Биологические мембраны. История открытия

2.7 Изучение трехмерной структуры с помощью рентгеновской дифракции и реконструкции изображения. Кристаллизация мембранных белков 
Наиболее детальную структурную информацию об очищенных мембранных белках можно получить, исследуя методом рентгеновской дифракции трехмерные белковые кристаллы. К сожалению, оказалось, что интегральные мембранные белки очень трудно кристаллизовать. Будучи удалены из своего естественного липидного окружения, неполярные участки липидных молекул склонны агрегировать с образованием неупорядоченных форм, непригодных для кристаллографического анализа. Ясно, что необходимы специальные методы, позволяющие обойти эти трудности, и в этом был достигнут определенный прогресс. Михель обратил внимание, что мембранные белки образуют кристаллы двух типов (рис.2).  
 
Кристаллы типа I напоминают стопки мембран. В них осуществляется латеральное взаимодействие между неполярными участками, а мембраноподобные слои связывают полярные участки белков. Подобные кристаллы были получены для нескольких белков, но ни в одном случае их нельзя было исследовать с помощью дифракции с высоким разрешением. Кристаллы типа II стабилизируются за счет контактирования полярных участков белковых молекул, а небольшие амфифильные соединения или детергенты в основном заполняют промежутки между ними. Заметим, что очень важными являются размер, заряд и другие свойства детергентов; если эти параметры неблагоприятны, то детергент может дестабилизировать кристаллическую структуру. Кристаллы типа II образуют белки фотосинтетического реакционного центра Rhodopseudomonas viridis 
 
 
 
Рис.2. Два основных типа кристаллов мембранных белков.  
 
Кристаллы типа I представляют собой двумерные стопки, упорядоченно расположенные в третьем измерении. В кристаллах типа II с гидрофобными поверхностями белков связаны молекулы детергента. Пунктиром отмечены гидрофильные домены белков.  
 
Итак, мембранные белки можно кристаллизовать, и хотя число успешных попыток пока невелико, можно сделать несколько выводов, касающихся методологии кристаллизации.  
 
1. Белки кристаллизуются вместе с детергентом.  
 
2. Очень важен выбор детергента. По-видимому, наиболее пригодны цвиттерионные или неионные детергенты с высокой ККМ и малым размером мицелл 
 
3. Кристаллизация облегчается в присутствии малых амфифильных органических молекул, по-видимому, влияющих на полярные концевые группы детергента.  
 
4. Полиэтиленгликоль и сульфат аммония, обычно использующиеся при кристаллизации растворимых белков, применяются и для индукции кристаллизации мембранных белков.

Заключение

Биологические мембраны являются важной частью клетки. Они ограничивают клетку от окружающей среды , защищают ее от вредных внешних  воздействий, управляют обменом  веществ между клеткой и ее окружением, способствует генерации  электрических потенциалов, участвуют в синтезе универсального аккумулятора энергии – аденозинтрифосфорной кислоты в митохондриях и т.д. По существу, мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембран лежит в основе необратимого повреждения клеток и, как следствие, развития тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной систем и пр.

Исследование  мембран все еще остается трудной задачей, требующей оригинальных подходов и нетривиальных решений. Тем не менее, каждый год появляются все новые сообщения о совершенствовании уже имеющихся методов. С разработкой новых методов очистки мембранных белков, основанных на применении различных детергентов, а так же с использованием методов секвенирования ДНК удается получить новую информацию о структуре мембранных белков. Данные по вторичной и четвертичной структуре очищенных мембранных белков можно получить с помощью биохимических и спектроскопических методов. Однако для построения моделей с высоким разрешением следует применять рентгеноструктурный анализ. Показательным в этом отношении является успех, достигнутый при изучении реакционных центров бактерий.

Список  использованной литературы:

1. Геннис Р. Биомембраны: молекулярная структура и функции. – М.: Мир, 1997
2. Овчинников Ю.А.Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1998.
3. Введение в биомембранологию. Под ред. А.А.Болдырева. – М.:Издательство МГУ, 1990
4. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. – М.: Мир, 1987
5. Ленинджер А. Основы биохимии. – М.: Мир, 1988
6. Бергельсон Л.Д. Мембраны. Молекулы. Клетки. – М.: Наука, 1982