Роль β- и α-структур мембранных белков в изменении структуры плазмалеммы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Изменение структуры плазматических мембран влияет на функции мембран и клеток. Некоторые из этих изменений могут приводить к развитию патологий организма, что делает актуальной задачу изучения влияния изменений структуры мембран на их функции. В настоящее время установлено, что при взаимодействии гормонов стресса и андрогенов с плазматическими мембранами происходит изменение их структуры. При этом в плазмалеммах меняются взаимодействия между белками и липидами, образуется неподвижная квазипериодическая сеть белок-липидных доменов, связанная с цитоскелетом. Инициаторами образования белок-липидных доменов являются мембранные белки, которые изменили свою вторичную структуру при взаимодействии мембраны с гормонами. Вместе с тем всё ещё не ясно, какие именно изменения во вторичной структуре мембранных белков способствуют образованию вокруг них белок-липидных доменов. Целью данной работы являлось установление этих вторичных структур мембранных белков. Для достижения поставленной цели изучались изменения структуры мембран при их взаимодействии с дегидроэпиандростероном, кортизолом, андростероном, тестостероном и адреналином. В работе для изучения изменения структуры мембран использовались флуоресцентные методы измерения спектров возбуждения и испускания собственной флуоресценции мембранных белков и относительной микровязкости мембран с помощью зонда пирен. Изменение вторичной структуры мембранных белков при структурных переходах в мембранах изучалось с помощью ИК-спектроскопии. Установлено, что инициаторами появления белок-липидных доменов в плазматических мембранах являются мембранные белки, в которых после взаимодействия с гормонами увеличивается доля β-структур. При этом появление новых α-спиралей в мембранных белках не усиливает притяжение между мембранными белками, белок-липидные домены не образуются. Напротив, появление большого числа α-спиралей в мембранных белках может привести к уменьшению микровязкости липидного бислоя.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. В. Мокрушников

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

Автор, ответственный за переписку.
Email: pavel.mokrushnikov@bk.ru
Россия, 630008 Новосибирск

В. Я. Рудяк

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин); Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: pavel.mokrushnikov@bk.ru
Россия, 630008 Новосибирск; 630090 Новосибирск

Список литературы

  1. Боровская М. К., Кузнецова Э. Э., Горохова В. Г., Корякина Л. Б., Курильская Т. Е., Пивоваров Ю. И. (2010) Структурно-функциональная характеристика мембраны эритроцита и ее изменения при патологиях разного генеза, Бюллетень ВСНЦ СО РАМН, 3, 334-354.
  2. Боронихина Т. В., Ломановская Т. А., Яцковский А. Н. (2021) Плазмолемма эритроцитов и ее изменения в течение жизни клеток, Журн. Анат. Гистопатол., 10, 62-72.
  3. Mokrushnikov, P. V., Panin, L. E., and Zaitsev, B. N. (2015) The action of stress hormones on the structure and function of erythrocyte membrane, Gen. Physiol. Biophys., 34, 311-321.
  4. Мокрушников П. В., Панин Л. Е., Панин В. Е., Козельская А. И., Зайцев Б. Н. (2019) Структурные переходы в мембранах эритроцитов (экспериментальные и теоретические модели), Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), Новосибирск.
  5. Mokrushnikov, P. V. (2019) In Lipid Bilayers: Properties, Behavior and Interactions (Mohammad Ashrafuzzaman, ed) Nova Science Publishers, New York, pp. 43-91.
  6. Мокрушников П. В. (2017) Механические напряжения в мембранах эритроцитов (теоретическая модель), Биофизика, 62, 330-335.
  7. Мокрушников П. В., Рудяк В. Я. (2023) Механическая модель образования складок на плазматической мембране, Докл. Акад. Наук Высш. Школы Российской Федерации, 59, 29-40.
  8. Panin, L. E., Mokrushnikov, P. V., Kunitsyn, V. G., Panin, V. E., and Zaitsev, B. N. (2011) Fundamentals of multilevel mesomechanics of nanostructural transitions in erythrocyte membranes and their destructions in interaction with stress hormones, Phys. Mesomech., 14, 167-177, https://doi.org/10.1016/j.physme.2011.08.008.
  9. Панин Л. Е., Мокрушников П. В. (2014) Воздействие андрогенов на активность Na+,K+-АТФазы эритроцитарных мембран, Биофизика, 59, 127-133.
  10. Куницын В. Г., Мокрушников П. В., Панин Л. Е. (2007) Механизм микроциркуляции эритроцита в капиллярном русле при физиологическом сдвиге pH, Бюлл. Сиб. Отдел. Росс. Акад. Мед. Наук, 5, 28-32.
  11. Мокрушников П. В. (2010) Влияние pH на поверхностное натяжение взвеси эритроцитов, Бюлл. Сиб. Отдел. Росс. Акад. Мед. Наук, 1, 38-46.
  12. Mokrushnikov, P. V., Rudyak, V. Ya., Lezhnev, E. V. (2021) Mechanism of gas molecule transport through erythrocytes’ membranes by kinks-solitons, Nanosystems Phys. Chem. Math., 12, 22-31, https://doi.org/10.17586/2220-8054-2021-12-1-22-31.
  13. Мокрушников П. В., Рудяк В. Я. (2023) Модель диффузии липидов в цитоплазматических мембранах, Биофизика, 68, 41-56.
  14. Dodge, J., Mitchell, C., and Hanahan, D. (1963) The preparation and chemical characteristics of hemoglobin-free ghosts of human erythrocytes, Arch. Biochem. Biophys., 100, 119-130, https://doi.org/10.1016/0003-9861(63)90042-0.
  15. Добрецов Г. Е. (1989) Флуоресцентные зонды в исследовании клеток, мембран и липопротеинов: монография, Наука, Москва.
  16. Dawson Rex, M. C., Elliot, D. C., Elliot, W. H., and Jones, K. M. (1986) Data for Biochemical Research, Clarendon Press, Oxford.
  17. ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей МИ 2083-90.
  18. Dembo, M., Glushko, V., Aberlin, M. E., and Sonenberg, M. (1979) A method for measuring membrane microviscosity using pyrene excimer formation. Application to human erythrocyte ghosts, Biochim. Biophys. Acta, 552, 201-211, https://doi.org/10.1016/0005-2736(79)90277-3.
  19. Владимиров Ю. А., Добрецов Г. Е. (1980) Флуоресцентные зонды в исследовании биологических мембран: монография, Наука, Москва.
  20. Yang, H., Yang, S., Kong, J., Dong, A., and Yu, S. (2015) Obtaining information about protein secondary structures in aqueous solution using Fourier transform IR spectroscopy, Nat. Protoc., 10, 382-396, https://doi.org/10.1038/nprot.2015.024.
  21. Barth, A., and Zscherp, C. (2002) What vibrations tell us about proteins, Quart. Rev. Biophys., 35, 369-430, https://doi.org/10.1017/S0033583502003815.
  22. Носенко Т. Н., Ситникова В. Е., Стрельникова И. Е., Фокина М. И. (2021) Практикум по колебательной спектроскопии, Изд. Университета ИТМО, СПб.
  23. Semenov, M. A., Bol’bukh, T. V., Kashpur, V. A., Maleyev, V. Ya., and Mrevlishvili, G. M. (1994) Hydration and stability of the β-form of LiDNA, Biophysics, 39, 47-54.
  24. Van Montfort, R., Slingsby, C., and Vierling, E. (2001) Structure and function of the small heat shock protein/alpha-crystallin family of molecular chaperones, Adv. Protein Chem., 59, 105-156, https://doi.org/10.1016/S0065-3233(01)59004-X.
  25. Vetri, V., D’Amico, M., Fodera, V., Leone, M., Ponzoni, A., Sberveglieri, G., and Militello, V. (2011) Bovine serum albumin protofibril-like aggregates formation: Solo but not simple mechanism, Arch. Biochem. Biophys., 508, 13-24, https://doi.org/10.1016/j.abb.2011.01.024.
  26. Sciandrone, B., Ami, D., D’Urzo, A., Angeli, E., Relini, A., Vanoni, M., Natalello, A., and Regonesi, M. E. (2023) HspB8 interacts with BAG3 in a “native-like” conformation forming a complex that displays chaperone-like activity, Protein Sci., 32, e4687, https://doi.org/10.1002/pro.4687.
  27. Killian, J. A., and von Heijne, G. (2000) How proteins adapt to a membrane-water interface, Trends Biochem. Sci., 25, 429-434, https://doi.org/10.1016/S0968-0004(00)01626-1.
  28. Montoyaa, M., and Gouaux, E. (2003) β-barrel membrane protein folding and structure viewed through the lens of α-hemolysin, Biochim. Biophys. Acta, 1609, 19-27, https://doi.org/10.1016/S0005-2736(02)00663-6.
  29. Довидченко Н. В., Леонова Е. И., Галзитская О. В. (2014) Механизмы образования амилоидных фибрилл, Усп. Биол. Хим., 54, 203-230.
  30. Sunde, M., and Blake, C. (1997) The structure of amyloid fibrils by electron microscopy and X-ray diffraction, Adv. Protein Chem., 50, 123-159, https://doi.org/10.1016/S0065-3233(08)60320-4.
  31. Кузнецов А. С., Дубовский П. В., Воронцова О. В., Феофанов А. В., Ефремов Р. Г. (2014) Взаимодействие линейных катионных пептидов с фосфолипидными мембранами и полимерами сиаловой кислоты, Биохимия, 79, 583-594.
  32. Ефремов Р. Г. (2015) Белки в мембранах: «хозяева» или гости? (по данным компьютерного эксперимента), Материалы VII Российского симпозиума «белки и пептиды». Новосибирск.
  33. Мокрушников П. В., Дударев А. Н., Ткаченко Т. А., Городецкая А. Ю., Усынин И. Ф. (2016) Влияние нативного и окислительно модифицированного аполипопротеина А-I на микровязкость липидного бислоя плазматической мембраны эритроцитов, Биол. Мембр., 33, 406-411, https://doi.org/10.7868/S0233475516060074.
  34. Ajees, A. A., Anantharamaiah, G. M., Mishra, V. K., Hussain, M. M., and Murthy, K. H. M. (2006) Crystal structure of lipid-free human apolipoprotein A-I, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 2126-2131, https://doi.org/10.1073/pnas.0506877103.
  35. Acton, S., Rigotti, A., Landschulz, K.T., Xu, S., Hobbs, H.H., and Krieger, M. (1996) Identification of scavenger receptor SR-BI as a high density lipoprotein receptor, Science, 271, 518-520, https://doi.org/10.1126/science.271.5248.518.
  36. Ji, Y., Jian, B., Wang, N., Sun, Y., Moya, M. L., Phillips, M. C., Rothblat, G. H., Swaney, J.B., and Tall, A.R. (1997) Scavenger receptor BI promotes high density lipoprotein-mediated cellular cholesterol efflux, J. Biol. Chem., 272, 20982-20985, https://doi.org/10.1074/jbc.272.34.20982.
  37. Панин Л. Е., Тузиков Ф. В., Тузикова Н. А., Харьковский А. В., Усынин И. Ф. (1999) Влияние комплекса тетрагидрокортизол-аполипопротеин А-1 на биосинтез белка в гепатоцитах и на вторичную структуру эукариотических ДНК, Мол. Биол., 33, 673-678.
  38. Usynin, I. F., Dudarev, A. N., Miroshnichenko, S. M., Tkachenko, T. A., and Gorodetskaya, A. Yu. (2017) Effect of native and modified apolipoprotein A-I on DNA synthesis in cultures of different cells, Cell Technol. Biol. Med., 3, 247-251, https://doi.org/10.1007/s10517-017-3967-8.
  39. Bocharov, E. V., Okhrimenko, I. S., Volynsky, P. E., Pavlov, K. V., Zlobina, V. V., Bershatsky, Ya. V., Kryuchkova, A. K., Kuzmichev, P. K., and Efremov, R. G. (2024) Molecular interactions of β-amyloid peptides as disordered proteins and promising drugs based on D-enantiomeric peptides, in Bioinformatics of Genome Regulation and Structure/Systems Biology, Abstracts the 14th International Multiconference, Novosibirsk, https://doi.org/10.18699/bgrs2024-3.2-02.
  40. Бочаров, Э.В. (2024) Трансмембранный белок – предшественник β-амилоида в патогенезе болезни Альцгеймера и не только, Сборник тезисов докладов «VI Международной конференции ПОСТГЕНОМ’2024, XI Российского симпозиума «Белки и пептиды», Российско-китайского конгресса в области наук о жизни (ПСБ «Патриот», 29 октября–2 ноября 2024), стр. 263, М.: Издательство «Перо», [Электронное издание].

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость величины тушения собственной флуоресценции мембранных белков эритроцитов ∆F от удельной концентрации c во взвеси кортизола (а) и дегидроэпиандростерона (б). ДЭА – дегидроэпиандростерон

Скачать (211KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость относительной микровязкости мембран (L) от удельной концентрации кортизола (а) и дегидроэпиандростерона (б). Кривая 1 – изменение относительной микровязкости в области липид-липидного взаимодействия; кривая 2 – изменение относительной микровязкости в области белок-липидного взаимодействия. ДЭА – дегидроэпиандростерон

Скачать (232KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ИК-спектр поглощения контрольных (без гормонов) образцов мембран эритроцитов крыс в диапазоне ν = 900–1800 см−1 (а); разложение второй производной ИК-спектра поглощения контрольных образцов мембран эритроцитов крыс в области частот амид I (б): 1 – β-лист (30,3%); 2 – 310 α-структура (18,2%); 3 – α-структура (37,1%); 4 – неупорядоченная структура (14,4%)

Скачать (292KB)
Метаданные
5. Рис. 4. ИК-спектр поглощения образцов мембран эритроцитов крыс, инкубированных с кортизолом (c = (2,100 ± 0,063)·10−10 моль/мг белка) в диапазоне ν = 900–1800 см−1 (а); разложение второй производной ИК-спектра поглощения образцов мембран эритроцитов крыс, инкубированных с кортизолом (c = (2,100 ± 0,063)·10−10 моль/мг белка) в области частот амид I (б): 1 – β-лист (5,6%); 2 – β-поворот (11%); 3 – 310 α-структура (31,6%); 4 – α-структура (24,2%); 5 – межмолекулярные β-листы (27%)

Скачать (287KB)
Метаданные
6. Рис. 5. ИК-спектр поглощения образцов мембран эритроцитов крыс, инкубированных с ДЭА (с = = (5,30 ± 0,16)·10−11 моль/мг белка) в диапазоне ν = 900–1800 см−1 (а); разложение второй производной ИК-спектра поглощения образцов мембран эритроцитов крыс, инкубированных с ДЭА (с = (5,30 ± 0,16)·10−11 моль/мг белка) в области частот амид I (б): 1 – β-лист (15,6%); 2 – 310 α-структура (7,6%); 3 – α-структура (37,1%); 4 – неупорядоченная структура (35,5%); 5 – межмолекулярные β-листы (4,2%). ДЭА – дегидроэпиандростерон

Скачать (282KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Механизм β-поворота и образования из пептидной нити β-структуры при помощи молекулы андростерона

Скачать (249KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025