджера (посредника) — инозитолтрифосфат и диацилглицерол[42].	Липидная сигнализация.	Сердцевинная структура (кор), состоящая из расщепленного цилиндра триозофосфат-изомеразы (ТИМ), который имеет активный участок, каталитические остатки и участок связывания Ca2+[43].
Холестерол оксидазы	Окисляют и изомеризуют холестерин в холест-4-ен-3-он[44].	Истощают содержание холестерина в клеточные мембранах, который используется в бактериальном патогенезе.	Две петли остатка, которые действуют как крышка на активном сайте[45].
Каротиноидная оксигеназа	Расщепляет каротиноиды[46].	Каротиноиды используются в растениях и животных как гормоны (в том числе витамин А в организме человека), пигменты, вкусовые и цветочные ароматические вещества, а также защитные соединения.	Состоит из множества ферментов (мультиферментный комплекс), соединённых между собой и образующих ветвистые структуры[47].
Липоксигеназы	Железосодержащие ферменты, катализирующие диоксигенацию полиненасыщенных жирных кислот[48].	У животных липоксигеназы участвуют в синтезе медиаторов воспаления, известных как лейкотриены.	Сотни аминокислот, составляющих белок, организованы в два домена: N-концевой — бета лист и спиральный C-концевой[49].
Альфа токсины	Расщепляют фосфолипиды в клеточной мембране, подобно фосфолипазе С[50].	Являются факторами вирулентности Clostridium perfringens. Бактериальный патогенез.	Растворимый мономер с олигомерными «предпоровыми» комплексами[51].
Сфингомиелиназа С	Фосфодиэстераза, расщепляет фосфодиэфирные связи[52].	Деградация липидов, таких как сфингомиелин.	Домен сапозина и соединительные области с металлофосфатным каталитическим доменом[53].
Гликозилтрансферазы: MurG (эссенциальная бактериальная гликозилтрансфераза, или муреиновая гликозилтрансфераза) и трансгликозидазы.	Катализируют перенос углеводных соединений от активированных донорных молекул к специфическим акцепторным молекулам, образуя гликозидные связи[54].	Биосинтез дисахаридов, олигосахаридов и полисахаридов (гликоконъюгатов), MurG (эссенциальная бактериальная гликозилтрансфераза, или муреиновая гликозилтрансфераза) участвует в биосинтезе бактериального пептидогликана.	Три петли, богатые глицином: одна в С-конце и две в N-конце[55].
Феррохелатаза	Катализирует процесс превращения протопорфирина IX в гем[56].	Протопорфирины участвуют в метаболизме порфиринов (гема, хлорофилла итд.) и используются для укрепления яичной скорлупы.	Полипептид, сложенный из двух доменов, каждый из которых имеет четырёхцепочечный параллельный бета-лист, фланкированный альфа-спиралями[57].
Семейство белков, связанных с миотубулярином	Липидфосфатаза, дефосфорилирующая фосфатидилинозитол-3-фосфат и фосфатидилинозитол-3,5-бисфосфат[58].	Необходим для дифференцировки мышечных клеток.	Содержит GRAM-домен, SET-взаимодействующий домен и PDZ-связывающий домен[59].
Дигидрооротатдегидрогеназы	Окисление дигидрооротата (DHO) до оротата[60].	Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов в прокариотических и эукариотических клетках.	Состоит из двух доменов: альфа/бета бочкообразного домена, содержащего активный сайт, и альфа-спирального домена, образующего туннель для открытия активного сайта[61].
Оксидаза гликолевой кислоты	Катализирует окисление α-гидроксикарбоновых кислот до соответствующих α-кетокислот[62].	У зелёных растений фермент участвует в фотодыхании. У животных фермент участвует в синтезе оксалата.	β8/α8 фолд, содержащий альфа-спирали, бета-спирали, петли и повороты[63].

Мембранно-нацеленные домены («липидные зажимы»)

Домен C1 PKC-дельта (1ptr). Средняя плоскость липидного бислоя — чёрные точки. Граница области углеводородного ядра — синие точки (цитоплазматическая сторона). Слой фосфолипидов — жёлтые точки.

Мембранно-нацеленные домены специфически связываются с головными группами своих липидных лигандов, встроенных в мембрану. Эти липидные лиганды присутствуют в разных концентрациях в различных типах биологических мембран (например, фосфатидилинозитол-3-фосфат можно обнаружить в основном в мембранах ранних эндосом, фосфатидилинозитол-3,5-бисфосфат — в поздних эндосомах, а фосфатидилинозитол-4-фосфат — в мембране комплекса Гольджи)^[19]. Таким образом, каждый домен нацелен на определённую мембрану.

• Домены C1 связывают эфиры форбола.
• Домены C2 связывают фосфатидилсерин, фосфатидилхолин, фосфатидилинозитол-3,4-бисфосфат или фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат.
• Домены плекстриновой гомологии (PH-домены), домены PX и домены Tubby связывают разные фосфоинозитиды.
• Домены FYVE более специфичны для фосфатидилинозитол-3-фосфата.
• Домены ENTH связывают фосфатидилинозитол-3,4-бисфосфат или фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат.
• Домен ANTH связывает фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат.
• Белки семейства ERM (ezrin/radixin/moesin) связывают фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат.
• Другие фосфоинозитид-связывающие белки включают фосфотирозин-связывающий домен и некоторые PDZ-домены. Они связывают фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат.
• Дискоидиновые домены факторов свёртывания крови
• Домены ENTH, VHS и ANTH.

Структурные домены

Структурные домены опосредуют прикрепление других белков к мембранам. Их связывание с мембранами может быть опосредовано ионами кальция (Ca²⁺), которые образуют мостики между кислыми остатками белка и фосфатными группами липидов, как в аннексинах или GLA-доменах.

Класс	Выполняемые функции	Физиология	Структура
Аннексины	Кальций-зависимое связывание внутриклеточной мембраны с фосфолипидами[64].	Функции включают транспортировку везикул, слияние мембран и формирование ионных каналов.	Сердцевина (кор) аннексинов включает в себя 310 аминокислот, который состоит из четырёх аннексиновых повторов, каждый из которых состоит из 5 альфа-спиралей[65].
Синапсин I	Покрывает синаптические везикулы и связывается с несколькими цитоскелетными элементами[66].	Функции регуляции высвобождения нейромедиаторов.
Синуклеин	Неизвестная клеточная функция[67].	Предполагается, что он играет роль в регулировании стабильности и/или вращение плазматической мембраны. Связан как с болезнью Паркинсона, так и с болезнью Альцгеймера.	Имеет структуру, схожую с тубулин/актин-связывающими белками.
GLA-домены белков системы свёртывания крови	Гамма-карбоксиглутаматные (GLA)-домены отвечают за высокоаффинное связывание ионов кальция[68].	Участвуют в функционировании факторов свёртывания в каскаде свёртывания крови.
Спектрин и α-актинин-2	Обнаружен в нескольких цитоскелетных и микрофиламентных белках[69].	Поддержание целостности плазматической мембраны и структуры цитоскелета.

Переносчики небольших гидрофобных молекул

Эти периферические белки выполняют функцию переносчиков неполярных соединений между различными типами клеточных мембран или между мембранами и цитозольными белковыми комплексами. К транспортируемым веществам относятся фосфатидилинозитол, токоферолы, ганглиозиды, гликолипиды, производные стеролов, ретинол, жирные кислоты, вода, макромолекулы, эритроциты, фосфолипиды и нуклеотиды.

• Белки-переносчики гликолипидов^[70][71]
• Липокалины, включая ретинол-связывающие белки и белки, связывающие жирные кислоты
• Полиизопреноид-связывающий белок, например, белковый домен YceI
• Белки-активаторы ганглиозида GM2
• Домен CRAL-TRIO (белки-переносчики α-токоферола и фосфатидилинозитола sec14p)
• Белки-переносчики стеринов
• Белки переноса фосфатидилинозитола и домены STAR
• Оксистерол-связывающий белок.

Переносчики электронов

Эти белки участвуют в цепях переноса электронов. К ним относятся цитохром c, купредоксины, высокопотенциальный железо-серный белок, адренодоксин-редуктаза, некоторые флавопротеины и другие.

Полипептидные гормоны, токсины и антимикробные пептиды

Многие гормоны, токсины, ингибиторы или антимикробные пептиды специфически взаимодействуют с трансмембранными белковыми комплексами. Они также могут накапливаться на поверхности липидного бислоя до связывания своих белков-мишеней. Такие полипептидные лиганды часто положительно заряжены и электростатически взаимодействуют с анионными мембранами.

Некоторые водорастворимые белки и пептиды также могут образовывать трансмембранные каналы. Обычно они подвергаются олигомеризации, значительным конформационным изменениям и необратимо связываются с мембранами. 3D-структура одного из таких трансмембранных каналов, α-гемолизина, уже определена. В других случаях экспериментальная структура представляет собой водорастворимую конформацию, взаимодействующую с липидным бислоем периферически, хотя некоторые каналообразующие пептиды достаточно гидрофобны и поэтому изучались методом ЯМР-спектроскопии в органических растворителях или в присутствии мицелл.

Класс	Белки	Физиология
Токсины и яды	Токсины скорпиона Змеиный яд Конотоксины Понератоксины (насекомые)	Хорошо известные типы биологических токсинов включают нейротоксины, цитотоксины, гемотоксины и некротоксины. Биологические токсины выполняют две основные функции: хищническую (токсины змей, скорпионов и улиток конусов) и защитную (токсины медоносных пчёл и муравьёв)[72].
Токсины морских анемон	Ингибирующий натриевые каналы токсин морской анемоны Нейротоксин III Цитолизины	Ингибирование натриевых и калиевых каналов и образование мембранных пор — основные воздействия, оказываемые более 40 известных пептидных токсинов морских анемон. Морские анемоны — плотоядные животные и используют токсины для охоты и защиты; токсин анемоны по токсичности схож с наиболее токсичными фосфорорганическими боевыми отравляющими веществами[73].
Бактериальные токсины	Перфринголизин O Ботулинический токсин B Термостабильный энтеротоксин B δ-эндотоксины Бактериоцины, такие как микроцин Лантибиотические пептиды, такие как низин Грамицидин С	Микробные токсины являются основными факторами вирулентности различных патогенных бактерий. Некоторые токсины образуют поры, которые лизируют клеточные мембраны. Другие токсины ингибируют синтез белка или активируют пути вторичного мессенджера, вызывая резкие изменения в путях передачи сигналов, критически важных для поддержания различных клеточных функций. Некоторые бактериальные токсины могут воздействовать непосредственно на иммунную систему, выступая в роли суперантигенов и вызывая массовую пролиферацию Т-клеток, что приводит к перенапряжению иммунной системы. Ботулотоксин — это сильнейший нейротоксин, который не позволяет нейросекреторным везикулам стыковаться с плазматической мембраной нервного синапса, подавляя высвобождение нейротрансмиттеров[74].
Токсины грибов	Циклические липопептидные антибиотики Сурфактин и даптомицин Пептаиболы	Эти пептиды характеризуются наличием необычной аминокислоты, α-аминоизомасляной кислоты, и проявляют антибиотические и противогрибковые свойства благодаря своей мембранной каналообразующей активности[75].
Антимикробные пептиды	Пептид HP Сапозин B и NK-лизин Лактоферрицин B Магайнин и Плеуроцидин	Способы действия антимикробных пептидов, убивающих бактерии, разнообразны и включают в себя разрушение мембран, вмешательство в метаболизм и воздействие на цитоплазматические компоненты. В отличие от многих обычных антибиотиков, эти пептиды, по-видимому, являются бактериоцидными, а не бактериостатическими.
Дефензины	Дефензины насекомых Растительные дефензины, включая циклотиды и тионины	Дефензины представляют собой разновидность антимикробного пептида; и являются важным компонентом практически всех врождённых защитных механизмов хозяина против микробной инвазии. Дефензины проникают в мембраны микробных клеток посредством электрического притяжения и образуют поры в мембране, обеспечивающие эффлюкс (отток), что в конечном итоге приводит к лизису микроорганизмов[76].
Нейрональные пептиды	Тахикининовые пептиды	Данные белки вызывают возбуждение нейронов, вызывают поведенческие реакции, являются мощными вазодилататорами и отвечают за сокращение многих типов гладких мышц[77].
Регуляторы апоптоза	Bcl-2	Члены семейства Bcl-2 регулируют проницаемость внешней мембраны митохондрий. Bcl-2 сам по себе подавляет апоптоз различных типов клеток, включая лимфоциты и нейрональные клетки.