Мембрани містять від 20 до 80% білка (по вазі). При цьому в різних мембранах кількість білків істотно різниться. Так, в мембранах мітохондрій на частку білків припадає близько 75%, а в плазматичній мембрані клітин мієлінової оболонки - близько 25%. Так як ліпідні молекули мають невеликий розмір (5 Å) І невисоку молекулярну масу, їх число в 50 разів більше числа білкових молекул. Тому білкові молекули як би вкраплені в ліпідний бішар мембрани.
Білки розрізняються за своїм становищем в мембрані (рис. 2). Молекули білків можуть глибоко проникати в ліпідний бішар і пронизувати його (інтегральні білки), або прикріплюватися до мембрани різними способами (периферичні білки).
Периферичні білки відрізняються від інтегральних меншою глибиною проникнення в бішар і слабшими білок-ліпідними взаємодіями (тобто меншою залежністю від бислоя). Периферичні білки можуть оборотно змінювати свій статус, прикріплений до мембрани на певний час (такі білки називають амфіпатіческімі). Прикріплюючись до мембрани, вони взаємодіють або з інтегральними білками. або з поверхневими ділянками ліпідного бішару. набуваючи нових властивостей.
Розподіл мембранних білків на периферичні та інтегральні визначається їх структурою, кількістю гідрофобних амінокислот і їх розташуванням в первинній структурі, тобто всіма тими властивостями, які забезпечують взаємодію білка з бішару. Для амфіпатіческіх білків є спеціальні сигнали, що стимулюють їх асоціацію з мембраною (часто таким сигналом є їх фосфорилювання специфічними кіназами, що змінює їх третинну структуру і гідрофобність, точніше - Ліотропні). До таких білків, наприклад, відносять протеїн С, фактори згортання крові.
Білки, що утворюють комплекси з інтегральними білками (до них відноситься ряд травних ферментів, які беруть участь в гідролізі крохмалю і білків), прикріплюються до інтегральних білків мембран мікроворсинок кишечника. Прикладами таких комплексів можуть бути сахараза-ізомальтаза і мальтаза-глікоамілаза. Полярні або заряджені домени білкової молекули можуть взаємодіяти з полярними «головами» ліпідів, утворюючи іонні і водневі зв'язку.
Цікавий приклад регульованого взаємодії з мембраною був виявлений при вивченні амінокислотноїпослідовності интактной форми мікросомного цитохрому b5 (рис. 2). Цей білок бере участь в різних окислювально-відновних реакціях в якості переносника електронів. Його відносно короткий ділянку пептидного ланцюга поблизу карбоксильного кінця складається суцільно з гідрофобних амінокислот. Якщо «гідрофобний якір» видалити за допомогою протеолізу, гемсвязивающій домен втрачає зв'язок з мембраною і вивільняється в середу.
Локалізований в мембрані гідрофобний домен або «якір» є ще одним характерним елементом структури мембранних білків. За допомогою такої структури відбувається закріплення периферичних білків в мембрані.
Відповідно до класифікації, інтегральні білки пронизують ліпідний бішар. Розмір інтегральних мембранних білків в середньому становить 80 Å, Але зустрічаються і більші білки - до 350 Å величиною (білок тилакоидов хлоропластів). Зазвичай ці білки мають виражену асиметрією і, відповідно, асиметрично розташовані в мембрані (рис. 2).
Деякі з трансмембранних білків пронизують мембрану один раз (гликофорин) - бітопіческіе. інші мають кілька ділянок (доменів), послідовно перетинають бішар - політопіческіе (рис. 3). Монотопіческіе білки відносяться до периферичних білків (рис. 3).
Розглянемо бітопіческій білок - гликофорин з мембрани еритроцитів. У його амінокислотної послідовності був виявлений короткий ділянку, що складається з 23 неполярних амінокислот, розташований приблизно в середині ланцюга. Дослідження показали, що молекула глікофорину повністю пронизує мембрану, причому занурений в мембрану гідрофобну ділянку має # 945; -спіральні структуру.
Прикладом політопіческіх білків є транспортні АТФази, бактеріородопсин. Для бактериородопсина з мембрани Halobacterium halobium за даними рентгеноструктурного дослідження фотосинтетических реакційних центрів бактерій було показано, що його молекула містить кілька # 945; -спіральні ділянок, послідовно перетинають бішар (рис. 4).
Багато мембранні білки складаються з двох частин: з ділянок, багатих полярними амінокислотами, і ділянок, збагачених неполярними амінокислотами. Ці білки упаковані в мембранний бішар так, що їх неполярні ділянки контактують з гідрофобними ділянками бислоя.
Аналіз амінокислот деяких мембранних білків показав, що вони містять приблизно стільки ж полярних амінокислот, скільки і звичайні водорозчинні білки, проте у воді вони розчиняються дуже погано. Причина їх гідрофобності криється не в самому амінокислотним складом, а в порядку чергування амінокислотних залишків - гідрофобні амінокислотні радикали не розвіяні уздовж по поліпептидного ланцюга, а сконцентровані в гідрофобні домени.
У структурі багатьох мембранних білків, як правило, чітко розрізняються ділянки, відповідальні за їх біологічну активність. Дуже часто біологічно активна ділянка складається переважно з полярних амінокислот, тоді як і активні домени побудовані, головним чином, за участю амінокислот з неполярними радикалами. Тому ймовірно, що полярна частина мембранного білка контактує з цитоплазмою і з полярними головами ліпідів і забезпечує функціональну активність білка, а неполярная частина зв'язується з вуглеводневими ланцюгами ліпідних молекул і забезпечує структурну стійкість молекули. Однак таке правило не є універсальним. Так, білки, здатні перетворювати гідрофобні субстрати (до них відносяться, наприклад, гідроксилази не розчинні у водній фазі ксенобіотиків) мають гідрофобні кишені. концентрують молекули субстрату для його ферментативної модифікації. Таким чином, очевидно, що мембранні білки зазвичай зв'язуються з мембраною за допомогою нековалентних взаємодій двох типів:
Ø електростатичних (на рівні полярних голів фосфоліпідів)
Ø гідрофобних (в товщі бислоя).
Білки в бішарі вельми лабільні і можуть здійснювати різні види рухів. при цьому рухливість білків в бішарі і їх асоціація контролюється ліпідами (рис. 5).
Деякі мембранні білки переміщаються уздовж бислоя (рис. 5). Наприклад, фосфоліпаза А, зв'язуючись цитоплазматичної поверхнею мембрани, може латерально переміщатися по поверхні бішару і гідролізувати кілька тисяч фосфоліпідів до тих пір, поки не дисоціює від мембрани. Латеральна дифузія інтегральних білків в мембрані обмежена їх великими розмірами. взаємодією з іншими мембранними білками, а також елементами цитоскелету або позаклітинного матриксу. Однак вона також має цілком вимірну величину.
Обертальна рухливість білків (рис. 5) пов'язана з їх обертанням навколо осі, перпендикулярної поверхні бішару. Периферичні білки надають менш значний вплив на стан і рухливість ацильних ланцюгів фосфоліпідів. Навпаки, інтегральні білки сильно обмежують рухливість аннулярная ліпідів. які їх безпосередньо оточують в мембрані. З цієї причини аннулярная ліпіди називають пов'язаними (іммобілізованими). Вони за своєю поведінкою і рухливості відрізняються від ліпідів сумарного ліпідного бішару. Білкові молекули обмежують рухливість примикають до їх поверхні ліпідів, і аннулярная шар виявляється більш впорядкованим. Кількість пов'язаних ліпідів залежить від насиченості мембрани білками.