Локалізація глікопротеїнів у бактеріальній клітині, їх склад і структура

Незважаючи на велику кількість робіт, які проводилися по вивченню структури і функцій біологічних мембран, дуже мало відомо про топологічне розміщення їх молекулярних складових, особливо глікопротеїнів. Так, Окада і Вейнбаум із оболонки Escherichia coli ізолювали специфічний глікопротеїн, який складав 10% від загального білка, що містився в клітині, 35%-45% білка оболонки і 50%-60% частково очищеного мембранного білка. Цей глікопортеїн містив 4% вуглеводів. Оскільки дослідники виділяли глікопротеїн із всієї клітинної оболонки E. coli то не відомо, чи був він специфічним компонентом цитоплазматичної мембрани цього мікроорганізму.

Наявність глікопротеїнів в мембранах Streptomyces albus було експерементально доведено Ларрага і Муньозом. Використання таких методів, як обробка протопластів і мембран трипсином, мічення білка йодуванням за допомогою йодидпероксидази, вивчення чутливості до трипсину мічених компонентів дозволило вивчити асиметричне розприділення глікопротеїнів в цитоплазматичній мембрані S.аlbus з переважною локалізацією їх на зовнішній поверхні. Аналогічні результати отримані при вивчені глікопротеїнів в мембранах еритроцитів людини. Причини такої топології глікопротеїнів в мембрані прокаріотів ще не зрозумілі. Можливо, це пов’язано з властивостями вуглеводної частини молекули – її гідрофільністю.

Структурна модель плазматичної мембрани S.аlbus, запропонована Ларрагі і Муньозом, дуже схожа на “мозаїчну модель” Сінгера і Ніколсона, які наполягають на асиметричному розміщенню основних компонентів мембран – білків і ліпідів.

Глікопротеїн був також виявлений в складі внутрішньої мембрани Pseudomonas, але його структура не вивчалась.

Доведено глікопротеїнове походження ферментів – АТФази E.coli і Micrococcus lysodeikticus, а також люциферази Photobacterium leiognathi.

Із Penicillium charlesii і Cladosporium wernekii був виділений новий клас глікопротеїнів – фосфоглікопротеїни, які містять фосфодиефірні зв’язки в гліканових ланцюгах. Біосинтез аналогічного фосфоглікопротеїну зв’язаного з мембранами ферментною системою Bacillus licheniformis проведений Беділлі. Продукт цієї реакції розчинний у воді і містить білок, вуглеводи і фосфатні групи. Але не було встановлено, чи кінцевий це продукт. Не відомі також його локалізація та роль в клітині.

На основі того, що мембрани ряду мікоплазм (Micoplasma gallisepticum, M. hominis, M. neurolyticum, Spiroplasma citri), зв’язуються пектинами, було висловлено припущення про наявність глікопротеїнів у їх мембранах. Але це слугує лише посереднім доказом їх присутності, так як необхідний повний хімічний аналіз цих речовин, щоб виключити інші вуглеводвмісні сполуки, наприклад, ліпополісахариди.

Із мембран Mycoplasma pneumoniae виділено глікопротеїн, молекулярна маса якого складала 60 000 Да. Речовина була гомогенна при електрофорезі в поліакриламідному гелі в присутності додецилсульфату натрію, містила 80-90% амінокислот (в основному гліцин і гістидин) і 7% вуглеводів (в основному цукрами були глюкоза, галактоза, глюкозамін, вміст галактозаміну і манози було значно менше, а фукоза виявлялася лише в слідах).

Таким чином, в ізольованих із бактерій вуглеводвмісних речовин вивчався тільки їх склад, в той час як дані про структуру, і тип зв’язку між моносахаридом і амінокислотою, як це показано для рослинних і тваринних глікопротеїнів, були відсутні. Тому виникло питання, чи містять бактерії глікопротеїни такого типу, який присутній у клітинах вищих організмів. У вирішенні цього питання суттєву роль зіграли роботи Мешера і Стромінжера по вивченню білків клітинної оболонки галофільної бактерії Holobacterium salinarium. Ця бактерія характеризується тим, що в її клітиній оболонці пептидоглікан і ліпополісахарид, які затрудняють виділення чистих компонентів цитоплазматичних мембран. Але, незважаючи на відсутність пептидогліканового шару, відповідального за ригідність клітини, ці бактерії здатні підтримувати паличковидну форму при нормальних умовах. Електрофорез в поліакриламідному гелі показав, що в клітинній оболонці H. Salinarium міститься 15-20 білків. Всі ці білки, за виключенням одного, мали молекулярну масу 130 000 Да і складали 50-60% від загального вмісту білка оболонки. Решта 50-60% білків оболонки представлені одним білком з молекулярною масою 200 000 Да, що дає позитивну реакцію на вуглеводи. Доведено, що в цій речовині вуглевод ковалентно зв’язаний з білком, тобто це глікопротеїн. Спираючись на відсутність в клітинній оболонці пептидоглікана і ліпополісахариду, Мешер і Стромінжер припустили, що ізольований ними глікопротеїн представляє собою компонент цитоплазматичної мембрани H. salinarium.

Структурні дослідження вуглеводної частини глікопротеїну бактерії виявили в будові олігоцукридних ланцюгів глікопротеїну наступні моноцукри: глюкозу, галактозу, манозу, N-ацетилглюкозамін, неіндифіковані N-ацетилгексозамін і уронову кислоту. Встановлено, що олігоцукридні ланцюги приєднуються до поліпептиду О-глікозидним зв’язком між галактозою і треоніном (ди- і трицукриди) і N-глікозидним – між аміноцукром і аспарагіном (великий гетероцукрид) (схема).

Зубчаста лінія означає поліпептидний ланцюг, однією зірочкою позначено кількість олігоцукридних ланцюгів, двома – моноцукридних залишків.

Це найбільш спільні вуглевод-пептидні зв’язки, характерні для глікопротеїнів еукаріотів, але їх присутність не була встановлена у вуглевод-білкових комплексах клітинних оболонок прокаріотів. Єдиним прикладом існування такого типу зв’язку в глікопротеїнах клітин прокаріотів може слугувати О-глікозидний зв’язок між манозою і треоніном у фітотоксичному глікопептиді, що продукується Corynebacterium sepedonicum.

У більшості глікопротеїнів спостерігається тільки один тип глікопептидного зв’язку, обидва N- і О-глікозидні зв’язки виявлені тільки у обмеженої кількості глікопротеїнів: глікопротеїну клітинної оболонки дріжджів і основного глікопротеїну мембран еритроцитів людини. Ці мембранні глікопротеїни аналогічні глікопротеїну H. salinarium так як всі вони містять один або велику кількість відносно великих N-зв’язаних гетероцукрів і значну кількість невеликих О-зв’язаних олігоцукрів. Асиметричне розділення вуглеводних частин на поліпептидному ланцюзі, що показано для О-зв’язаних олігоцукрів глікопротеїну Н. salinarium, може слугувать загальною рисою для всіх мембранних глікопротеїнів. Мешер і Стромінжер вважають, що глікопротеїн, виділений із грамнегативної бактерії Н. salinarium, за структурою аналогічний глікопротеїнам, які присутні на поверхні клітин еукаріотів, щодо природи вуглевод-пептидного зв’язку, розміру і будови вуглеводних ланцюгів та їх локалізації в обмежених зонах білкової молекули. Чи містять інші бактерії глікопротеїни? Це питання поки що залишаються відкритим.