Мембранні білки — це білки, які асоційовані з клітинною мембраною або вбудовані в неї. Вони відіграють ключову роль у багатьох фізіологічних процесах, включаючи транспорт речовин, передачу сигналів, підтримку структури та міжклітинні взаємодії. Ось докладний опис їхніх функцій із хімічної, структурної та біологічної точок зору.
Класифікація мембранних білків
Перед описом функцій важливо розрізнити типи мембранних білків за їхньою локалізацією та взаємодією з мембраною:
- Інтегральні: Повністю або частково вбудовані в ліпідний бішар (наприклад, іонні канали, транспортери).
- Периферичні: Прикріплені до поверхні мембрани через нековалентні взаємодії (наприклад, спектрин у еритроцитах).
- Ліпідно-якорні: Приєднані до мембрани через ковалентно зв’язані ліпідні групи (наприклад, GPI-якорні білки).
Основні функції мембранних білків
Мембранні білки виконують широкий спектр функцій, які можна поділити на кілька категорій:
1. Транспорт речовин через мембрану
Мембрани є напівпроникними бар’єрами, і мембранні білки забезпечують контрольований рух молекул та іонів.
- Канали:
- Функція: Пасивний транспорт іонів або малих молекул за градієнтом концентрації чи електрохімічного потенціалу.
- Приклади:
- Натрієві (Na⁺) і калієві (K⁺) канали — генерація потенціалу дії в нейронах.
- Аквапорини — транспорт води в нирках і клітинах мозку.
- Особливості: Висока швидкість (10⁶–10⁸ іонів/с), селективність (наприклад, K⁺-канали пропускають лише калій).
- Транспортери (переносники):
- Функція: Переміщення молекул через мембрану, часто проти градієнта концентрації (активний транспорт) або за градієнтом (полегшена дифузія).
- Приклади:
- Глюкозний транспортер (GLUT) — полегшена дифузія глюкози в клітини.
- Na⁺/K⁺-АТФаза — активний транспорт Na⁺ і K⁺ із використанням АТФ.
- Особливості: Менш швидкі, ніж канали, але можуть працювати проти градієнта.
- Насоси:
- Функція: Активний транспорт із витратою енергії (зазвичай АТФ) для створення градієнтів.
- Приклади:
- Кальцієвий насос (Ca²⁺-АТФаза) — виведення Ca²⁺ із цитоплазми в саркоплазматичний ретикулум.
- Протонний насос (H⁺-АТФаза) — у мітохондріях для синтезу АТФ.
2. Передача сигналів (сигналізація)
Мембранні білки беруть участь у сприйнятті зовнішніх сигналів і передачі їх усередину клітини.
- Рецептори:
- Функція: Зв’язування лігандів (гормонів, нейротрансмітерів) і запуск внутрішньоклітинних сигнальних шляхів.
- Приклади:
- G-білокспряжені рецептори (GPCR): Зв’язують адреналін, активують аденілатциклазу.
- Тирозинкіназні рецептори: Рецептор інсуліну, запускає фосфорилювання.
- Іонотропні рецептори: Нікотинові ацетилхолінові рецептори (ліганд-залежні канали).
- Особливості: Зміна конформації при зв’язуванні ліганда активує внутрішньоклітинний каскад.
- Сигнальні адаптери:
- Функція: З’єднують рецептори з ефекторними молекулами.
- Приклад: Білки, що зв’язують G-білки до ферментів (фосфоліпази C).
3. Структурна підтримка та стабілізація мембрани
Мембранні білки допомагають підтримувати форму клітини та її механічні властивості.
- Цитоскелетні якорі:
- Функція: Зв’язують мембрану з цитоскелетом.
- Приклади:
- Анкірин і спектрин в еритроцитах — підтримують двояковгнуту форму.
- Інтегрини — зв’язок із позаклітинним матриксом.
- Особливості: Забезпечують стійкість до деформації.
- Стабілізація ліпідного бішару:
- Функція: Регулюють плинність і організацію мембрани.
- Приклад: Холестерин разом із білками (наприклад, флотиліни) формує ліпідні рафти.
4. Міжклітинні взаємодії
Мембранні білки беруть участь у контактах між клітинами та їхньому розпізнаванні.
- Адгезійні білки:
- Функція: Забезпечують зчеплення клітин у тканинах.
- Приклади:
- Кадгерини — кальцій-залежна адгезія в епітелії.
- Інтегрини — зв’язок із позаклітинним матриксом (колагеном, фібронектином).
- Особливості: Критичні для ембріогенезу та загоєння тканин.
- Розпізнавальні білки:
- Функція: Ідентифікація “свого” і “чужого”.
- Приклад: Глікопротеїни MHC (головний комплекс гістосумісності) для імунного розпізнавання.
5. Ензиматична активність
Деякі мембранні білки є ферментами, які каталізують реакції на поверхні мембрани.
- Ферменти:
- Функція: Каталіз біохімічних процесів.
- Приклади:
- Аденілатциклаза — синтез цАМФ для сигналізації.
- Фосфоліпаза C — гідроліз фосфоліпідів.
- Na⁺/K⁺-АТФаза — гідроліз АТФ для транспорту.
- Особливості: Активний центр часто розташований на цитоплазматичній або зовнішній стороні мембрани.
6. Імунна та захисна функція
Мембранні білки беруть участь у захисті клітини від патогенів.
- Імунні рецептори:
- Функція: Розпізнавання антигенів.
- Приклад: Т-клітинні рецептори (TCR) на лімфоцитах.
- Комплементарні білки:
- Функція: Формування пор у мембранах патогенів.
- Приклад: Комплекс C5b-9 (MAC) системи комплементу.
7. Регуляція обміну речовин
Мембранні білки впливають на метаболізм, контролюючи потік субстратів і продуктів.
- Транспорт метаболітів:
- Приклад: Транспортери глюкози (GLUT) для енергетичного обміну.
- Регуляція іонного балансу:
- Приклад: CFTR (Cl⁻-канал) у регуляції водно-сольового обміну.
Структура і функція: зв’язок
- Гідрофобні домени: Дозволяють вбудовуватися в мембрану, забезпечуючи транспорт чи адгезію.
- Гідрофільні пори: У каналах і транспортерах для пропускання полярних молекул.
- Зміна конформації: У рецепторах і каналах для активації чи закриття.
- Глікозилювання: Додає вуглеводи до зовнішньої поверхні для розпізнавання чи захисту.
Приклади мембранних білків і їх функцій
- Na⁺/K⁺-АТФаза: Активний транспорт, підтримка потенціалу спокою.
- GPCR (адреналіновий рецептор): Сигналізація через цАМФ.
- Інтегрини: Адгезія і зв’язок із цитоскелетом.
- Аквапорин-2: Регуляція водного балансу в нирках.
- Гемоглобін-рецептор (у Plasmodium): Транспорт поживних речовин у паразитів.
Біологічне значення
- Гомеостаз: Регуляція іонного і водного балансу.
- Комунікація: Передача сигналів між клітинами і зовнішнім середовищем.
- Життєдіяльність: Без мембранних білків клітина не могла б обмінюватися речовинами чи реагувати на стимули.
Патології
- Каналопатії: Мутації в іонних каналах (епілепсія, муковісцидоз).
- Рецепторні порушення: Дефект інсулінових рецепторів при діабеті 2 типу.
- Адгезійні дефекти: Порушення кадгеринів при метастазуванні раку.
Цікаві факти
- Мембранні білки становлять ~30% усіх білків у клітині.
- Na⁺/K⁺-АТФаза споживає до 30% АТФ у нейронах.
- Першу структуру мембранного білка (бактеріородопсину) розшифрували в 1970-х.