Н О Сибірна - Глікопротеїни мембран еритроцитівта будоваїхніх вуглеводних детермінант - страница 1

Страницы:
1  2  3  4 

ОГЛЯДИ/REVIEWS

УДК 616.111:577.112.85

ГЛІКОПРОТЕЇНИ МЕМБРАН ЕРИТРОЦИТІВ

ТА БУДОВАЇХНІХ ВУГЛЕВОДНИХ ДЕТЕРМІНАНТ

Н. О. Сибірна, Т. В. Буслик

Львівський національний університет імені Івана Франка вул. Грушевського, 4, Львів 79005, Україна e-mail:sybirna_natalia@yachoo.com

В огляді проаналізовано сучасні дані щодо структури основних глікопротеїнів мембран еритроцитів. Наведено характеристики лектинів, які широко викорис­товуються для дослідження структури їхніх олігосахаридних детермінант.

Ключовіслова: глікопротеїни, мембрани еритроцитів, лектини.

ВСТУП

Поверхневий рецепторний апарат клітинної мембрани є однією з найважли­віших систем, що забезпечують життєдіяльність клітини [27, 36, 47, 61, 62, 65,67]. Кількість рецепторів за різних умов функціонування клітини може змінюватись, але їхня структура залишається відносно стабільною [15, 22, 23, 66]. Вона пред­ставлена переважно глікопротеїнами, вуглеводна частина яких у вигляді олігосаха­ридних ланцюгів утворює надмембранний комплекс. Він відіграє ключову роль у механізмах міграції, адгезії, проліферації та апоптозу клітини [2, 3, 6, 42, 43].

Метою даного огляду є узагальнення сучасних даних про структуру основних глікопротеїнів мембран еритроцитів і аналіз шляхів дослідження їхніх олігосахарид­них структур за допомогою лектинів.

1. Характеристика ключових глікопротеїнів еритроцитів людини

Глікофорини є гетерогенною групою сіалоглікопротеїнів еритроцитарної мемб­рани, які відіграють важливу роль у формуванні структури глікокаліксу на поверхні еритроцита. Вони містять основну частину вуглеводів плазматичної мембрани еритроцитів і, таким чином, вносять найбільший вклад у формування гідрофільних властивостей і негативного заряду поверхні клітини. Великий вуглеводний компо­нент, експонований на зовнішньому боці клітинної мембрани, робить глікофорини головними імунологічними детермінантами поверхні еритроцитів. У глікофоринах містяться детермінанти груп крові MN, Ss, Ge, рецептори, які взаємодіють з поверх­нею бактерій, вірусів (вірус грипу, реовірус), паразитів (малярійний плазмодій) [13, 24, 32, 34, 38, 41, 56, 63]. Стан вуглеводного компонента глікофоринів є сигналомдля розпізнавання старіючих або пошкоджених еритроцитів для подальшого вида­лення їх із кров'яного русла [8,17]. Взаємодіючи з білками цитоскелета, глікофорини впливають на стабільність і механічні властивості еритроцита [12, 42, 58].

Назву „глікофорин" для основного сіалоглікопротеїну еритроцитарних мемб­ран людини дав Марчезі у 1972 р. [59]. Цей білок був відомий як глікопротеїн, що несе детермінанти груп крові М і N, а також як рецептор до аглютинінів вірусу грипу [16, 46].

В еритроцитарній мембрані людини є принаймні 4 окремих сіалоглікопротеїни. Фурсмаєр позначив три з них як глікофорини А,ВіС (GPA, GPB і GPC, відповідно) в порядку зменшення їхньої кількості в мембрані [39]. Ансті описав їх як глікопротеїни а, р, у, 5 у порядку зменшення їхньої молекулярної маси [11]. На електрофореграмах сіалоглікопротеїнів еритроцитів людини, як правило, є більша кількість Шифф-пози-тивних смуг, що відповідають мономерам цих сіалоглікопротеїнів і їхнім гомо- та гетеродимерам (а також олігомерам). Внаслідок молекулярно-генетичних дослід­жень незалежно двома групами науковців був виявлений новий член родини гліко-форинів, позначений як глікофорин Е (Кудо і Фукуда, 1990 і Вігнал, 1990) [53]. Гліко­форини становлять близько 2% від загального вмісту білка еритроцитарної мембрани.

GPAі GPB становлять 85% і 10% Шифф-позитивного матеріалу, відповідно, тоді, як GPC і глікофорин D (GPD) - лише 4% і 1% [39, 40]. Глікофорин Е (GPE) не виявляється таким методом фар-

бування [39]. Ці дані корелюють із кількістю копій кожного глікопротеїну, що становить близько 1х106 на клітину для GPA, від 1х105 до 3х105 для GPB, від 0,5х105 до 1х105 для GPCі2x104для GPD.

GPA - головний сіалоглікопро-теїн еритроцитів людини. Його мо­лекула складається з поліпептидно-го ланцюга, побудованого з 131-го амінокислотного залишка, і кова­лентно зв'язаних із ним 16-ти олі-госахаридних ланцюгів (рис. 1). Первинна структура білка визначена Томітою [68]. GPA має молекулярну масу 30 кДа, близько 60% маси молекули становить вуглеводний компонент, приблизно половина якого - це N-ацетилнейрамінові (сіалові) кислоти [19].

Молекула GPA пронизує ліпід­ний бішар мембрани таким чином, що N-кінцева ділянка з 72 амінокис­лотних залишків і приєднаних до поліпептидного ланцюга олігосаха-ридів розташована ззовні клітини, а С-кінецева - у цитоплазмі клітини. Центральна ділянка з 20-ти пере-

N-кінець

о.

яз

І

Ю >sн

g

N-глікан,    Q) O-глікан

Рис. 1. Просторова структура та схема розташування у плазматичній мембрані глікофорину А

Fig. 1. The spatial structure and configuration scheme of glycophorin A in plasmatic membraneважно неполярних амінокислот перетинає бішар у формі а-спіралі. Цитоплазматичний домен фосфорильований у положенні Ser-102 [35].

При вивченні первинної структури були знайдені дві заміни в положенні 1 і 5 полі-пептидного ланцюга, які визначають антигенність по MN групах крові, описаних Ланд-штейнером і Левіном [54]. Глікофорин із детермінантою групи крові М містить залишки серину і гліцину, тоді як N-глікофорин містить залишки лейцину і глутамінової кисло­ти у положеннях 1 і 5, відповідно. Для прояву антигенних властивостей важливе значення мають О-глікани, приєднані до амінокислотних залишків Ser2 і Thr4. Крім безпосередньої участі в утворенні антигенних детермінант, ці олігосахариди спри­яють формуванню конформації поліпептидного ланцюга, яка впізнається специ­фічними антитілами [33].

GPB складається з 72 амінокислотних залишків, із яких лише 6 міститься на цитоплазматичному боці мембрани еритроцита, причому 3 з них є основними аміно­кислотами, які, як вважають, служать для заякорювання в мембрані. Цей глікопротеїн не несе N-зв'язаного олігосахариду, оскільки консенсусна послідовність для N-глі-козилювання Asn-Asp-Thr [6, 18] (амінокислотні залишки 26-28), яка присутня у гліко-форині А, у GPB є модифікованою в Asn-Gly-Glu. GPB несе детермінанти груп крові Ss, а також N-антиген, оскільки послідовність перших 26 амінокислотних залишків його N-кінця відповідає такій GPAN. Антиген N глікофорину В позначають як N', оскільки, на відміну від N-антигену GPA, він резистентний до трипсинового гідролізу нативних еритроцитів або глікопротеїнів, ізольованих з М і N еритроцитів [24]. Полі­морфізм груп крові Ss визначає заміна Met/Thr, відповідно, в позиції29.

Як показано за допомогою кДНК, GPE складається з 59 амінокислотних залиш­ків і несе М-антиген, оскільки в позиціях 1 і 5 містить Ser і Gly, як в GPAM [53]. Через відсутність консенсусної послідовності N-глікозилювання (Asn-X-Ser/Thr, де X може бути будь-який амінокислотний залишок, крім Pro) GPE не містить N-гліканів, але GPE може нести такі ж О-зв'язані олігосахариди, які присутні в N-кінцевих ділянках GPA і GPB. GPE не містить антигенів груп крові Ss. Від амінокислотного залишку 27 до С-кінця GPE є подібним до С-кінця GPB [64].

GPC і GPD є мінорними сіалоглікопротеїнами еритроцитарної мембрани. Моле­кулярні маси цих сіалоглікопротеїнів становлять 32 і 23 кДа, відповідно. Один полі-пептиднийланцюгGPC побудованийз 128амінокислотних залишків і має молекулярну масу 14 кДа. Цей глікопротеїн містить близько 50% вуглеводів [46]. Поліпептидний ланцюг глікофорину С не має гомології з GPA, GPB, GPE. Типово для інтегральних мембранних білків GPC організований у три структурні домени. Позаклітинний N-кінцевий домен побудований з 57, а внутрішньомембранний домен - з 24 непо­лярних амінокислот. Залишки 58-81 пронизують ліпідний бішар. Третій внутріш­ньоклітинний домен (залишки 82-128) утворює С-кінець молекули [29, 30].

GPD є вкороченою формою GPC - його поліпептидний ланцюг ідентичний з послідовністю амінокислотних залишків від 22 до 128 GPC. GPC і GPD кодуються одним геном. Причиною синтезу GPD є існування двох альтернативних рамок зчитування для одного гена [55].

Глікофорини є маркерами клітинної диференціації. GPA є специфічним для еритроцитарних клітин і в процесі еритроїдної диференціації з'являється на по­верхні клітини на стадії проеритробласту. О-глікозилювання глікофорину А посту­пово зростає протягом еритроїдної диференціації і стає завершеним на стадії поліхроматофільного нормоцита. Ранні форми глікофорину А, очевидно, не несуть активних детермінант груп крові MN. Активність M і N з'являється поступово, почи-наючи зі стадії базофільного нормоцита. На відміну від гена глікофорину А, ген глікофорину С починає експресуватися під час еритроїдної диференціації значно раніше - починаючи зі стадії еритроїдної бурстутворювальної одиниці і еритроїдної колонієутворювальної одиниці. Хоча глікофорин С не є специфічним лише для еритроїдних клітин, його глікозилювання є лінієспецифічним, зокрема, одержано моноклональні антитіла до глікофорину С, які зв'язуються з вуглеводзалежними епітопами цього глікопротеїну лише на еритроїдних клітинах.

Трансмембранна орієнтація глікофоринів дає їм змогу бути посередниками у про­цесах передачі сигналів з поверхні клітини, взаємодіючи з білками цитоскелета [9]. Глікофорини С і D виконують важливу роль у формуванні та регуляції форми еритро­цита і механічних властивостей мембрани, утворюючи зв'язки з білками цитоскелета [51]. Встановлено, що GPC і GPD утворюють кілька типів зв'язків з білками цито­скелета. В утворенні зв'язку з білком 4.1 беруть участь амінокислотні залишки 82­98 GPC (61-77 GPD), крім того, через залишки 112-128 GPC (91-107 в GPD) утворюється зв'язок з білком цитоскелета р55 [12]. Білок р55 іншою ділянкою утворює високоафінний зв'язок з білком 4.1 і власне такий зв'язок цитоскелета з плазматичною мембраною, який включає білок4.1, р55 і GPC або GPD є найміцнішим [45].

На відміну від глікофоринів С і D, глікофорин А не зв'язаний постійно з білками цитоскелета, але взаємодіє з ним після приєднання лігандів до зовнішньоклітинного домену [25,51]. Така ліганд-індукована взаємодія глікофорину Аз білками цитоскелета призводить до збільшення жорсткості мембрани. Встановлено, що після зв'язування моноклональних антитіл або їхніх моновалентних Fab-фрагментів до позаклітинного домену глікофорину А рецептор знерухомлюється, а мембрана стає жорсткішою. Цього не відбувається, коли антитіла зв'язуються з еритроцитами Miltenberger V, які містять мутантну форму глікофорину А з відсутнім цитоплазматичним доменом. Припускають, що здатність трансмембранних рецепторних білків взаємодіяти з цито-скелетом у відповідь на зв'язування ліганда може бути ключовим механізмом трансдукції сигналу через мембрану. Взаємодія глікофорину з цитоскелетом може опосередковуватися поліфосфоінозитидами [10].

Було виявлено також, що глікофорин А людини може взаємодіяти з імуно-глобуліном G і брати участь у зв'язуванні імунних комплексів і їхній доставці до фіксованих тканинних макрофагів.

Ще одним важливим глікопротеїном мембран еритроцитів людини є білок смуги 3. Він становить приблизно 25% загального білка мембрани і представлений 1х106 копій на 1 клітину. Молекулярна вага білка смуги 3 90-100 кДа, з цієї кількості 5500 Да привнесені одним розгалуженим вуглеводним ланцюгом із 30 залишків моноцукрів. Олігосахаридний ланцюг приєднаний до протеїнової частини молекули через залишок аспарагіну у певному домені, який виступає над ліпідним бішаром мембрани приблизно на 40-50 А [49].

У детергентрозчинну фракцію при виділенні білків переходить білок смуги 3 у вигляді димеру, але залежно від умов виділення і очищення можна отримати як тетрамерну, так і мономерну форми [57].

Для зручності відомі функції білка смуги 3 розділили на 3 категорії. По-перше -білок смуги 3 є головним білком-транспортером аніонів у еритроцитарній мембрані, який здійснює швидкий обмін неорганічних аніонів, переважно Cl- наНСО"3, через ліпідний бішар [57]. Білок смуги 3, імовірно, також задіяний у транспорті води через мембрану червоних кров'яних тілець. По-друге - білок смуги 3 містить антигеннідетермінанти, важливі для ідентифікації групової приналежності крові та клітинно-клі­тинної взаємодії [14, 60]. Нарешті, третя група функцій білка смуги 3 полягає в тому, що він задіяний у заякорюванні білків, будучи об'єднувальним компонентом при ство­ренні угруповань цитоплазматичних білків і білків цитоскелета [20, 21, 26, 44].

Таким чином, білок смуги 3 відіграє надзвичайно важливу роль у детермінації та регуляції морфофункціонального стану і біохімічних особливостей еритроцитів.

Зв'язок цитоскелета еритроцитів із мембраною здійснюється через цитоплаз­матичний домен білка смуги 3. Анкірин (синдеїн) - білок, що опосередковує цю взаємодію, має високоафінні сайти зв'язування як для білка смуги 3, так і для спектрину. Таким чином він утворює комплекс: білок смуги З^анкірин—спектрин. На кожен еритроцит припадає приблизно 1х105 тетрамерів спектрину і 1х105 молекул анкірину [57].

Важливою слід вважати роль білка смуги 4.1, який є біполярним мономерним протеїном [5], представленим 2х105 копіями у кожному еритроциті. Цей білок об'єднує спектрин та актин. Головний об'єднуючий з мембраною еритроцита сайт білка 4.1 взаємодіє з глікофорином (рис. 2).

Білок 4.1 також має сайт зв'язуван­ня з білком смуги 3. Але його афінність у даному випадку нижча порівняно з вищезгаданими взаємодіями. Важливо відзначити, що взаємодія білка 4.1 з глі­кофорином є регульованим процесом, узалежненим від ступеня фосфорилю-вання такого важливого кофактора, як фосфатидилінозитол [57]. У випадку наявності дифосфорильованої сполу­ки афінність білка 4.1 та глікофорину є максимальною. У разі відсутності фос-форильованого ліпіду взаємодія білка смуги 4.1 з глікофорином є неможливою. Цікаво, що білок 4.1 не може бути

асоційований одночасно зі спектрином і білком смуги 3 [10], що, ймовірно, може бути молекулярною основою вибору певного морфофункціонального стану цитоскелета еритроцита (рис. 3).

Важко переоцінити роль білка смуги 3 у структурній організації такої метабо­лічно-функціональної одиниці, як метаболон гліколітичних ферментів. Гліцеральдегід-фосфатдегідрогеназа, альдолаза і фосфофруктокіназа мають високоспоріднені сайти зв'язування з цим протеїном. Білок смуги 3 асоціюється також із каталазою та гемо­глобіном з боку N-кінця свого цитоплазматичного домену [5]. Без сумніву, високоафінна взаємодія білка смуги 3 з основним білком еритроцитів - гемоглобіном, не може не впливати на стан кисеньтранспортної функції червоних кров'яних тілець. Отримано карти розподілу електронної густини, що підтверджують наявність центру зв'язування у молекулі дезокси-Hb, за який можуть конкурувати 2,3-дифосфогліцерат і білок смуги 3. Отже, білок смуги 3 та 2,3-дифосфогліцерат взаємодіють з тією самою послідовністю на молекулі Hb. Білок смуги 3 легше і швидше взаємодієз дезокси-Hb, ніжізоксиформою Hb, але це не означає, що окси-Hb не може зв'язуватись із цим білком. Цікаво, що окси-Hb розміщується ближче до мембрани еритроцита порівняно з дезокси-Hb [57].

[глікофорин]

[ Спектрин") (   Актин )

Рис.2. Схема розташування білка смуги 4.1 сто­совно глікофорину, спектрину й актину

Fig. 2. The configuration scheme of band 4.1 protein in relation to spectrin and actin glycophorin

Рис. 3. Схематична репрезентація будови мембрани еритроцитів [57]: 3-білоксмуги 3; 4.1 - білоксмуги 4.1; 4.2 - білок смуги 4.2; Hb2 - димер гемоглобіну; НЬ4 - тетрамер гемоглобіну; Гл-ЗФД - гліце-ральдегід-3-фосфатдегідрогеназа; ФФК - фосфофруктокіназа

Fig. 3. A schematic representation of the human erythrocyte membrane [57]: 3 - protein of band 3; 4.1 - protein of band 4.1; 4.2 - protein of band 4.2; Hb2 - the dimeric form of hemoglobin; Hb4 - the tetrameric form of hemoglobin; Гл-3ФД - glyceraldegyde-3-phosphate dehydrogenase; ФФК - phosphofructokinase

Страницы:
1  2  3  4 


Похожие статьи

Н О Сибірна - Глікопротеїни мембран еритроцитівта будоваїхніх вуглеводних детермінант