De figuur toont een systeem van transmembraaneiwitten. Membraanprocessen

Waarin hij zich voortdurend bevindt. Transmembraaneiwitten zijn stevig verankerd in het membraan door een speciale klasse lipiden die lipidenringen worden genoemd. Veel van deze eiwitten vervullen een transportfunctie, waardoor specifieke stoffen het biologische membraan kunnen passeren om de cel binnen te komen of, integendeel, voorkomen dat ze hun grenzen overschrijden.

In een waterige oplossing klonteren transmembraaneiwitten samen en slaan neer. Voor de extractie ervan zijn detergentia of niet-polaire oplosmiddelen nodig, hoewel sommige (bètavaten) kunnen worden geëxtraheerd met behulp van denaturerende middelen. Alle transmembraaneiwitten zijn integrale membraaneiwitten, maar niet alle integrale eiwitten zijn transmembraan.

Classificatie

Door structuur

Er zijn twee soorten transmembraaneiwitten: eiwitten bestaande uit alfa-helices en β-vaten. Alfa-helixeiwitten bevinden zich op de binnenmembranen van bacteriële cellen of in de plasmamembranen van eukaryotische cellen, en soms in de buitenmembranen van bacteriën. Dit is een zeer grote groep transmembraaneiwitten: bij de mens zijn 27% van alle eiwitten alfa-helixmembraaneiwitten. β-vaten worden alleen aangetroffen in de buitenmembranen van Gram-negatieve bacteriën, in de wanden van Gram-positieve bacteriën en in de buitenmembranen van mitochondriën en chloroplasten. Alle transmembraan β-vaten hebben een vergelijkbare topologie, wat kan duiden op hun gemeenschappelijke evolutionaire oorsprong en een vergelijkbaar vouwmechanisme.

Door topologie

Deze classificatie is gebaseerd op de positie van de N- en C-terminale domeinen en is van toepassing op alle integrale membraaneiwitten. Typen I, II en III omvatten eiwitten die het membraan slechts één keer passeren, terwijl type IV eiwitten omvat die het membraan meerdere keren passeren. Type I transmembraaneiwitten hebben een N-terminale signaalsequentie en zijn verankerd aan het lipidemembraan translocatie-arrestsequenties, dat door translacon op zo'n manier wordt vrijgegeven dat twee delen van het eiwit aan weerszijden van het membraan uitsteken. Ze zijn zo gelokaliseerd dat hun N-terminus tijdens hun synthese en translocatie in het lumen van het endoplasmatisch reticulum wordt gericht (de N-terminus zal in de extracellulaire ruimte worden gericht als het rijpe eiwit zich op het plasmalemma bevindt). Type II- en III-eiwitten zijn verankerd signaalankervolgorde, die zich niet aan het einde, maar binnen de polypeptideketen bevindt. Type II-eiwitten worden via hun C-uiteinde het ER-lumen binnengeleid, en type III-eiwitten via hun N-uiteinde. Type IV is onderverdeeld in IV-A, waarbij de N-terminus in het cytosol is gericht, en IV-B, waarbij de N-terminus in het lumen van het ER is gericht. Type V omvat integrale eiwitten die niet transmembraan zijn en aan het lipidemembraan zijn verankerd met behulp van cavelt-gebonden lipiden. Type VI omvat eiwitten die zowel transmembraandomeinen als lipide-ankers hebben.

Schrijf een recensie over het artikel "Transmembraaneiwit"

Opmerkingen

Fragment dat transmembraaneiwit karakteriseert

Het is nu mogelijk om vanuit het niets complexe, op maat ontworpen transmembraaneiwitten te maken, melden wetenschappers. Het onderzoek, uitgevoerd door moleculaire ingenieurs van het University of Washington Institute for Protein Design, zal onderzoekers in staat stellen transmembraaneiwitten te ontwerpen die niet in de natuur voorkomen om specifieke taken uit te voeren.

In de levende wereld worden transmembraaneiwitten aangetroffen in het membraan van alle cellen en cellulaire organellen. Ze zijn nodig voor normaal gebruik. Veel natuurlijke transmembraaneiwitten fungeren bijvoorbeeld als toegangspoorten voor de beweging van specifieke stoffen door een biologisch membraan. Sommige transmembraaneiwitten ontvangen of verzenden celsignalen. Vanwege dergelijke rollen zijn veel geneesmiddelen ontworpen om zich op transmembraaneiwitten te richten en hun functies te veranderen.

"Onze resultaten maken de weg vrij voor de ontwikkeling van membraaneiwitten die eiwitten uit de natuur kunnen nabootsen of een geheel nieuwe structuur, functie en gebruik kunnen hebben", zegt David Baker, hoogleraar biochemie die het project leidde. De studie verschijnt in het nummer van 1 maart van het tijdschrift Science. Peilong Lu, een senior wetenschapper in het Baker-lab, is de hoofdauteur van het artikel.

Maar het begrijpen van hoe transmembraaneiwitten samenkomen en hoe ze werken is een uitdaging gebleken. Omdat ze werken terwijl ze ingebed zijn in het celmembraan, zijn transmembraaneiwitten moeilijker te bestuderen gebleken dan eiwitten die werken in een waterige oplossing, die het celcytoplasma of de extracellulaire vloeistof vormt.

In de nieuwe studie gebruikten Lu en zijn collega's een computerprogramma ontwikkeld in het laboratorium van Baker, genaamd Rosetta, dat de structuur kan voorspellen waarin een eiwit zal vouwen nadat het is gesynthetiseerd. Eiwitarchitectuur is van cruciaal belang omdat de structuur van een eiwit zijn functie bepaalt.

De vorm van een eiwit wordt gevormd door complexe interacties tussen de aminozuren waaruit de eiwitketen bestaat, en interacties tussen de aminozuren en de omgeving. Uiteindelijk neemt het eiwit de vorm aan die al deze factoren het beste in evenwicht brengt, zodat het eiwit de laagst mogelijke energietoestand bereikt.

Het Rosetta-programma dat door Lu en zijn collega's wordt gebruikt, kan de eiwitstructuur voorspellen door rekening te houden met deze interacties en de laagste algehele energietoestand te berekenen. Het creëert tienduizenden modelstructuren voor een aminozuursequentie en identificeert vervolgens de structuren met een lage energietoestand.

Het bepalen van de structuur van transmembraaneiwitten is moeilijk omdat delen van transmembraaneiwitten door het binnenste van het membraan moeten gaan, dat is gemaakt van vetten die lipiden worden genoemd.

In waterige vloeistoffen bevinden aminozuurresiduen met polaire zijketens – componenten die onder bepaalde fysiologische omstandigheden een lading kunnen hebben of die waterstofbruggen aangaan – zich doorgaans op het oppervlak van het eiwit, waar ze kunnen interageren met water, dat zowel negatieve en positieve kanten van zijn molecuul. Als gevolg hiervan worden polaire residuen op eiwitten hydrofiel of "waterminnend" genoemd.

Aan de andere kant worden niet-polaire residuen meestal in de kern van het eiwit aangetroffen. Dergelijke residuen worden hydrofoob genoemd. Als gevolg hiervan helpen interacties tussen waterminnende en watervasthoudende delen van het eiwit en de omringende waterige vloeistoffen eiwitten te vouwen en de uiteindelijke eiwitstructuur te stabiliseren.

In membranen is de eiwitcomplexiteit echter groter omdat het binnenoppervlak van de membraanlipiden niet-polair is, wat betekent dat het geen elektrische ladingsscheiding heeft. Dit betekent dat het eiwit stabiel moet zijn en dat niet-polaire, watergevaarlijke resten op het oppervlak moeten worden geplaatst, terwijl polaire resten zich binnenin moeten bevinden. Vervolgens moeten we een manier vinden om de structuur te stabiliseren door bindingen te creëren tussen hydrofiele resten in de kern.

De sleutel tot het oplossen van het probleem, zegt Lu, was het toepassen van een door het laboratorium van Baker ontwikkelde methode om eiwitten zo te ontwerpen dat polaire, hydrofiele residuen zo zouden werken dat het voldoende zou zijn om polaire-polaire interacties te vormen die het eiwit zouden kunnen verbinden. samen van binnenuit.

“Het samenbrengen van deze ‘gesloten waterstofbrugnetwerken’ was als het samenstellen van een puzzel met een pistool,” zei Baker.

Met deze aanpak konden Lu en zijn collega's gemanipuleerde transmembraaneiwitten maken in bacteriën en zoogdiercellen met behulp van slechts 215 aminozuren. De resulterende eiwitten bleken zeer thermisch stabiel en konden zich correct op het membraan oriënteren. Net als natuurlijke transmembraaneiwitten zijn deze eiwitten multipass, wat betekent dat ze het membraan verschillende keren passeren en zich assembleren tot stabiele multiproteïnecomplexen zoals dimeren, trimeren en tetrameren.

“We hebben aangetoond dat het nu mogelijk is om complexe, multipass-transmembraaneiwitten die in cellen voorkomen nauwkeurig te kunnen manipuleren, waardoor onderzoekers transmembraaneiwitten met geheel nieuwe structuren en functies kunnen creëren”, aldus Peilong Lu.

Meer informatie:“Nauwkeurig computationeel ontwerp van multipass-transmembraaneiwitten” Science (2018). DOI: 10.1126/science.aaq1739

Als de belangrijkste rol van lipiden in membranen het stabiliseren van de dubbellaag is, dan zijn eiwitten verantwoordelijk voor de functionele activiteit van membranen. Sommige zorgen voor het transport van bepaalde moleculen en ionen, andere zijn enzymen, andere zijn betrokken bij de binding van het cytoskelet aan de extracellulaire matrix of dienen als receptoren voor hormonen, mediatoren,

eicosanoïden, lipoproteïnen, stikstofmonoxide (NO). Eiwitten zijn verantwoordelijk voor 30 tot 70% van de massa van membranen. Eiwitten bepalen de werking van elk membraan.

Structurele eigenschappen

en lokalisatie van eiwitten in membranen

Membraaneiwitten die in contact komen met het hydrofobe deel van de lipidedubbellaag moeten amfifiel zijn. Die delen van het eiwit die interageren met de koolwaterstofketens van vetzuren bevatten voornamelijk niet-polaire aminozuren. De eiwitgebieden die zich in het gebied van de polaire “koppen” bevinden, zijn verrijkt met hydrofiele aminozuurresiduen.

Lokalisatie van eiwitten in membranen. Transmembraaneiwitten, bijvoorbeeld: 1 - glycoforine A; 2 - adrenaline-receptor. Oppervlakte-eiwitten: 3 - eiwitten geassocieerd met integrale eiwitten, bijvoorbeeld het enzym succinaatdehydrogenase; 4 - eiwitten gehecht aan de polaire "koppen" van de lipidelaag, bijvoorbeeld proteïnekinase C; 5 - eiwitten die in het membraan zijn "verankerd" met behulp van een kort hydrofoob terminaal domein, bijvoorbeeld cytochroom b 6 - "verankerde" eiwitten die covalent zijn verbonden met het membraanpipide (bijvoorbeeld het enzym alkalische fosfatase).

Oppervlakte-eiwitten

Oppervlakte-eiwitten hechten zich vaak aan het membraan en interageren met integralen

eiwitten of oppervlaktegebieden van de lipidelaag.

Eiwitten die complexen vormen met integrale membraaneiwitten

Een aantal spijsverteringsenzymen die betrokken zijn bij de hydrolyse van zetmeel en eiwitten, zijn gehecht aan de integrale membraaneiwitten van de darmmicrovilli.

Voorbeelden van dergelijke complexen zijn sucrase-isomaltase en maltase-glycoamylase.

Eiwitten geassocieerd met polaire koppen van membraanlipiden

Polaire of geladen domeinen van een eiwitmolecuul kunnen interageren met de polaire koppen van lipiden, waardoor ionische en waterstofbruggen worden gevormd. Bovendien kunnen veel in het cytosol oplosbare eiwitten onder bepaalde omstandigheden korte tijd aan het membraanoppervlak binden. Soms is eiwitbinding een noodzakelijke voorwaarde voor de manifestatie van enzymatische activiteit. Dergelijke eiwitten omvatten bijvoorbeeld proteïnekinase C en bloedstollingsfactoren.

Bevestiging met een membraan “anker”

Het “anker” kan een niet-polair eiwitdomein zijn, opgebouwd uit aminozuren met hydro-

fobische radicalen. Een voorbeeld van zo’n eiwit is cytochroom b5 van het ER-membraan. Dit eiwit is als elektronendrager betrokken bij redoxreacties.

De rol van een membraananker kan ook worden vervuld door een vetzuurresidu dat covalent aan het eiwit is gebonden (myristine - C 14 of palmitinezuur - C 16). Eiwitten geassocieerd met vetzuren bevinden zich voornamelijk op het binnenoppervlak van het plasmamembraan. Myristinezuur wordt toegevoegd aan de N-terminale glycine om een ​​amidebinding te vormen. Palmitinezuur vormt een thioesterbinding met cysteïne of een esterbinding met serine- en threonineresiduen.

Een kleine groep eiwitten kan een interactie aangaan met het buitenoppervlak van de cel met behulp van een fosfatidylinositolglycaaneiwit dat covalent aan de C-terminus van het eiwit is gebonden. Dit “anker” is vaak de enige schakel tussen het eiwit en het membraan. Daarom wordt dit eiwit onder invloed van fosfolipase C gescheiden van het membraan.

Transmembraan (integrale) eiwitten

Sommige van de transmembraaneiwitten omspannen het membraan één keer (glycoforine), andere hebben verschillende regio's (domeinen) die achtereenvolgens de dubbellaag passeren.

Transmembraandomeinen die de dubbellaag omspannen hebben een a-helixconformatie. Polaire aminozuurresiduen zijn naar de binnenkant van het bolletje gericht en niet-polaire aminozuurresiduen staan ​​in contact met membraanlipiden. Dergelijke eiwitten worden "omgekeerd" genoemd in vergelijking met in water oplosbare eiwitten, waarbij de meeste hydrofobe aminozuurresiduen binnenin verborgen zijn en de hydrofiele aminozuren zich op het oppervlak bevinden.

De geladen aminozuurradicalen binnen deze domeinen zijn ladingloos en zijn geprotoneerd (-COOH) of gedeprotoneerd (-NH2).

Geglycosyleerde eiwitten

Oppervlakte-eiwitten of domeinen van integrale eiwitten, gelegen op het buitenoppervlak van alle membranen, zijn bijna altijd geglycosyleerd. Oligosaccharideresten kunnen worden gehecht via de amidegroep van asparagine of de hydroxylgroepen van serine en threonine.

Oligosaccharideresten beschermen het eiwit tegen proteolyse en zijn betrokken bij ligandherkenning of adhesie.

Laterale diffusie van eiwitten

Sommige membraaneiwitten bewegen langs de dubbellaag (laterale diffusie) of roteer rond een as loodrecht op het oppervlak.

De laterale diffusie van integrale eiwitten in het membraan is beperkt, dit komt door hun grote omvang, interactie met andere membraaneiwitten, elementen van het cytoskelet of extracellulaire matrix.

Membraaneiwitten bewegen niet van de ene kant van het membraan naar de andere (“flip-flop”-sprongen), zoals fosfolipiden.

Principes van de structurele organisatie van membraaneiwitten en methoden voor de voorspelling ervan voor transmembraaneiwitten

Met hoge resolutie was het mogelijk om de structuur van slechts één klasse membraaneiwitten vast te stellen - het reactiecentrum van bacteriën, maar zelfs in dit geval wordt de positie van het eiwit ten opzichte van de lipidedubbellaag niet ondubbelzinnig bepaald. Uitbreiding van de principes van de organisatie ervan naar andere membraaneiwitten moet met voorzichtigheid gebeuren. Enige duidelijkheid kan worden gebracht door het gebruik van thermodynamische principes, en door rekening te houden met het feit dat het grootste deel van de experimentele gegevens consistent is met de aanname van een hoog gehalte aan α-helices in membraaneiwitten. Thermodynamische factoren leggen bepaalde beperkingen op aan welk type eiwit-lipidestructuren stabiel kunnen zijn.

Membraaneiwitten zijn amfifiele verbindingen

Alle membraaneiwitten die in direct contact staan ​​met de hydrofobe kern van de lipidedubbellaag moeten amfifiel zijn. Die gebieden van het polypeptide die aan het oplosmiddel worden blootgesteld, zijn hoogstwaarschijnlijk verrijkt aan polaire en ioniseerbare aminozuurresiduen, terwijl de residuen die in contact komen met de lylidekoolwaterstofketens voornamelijk niet-polair zouden moeten zijn. Dit alles volgt logischerwijs uit de energieprincipes die in paragraaf worden besproken. 2.3.1. Geladen of polaire aminozuren kunnen over het algemeen in de dubbellaag worden aangetroffen, maar hieraan zijn bepaalde beperkingen verbonden.

Laten we drie niveaus van amfifiele structuren in membraaneiwitten bekijken: primaire, secundaire en tertiaire amfifiliciteit.

1. Primaire amfifiele structuren bevatten een uitgebreid gebied van overwegend niet-polaire aminozuurresiduen, waarvan de lengte voldoende is om de dubbellaag te passeren. Dergelijke structuren zijn zowel in het reactiecentrum als in bacteriorodopsine geïdentificeerd. In deze eiwitten zijn alle membraanoverspannende elementen α-helix. De a-helixstructuur heeft de voorkeur omdat deze alle waterstofbruggen vormt waarbij waterstofatomen van de polypeptideskelet betrokken kunnen zijn. De alternatieve structuur, waarbij één van de waterstofbruggen ontbreekt, is ongeveer 5 kcal/mol minder stabiel. Dit alles stelt ons in staat te suggereren dat rotatie van de polypeptideketen binnen het membraan onwaarschijnlijk is. Op de turn-sites zouden drie tot vijf aminozuurresiduen er niet in slagen waterstofbruggen te vormen, en dit zou de structuur met ongeveer 15-20 kcal/mol destabiliseren. Bij bolvormige, in water oplosbare eiwitten bevinden de draaigebieden zich voornamelijk op het oppervlak van het eiwitbolletje, waar amidegroepen waterstofbruggen kunnen vormen met water; Blijkbaar zullen rotaties in membraaneiwitmoleculen ook alleen plaatsvinden in gebieden die zijn blootgesteld aan water.

Het is mogelijk dat de 3-laag ook transmembraanelementen kan vormen met bijvoorbeeld de vorm van J-cilinders, zoals in het geval van porine. Aan de vereisten voor de vorming van waterstofbruggen door waterstofatomen van de polypeptideskelet in dergelijke structuren kan worden voldaan, maar alleen onder de voorwaarde van interactie tussen individuele β-ketens. Hoe een dergelijke structuur in een membraan kan worden ingebouwd, is niet helemaal duidelijk, en de beperkingen die worden opgelegd door de assemblagemechanismen van membraaneiwitten zijn over het algemeen onbekend.

2. Secundaire amfifiele structuren. In dergelijke structuren komen periodiek hydrofobe residuen langs de keten voor, en wanneer het polypeptide in een bepaalde secundaire structuur wordt gevouwen, vormen ze een continu oppervlak. De periodiciteit van sommige elementen van de secundaire structuur wordt aangegeven in de tabel. 1. Een voorbeeld van eiwitten waarin amfifiele secundaire structuren een belangrijke rol lijken te spelen zijn porinen. Daarin wisselen polaire en niet-polaire aminozuurresiduen in elk van de /3-ketens elkaar af. Alle polaire resten bevinden zich aan één kant van de gevouwen laag, langs de met water gevulde porie. Merk op dat alles wat over porin wordt gezegd hypothetisch is.

Tabel 1. Secundaire structuurparameters

De α-helix, waarin elke tweede of derde monomeereenheid hydrofobe resten voorkomen, moet hydrofobe en polaire oppervlakken hebben. Dergelijke structuren worden vaak weergegeven als een spiraalvormige ring met aangegeven zijketens, zoals weergegeven in Fig. Secundaire amfifiele structuren kunnen ontstaan ​​in situaties die schematisch weergegeven zijn in Fig. KWAADAARDIG.

A. Oppervlakteactieve eiwitsegmenten; de ene kant van de helix staat in wisselwerking met het hydrofobe gebied van de lipidedubbellaag, en de andere kant staat in contact met de waterfase en het polaire gebied van de dubbellaag. Amfifiele α-helices zijn in staat veel peptidehormonen te vormen, evenals membraanverstorende peptiden, zoals mellitine.

B. Transmembraanelementen; het niet-polaire oppervlak van de helix is ​​gericht naar de lipidefase, en het polaire oppervlak vormt de lijnen van het waterkanaal dat de dubbellaag binnendringt. Dit is een veel voorkomend model, voornamelijk gebaseerd op de resultaten van onderzoeken naar de nicotine-acetylcholinereceptor, die functioneert als een chemisch prikkelbaar kanaal. De conclusies op basis van experimentele gegevens dat het de amfifiele helix is ​​die het membraan binnendringt, hebben echter bezwaren opgeroepen. Een amfifiele 3-keten kan ook zo’n met water gevuld kanaal vormen, zoals bij een porine.

V. Transmembraanelementen; het niet-polaire deel van het oppervlak staat in contact met lipiden, en de polaire groepen staan ​​in contact met de polaire groepen van andere transmembraanelementen. Het is dit principe dat ten grondslag ligt aan de “omgekeerde” structuren, die vermoedelijk bacteriorodopsine zijn. Polaire interacties tussen amfifiele helices zouden in principe de interacties tussen subeenheden in oligomere eiwitten kunnen stabiliseren.

3. Tertiaire amfifiele structuren. Hun bestaan ​​kan alleen speculatief worden besproken. Hun hydrofobe oppervlak moet worden gevormd op het niveau van de tertiaire structuur van residuen die zich in verschillende delen van de polypeptideketen bevinden. Soortgelijke structuren kunnen kenmerkend zijn voor eiwitten die aan de dubbellaag binden, maar geen duidelijk gedefinieerde hydrofobe domeinen hebben, gedefinieerd door een van de bovenstaande criteria. Een mogelijk voorbeeld van dit type is α-lactalbumine.

Ioniseerbare aminozuurresiduen in transmembraansegmenten

Veel modellen van membraaneiwitten gaan ervan uit dat hun transmembraansegmenten ioniseerbare residuen bevatten. Deze residuen spelen waarschijnlijk een belangrijke functionele en/of structurele rol. In sommige gevallen wordt deze rol duidelijk vastgesteld: 1) lysineresiduen in bacteriorodopsine en rodopsine vormen Schiff-basen met de prothetische groep van het netvlies, wat nodig is voor lichte excitatie van het molecuul; 2) histidineresiduen in de polypeptiden van het bacteriële reactiecentrum zijn betrokken bij binding aan fotosynthetische pigmenten; 3) geladen residuen in lactosepermease uit E. coli zijn betrokken bij de implementatie van transportfuncties door dit eiwit; misschien vormen deze residuen een netwerk van waterstofbruggen binnen het eiwitmolecuul.

De overdracht van geladen groepen van water naar de omgeving met een lage diëlektrische constante binnen het membraan is energetisch zeer ongunstig, en deze groepen moeten op de een of andere manier worden gestabiliseerd. Er is herhaaldelijk gesuggereerd dat de vorming van ionenparen voldoende is voor stabilisatie, en dit principe werd gebruikt bij het construeren van een driedimensionaal model van bacteriorodopsine. Berekeningen hebben echter aangetoond dat de vrije energie voor de overdracht van een ionenpaar van water naar een medium met een lage diëlektrische constante ook erg hoog is. Voor verdere stabilisatie zijn aanvullende polaire interacties nodig, mogelijk met andere polaire groepen of via waterstofbruggen.

In principe kan zelfs een enkele geladen groep binnen een membraan worden gestabiliseerd door interacties met polaire groepen en door waterstofbruggen, die de lading effectief delokaliseren. Er zijn verschillende voorbeelden van geïsoleerde, gedesolvateerde ionen die zijn gestabiliseerd door interacties in in water oplosbare eiwitten. Soortgelijke principes werken blijkbaar in het geval van geladen residuen van transmembraansegmenten van integrale eiwitten.

Het lijkt echter waarschijnlijker dat ioniseerbare aminozuren binnen het membraan worden geneutraliseerd door protonering of deprotonering. De vrije energie voor het neutraliseren van geladen aminozuren wordt geschat op ongeveer 10–17 kcal/mol. Bij afwezigheid van specifieke omstandigheden voor polaire interacties om het geladen residu in het transmembraansegment te stabiliseren, is het waarschijnlijk dat het wordt geneutraliseerd.

Geladen aminozuren in segmenten blootgesteld aan een waterig milieu

Zoals we al hebben gezegd, zijn geladen residuen asymmetrisch verdeeld tussen de twee zijden van het bacteriële reactiecentrum. Deze asymmetrie is ook kenmerkend voor enkele andere interne membraaneiwitten van bacteriën. De basische Lys- en Arg-residuen komen dus vier keer vaker voor in die gebieden die transmembraanelementen verbinden die zich aan de binnenzijde van het membraan bevinden in plaats van aan de buitenzijde. Voor de zure residuen Asp en Glu wordt geen vergelijkbare trend waargenomen. Het is mogelijk dat deze asymmetrie verband houdt met het mechanisme van membraaneiwitassemblage, maar hoe precies is onduidelijk. Bovendien is het onbekend of deze waarneming kan worden gegeneraliseerd of enige voorspellende waarde heeft.

In bolvormige, in water oplosbare eiwitten worden prolineresiduen zelden aangetroffen in het middelste deel van de α-helix. Op basis van onderzoeken van 58 eiwitten die 331 α-helices bevatten, werden 30 van dergelijke gevallen geïdentificeerd. In de helft van hen bevond proline zich op plaatsen waar de helix beschadigd was, en in de overige gevallen bevond het zich op het gebied van kromming of onregelmatigheid van de structuur.

Tegelijkertijd bevinden prolineresiduen zich in bacteriorodopsine in het middelste deel van drie van de zeven transmembraanhelices, en in rodopsine - in vijf van de zeven van dergelijke spiralen. Een soortgelijke trend werd onthuld voor andere transmembraansegmenten van integrale eiwitten, vooral transportsegmenten. De betekenis van dit fenomeen is onbekend. Er moet echter worden opgemerkt dat proline, vanwege de aanwezigheid van een cyclische zijketen, geen waterstofbruggen vormt met residuen die zich op de vorige winding van de a-helix bevinden. Dit kan de vorming bevorderen van structuren waarin een waterstofbrug wordt gevormd door een specifieke interactie met een residu dat zich in een ander membraanoverspannend gebied bevindt. Dergelijke polaire interacties binnen de dubbellaag zouden de driedimensionale structuur van membraaneiwitten kunnen stabiliseren.

Methoden voor het identificeren van primaire amfifiele structuren

Slechts in enkele gevallen is eenduidige structurele informatie over membraaneiwitten verkregen, maar onderzoekers beschikken over uitgebreide aminozuursequentiegegevens op basis van DNA-sequentieresultaten. Om transmembraan-a-helices te identificeren, vermoedelijk 20 residuen lang en voornamelijk bestaande uit hydrofobe aminozuren, zijn verschillende analysemethoden voor aminozuursequenties ontwikkeld. Elk van hen is gebaseerd op de rangschikking van aminozuren in een rij in overeenstemming met een bepaalde parameter, die de waarschijnlijkheid weerspiegelt dat dit residu in het transmembraansegment wordt aangetroffen.

Er zijn twee soorten schalen. In één geval worden aminozuren geclassificeerd op basis van hun relatieve polariteit of "hydrofobiciteit". Deze schalen zijn thermodynamisch van aard en zijn gebaseerd op de omvang van de verandering in vrije energie wanneer een aminozuur wordt overgebracht van een waterige oplossing naar een koolwaterstofmedium. Het aantal methoden voor het kwantitatief beoordelen van de hydrofobiciteit van aminozuren is echter erg groot en ze zijn het niet altijd met elkaar eens. Vaak worden gegevens gebruikt die betrekking hebben op meer dan één fysiek kenmerk tegelijk. Een voorbeeld hiervan is de Kite en Doolittle "hydropathie" -schaal, die is gebaseerd op hydrofobiciteit, gemeten aan de hand van het hydratatiepotentieel, evenals de waarschijnlijkheid dat er residuen in het bolletje worden aangetroffen.

De schaal van Goldman, Engelman en Steitz is gebaseerd op een kwantitatieve beoordeling van de vrije energie van de overdracht van α-helices van een waterige omgeving naar het membraan. In afb. De Kite-Doolittle-schaal wordt vergeleken met de Goldman-Engelman-Steitz-schaal.

Engelman et al. schatten dat de verandering in vrije energie bij het inbrengen van een polyanionische α-helix met 20 residuen in het membraan 30 kcal/mol bedraagt. De berekening is gebaseerd op het schatten van het oppervlak van de helix dat aan het oplosmiddel wordt blootgesteld. De bijdrage aan de energie van elke zijgroep werd geschat, rekening houdend met het oppervlak dat werd blootgesteld aan de waterige omgeving in de helix. Er werd ook rekening gehouden met de vrije energie van de overdracht van polaire groepen naar de dubbellaag. Er werd bijvoorbeeld aangenomen dat glutamine zou worden geprotoneerd wanneer het naar de dubbellaag zou worden overgebracht en dat de vrije energie van dit proces 10,8 kcal/mol zou zijn. Op dezelfde manier zal de overdracht van hydroxylen ongeveer 4,0 kcal/mol "kosten".

Al het bovenstaande laat zien hoe de winst in interactie-energie bij het overbrengen van een α-helix naar de dubbellaag kan worden gebruikt om polaire zijgroepen naar de dubbellaag te “trekken”. Eén arginineresidu kan bijvoorbeeld in de dubbellaag worden opgenomen als onderdeel van een niet-polaire transmembraanhelix als deze wordt gedeprotoneerd; hiervoor is 16,7 kcal/mol nodig bij pH 7,0. De totale vrije energie van α-helixoverdracht zal nog steeds negatief blijven. De situatie zal echter veranderen als er twee arginineresiduen in de dubbellaag moeten worden ingebracht of als de arginine positief geladen is. Natuurlijk kunnen polaire residuen binnen de dubbellaag worden gestabiliseerd vanwege specifieke interacties, maar het is erg moeilijk om hier daadwerkelijk rekening mee te houden in berekeningen. Zijgroepen van serine, cysteïne en threonine kunnen bijvoorbeeld waterstofbruggen vormen met de polypeptideskelet, en zure en basische resten kunnen ionenparen vormen; het verschijnen van dergelijke paren is mogelijk als deze residuen zich vier of vijf monomeereenheden van elkaar bevinden.

Het tweede type schaal dat wordt gebruikt om aminozuren te classificeren, is gebaseerd op de frequentie waarmee aminozuren daadwerkelijk voorkomen in membraan-overspannende segmenten.

In dit geval wordt empirisch rekening gehouden met hydrofobiciteit, evenals met vele andere factoren die niet als hydrofobiciteit kunnen worden gekwantificeerd. Het nadeel van deze semi-empirische benadering is het gebrek aan nauwkeurige gegevens over de grenzen van de transmembraangebieden. Dergelijke schalen kunnen echter net zo nuttig zijn als schalen op basis van thermodynamische parameters. Als voorbeeld kan men de schaal van ‘neiging’ tot het membraan van Kuhn en Leigh noemen, of de schaal van ‘onderdompeling van de helix in het membraan’ van Rao en Argos. De vier meest hydrofobe residuen op de Goldman-Engelman-Steitz-schaal zijn ook de vier residuen met de hoogste parameterwaarde op de Rao- en Argos-schaal.

In afb. profielen van drie verschillende membraaneiwitten verkregen met behulp van verschillende schalen worden gepresenteerd. Bij het construeren van deze profielen wordt rekening gehouden met de gemiddelde waarden van de getallen op de schalen die aan elk aminozuur binnen het geselecteerde “venster” zijn toegewezen; dit gemiddelde wordt uitgezet ten opzichte van het residuaantal in het polypeptide. Als het venster bijvoorbeeld 19 residuen bedraagt, zal de waarde die aan positie 40 wordt toegewezen het gemiddelde getal op de schaal zijn voor alle aminozuren van 31 tot en met 49. De waarde die aan positie 41 wordt toegewezen, is het gemiddelde van de residuen 32 tot 50, enz. De pieken in het profiel komen overeen met hydrofobe gebieden of die gebieden waarvan de kans groter is dat ze transmembraanhelices vormen. Om een ​​profiel op te bouwen is de grootte van het raam belangrijk; De meeste curven in Fig. werden gebouwd met een venstergrootte van 19 residuen.

Laten we proberen de geconstrueerde profielen te interpreteren. Volgens de Goldman-Engelman-Steitz-schaal komen pieken met waarden dichtbij nul overeen met transmembraanhelices. Een waarde van 1,25 op de Kite-Doolittle-schaal is de kleinste waarde die overeenkomt met een bekende transmembraanhelix in de L-subeenheid van het reactiecentrum R . viridis . In alle drie de gevallen weergegeven in Fig. 3.12 zijn de profielen voor de subeenheden van het reactiecentrum vergelijkbaar.

In afb. twee profielen voor cytochroom P450 uit microsomen worden getoond. Dit eiwit werd gekozen omdat gegevens over de primaire structuur ervan wijzen op de aanwezigheid van acht transmembraanhelices. De beschikbare experimentele gegevens duiden echter op het bestaan ​​van slechts één exemplaar N- ko- ringanker in het membraan. Zowel het Kite-Doolittle-profiel als het Goldman-Engelman-Steitz-profiel identificeren het N-terminale gebied, maar ze duiden ook op de aanwezigheid van een of meer extra transmembraansegmenten, wat niet waar is. Merk op dat veel van de geconstrueerde modellen van membraaneiwitten, die alleen gebaseerd zijn op aminozuursequentiegegevens, mogelijk onjuist zijn.

In afb. Er worden drie profielen voor bacteriorodopsine gegeven. Ondanks hun gelijkenis zijn er verschillen zichtbaar in de vorm van de pieken die overeenkomen met de zeven transmembraansegmenten. Het Goldman-Engelm-on-Steitz-algoritme houdt geen rekening met het stabiliserende effect dat gepaard gaat met de vorming van een ionenpaar uit dicht bij elkaar gelegen geladen residuen binnen dezelfde helix. Als we deze factor in aanmerking nemen, wordt de scheiding tussen de laatste twee spiralen duidelijker.

Eén van de problemen die men tegenkomt bij de toepassing van alle hierboven beschreven algoritmen is het uitsluiten van hydrofobe segmenten in bekende bolvormige eiwitten die niet transmembraan zijn, maar zich binnen het eiwit bevinden. Wanneer we echter zoeken naar tamelijk uitgestrekte gebieden, doet dit probleem zich niet voor.

Merk op dat algoritmen die worden gebruikt om α-helixstructuren in oplosbare bolvormige eiwitten te detecteren, zoals het Chow-Fasman-algoritme, niet geschikt zijn voor het detecteren van transmembraanelementen. Deze algoritmen zijn niet toepasbaar om de structuur van niet-bolvormige gebieden te beschrijven, zoals segmenten die zich binnen de dubbellaag bevinden.

Algoritmen die zijn ontworpen om transmembraangebieden te identificeren, kunnen niet worden gebruikt in het geval van segmenten die secundaire amfifiele structuren zijn of het membraan passeren in de vorm van een /3-laag. In het eerste geval wordt dit gebied buiten beschouwing gelaten vanwege de aanwezigheid van polaire residuen daarin, en in het tweede geval blijkt het transmembraansegment te kort te zijn, aangezien slechts 10-12 aminozuurresiduen in de /3-structuur aanwezig zijn. nodig om de dubbellaag te passeren. Sommige algoritmen zijn ontworpen om β-turns te detecteren in plaats van de transmembraanelementen zelf. Hoewel hierdoor enkele van de problemen worden vermeden die gepaard gaan met het onderscheiden van verschillende klassen van transmembraanelementen, is het onduidelijk hoe acceptabel ze zullen zijn als ze op grotere schaal worden gebruikt.

Methoden voor het identificeren van secundaire amfifiele structuren

Er zijn verschillende benaderingen ontwikkeld om secundaire amfifiliciteit of asymmetrie in de verdeling van hydrofobe residuen in segmenten van een polypeptideketen te detecteren. Heel vaak worden α-helices en β-sheets in bolvormige eiwitten gekenmerkt door periodiciteit in de verdeling van hydrofobe residuen. Het gebruik van de spiraalring als kwalitatieve indicator is niet altijd gerechtvaardigd; er zijn meer kwantitatieve benaderingen nodig. De belangrijkste is de bepaling van de periodiciteit in de verdeling van hydrofobe residuen met behulp van Fourier-transformatiemethoden. Een voorbeeld is het hydrofobe moment.

1. Hydrofoob moment. Deze parameter werd voorgesteld door Eisenberg et al

en vertegenwoordigt een bepaalde vectorsom van de hydrofobiciteit van residuen in een segment van N-elementen. De hydrofobiciteit van elk residu wordt weergegeven als een vector, die wordt gekenmerkt door de hoek , gevormd door de zijketen en de as van de polypeptideskelet. Voor een-helix 6 = 100°. In afb. 3.9, B De hydrofobiciteitsvectoren worden weergegeven in projectie op het vlak van de spiraalvormige ring, en het hydrofobe moment is gelijk aan hun vectorsom. Het hydrofiele residu wordt weergegeven door een vector met een negatieve directionaliteit. Voor een willekeurige reeks de waarde qi vanwege de willekeurige verdeling zullen er zeer weinig hydrofobe residuen zijn. Tegelijkertijd bevinden zich in het mellitinepeptide hydrofobe residuen aan de ene kant van de structuur en polaire aan de andere kant. De numerieke waarde van het hydrofobe moment wordt toegewezen aan het aminozuur dat zich in het midden van het geanalyseerde segment bevindt. Daarom kunt u de reeks 'scannen' en aan elke positie een gemiddelde hydrofobiciteit toewijzen, en ook ^n- vinden

Eisenberg et al. analyseerden segmenten met 11 residuen van veel eiwitten en peptiden, waarbij ze het hydrofobe moment bepaalden

en gemiddelde hydrofobiciteit voor elk van de bestudeerde segmenten. Polypeptidesegmenten van bolvormige eiwitten worden gekenmerkt door lage waarden van beide qi - Transmembraanelementen met een hydrofoob karakter hebben hoge pH-waarden, maar lage pH-waarden, omdat ze meestal niet-polair zijn. Peptiden en eiwitgebieden die zijn geclassificeerd als ‘oppervlakteactieve stof’ hebben hoge waarden tsn vanwege de sterke asymmetrie in de verdeling van polaire en niet-polaire residuen. Met behulp van dit algoritme werden enkele segmenten van oppervlakteactieve eiwitten geïdentificeerd, bijvoorbeeld gebieden van difterietoxine en pyruvaatoxidase uit E. coli

Het hydrofobe moment dient als een kwantitatieve maatstaf voor de periodiciteit in de verdeling van hydrofobe residuen in verschillende gebieden van het polypeptide. Een belangrijke rol wordt gespeeld door keuze 6. Het hydrofobe moment is in wezen een van de parameters van de Fourier-transformatie van de hydrofobiciteitsfunctie. Met de meer algemene methoden die hieronder worden beschreven, kunnen alle Fourier-componenten worden geanalyseerd en kan elke mogelijke periodiciteit worden geïdentificeerd.

2. Periodiciteit van de reeks. Er zijn veel methoden ontwikkeld voor het identificeren van gebieden van eiwitmoleculen die worden gekenmerkt door periodieke veranderingen in hydrofobiciteit langs de keten. Ze omvatten allemaal een Fourier-transformatiefunctie die afhangt van de hydrofobiciteit van aminozuurresiduen langs het polypeptide. De aanwezigheid van een piek met een periode van 3,6 geeft aan dat een hydrofoob residu in dit segment van het geanalyseerde polypeptide gemiddeld elke 3,6 residuen voorkomt. Dit betekent dat het segment een α-helix is, met aan één zijde overwegend hydrofobe residuen. Deze methode is gebruikt om amfifiele gebieden in verschillende transport- en kanaalvormende eiwitten te identificeren; Voorbeelden omvatten acetylcholinereceptor, natriumkanaal, glucosetransporter, mitochondriaal ontkoppeleiwit en erytrocytband 3-eiwit, een aniontransporter. Er zijn echter geen duidelijke aanwijzingen dat deze vermeende amfifiele helices transmembraan zijn.

Deze methoden zijn ook gebruikt om peptiden en apolipoproteïnen die op het membraanoppervlak interageren te analyseren.

Peptiden - modellen van membraaneiwitten

Peptiden werden vele jaren geleden gebruikt om de interacties tussen eiwitten en lipiden te bestuderen. In de meeste gevallen waren dit natuurlijke membraanactieve peptiden, voornamelijk gramicidine A, alamethicine en mellitine. Momenteel worden synthetische peptiden vaker gebruikt als modelsystemen. In dit geval is het noodzakelijk om twee punten te onthouden: 1) bij het binden van een peptide aan een membraan zijn zowel de primaire als de secundaire amfifiliciteit significant; 2) peptiden hebben vaak polymorfisme, d.w.z. het vermogen om de conformatie te veranderen afhankelijk van de omgeving. Niet; Het is mogelijk dat het in de toekomst met behulp van synthetische peptiden mogelijk zal zijn om eiwit-lipide-interacties in detail te bestuderen, maar voorlopig zijn we daar nog ver van verwijderd.

Lipiden in membranen zijn in de eerste plaats verantwoordelijk voor hun structurele eigenschappen - ze creëren een dubbellaag of matrix waarin de actieve componenten van het membraan - eiwitten - zich bevinden. Het zijn eiwitten die verschillende membranen hun uniekheid geven en specifieke eigenschappen bieden. Talrijke membraaneiwitten vervullen de volgende hoofdfuncties: ze bepalen de overdracht van stoffen over membranen (transportfuncties), voeren katalyse uit, zorgen voor de processen van foto- en oxidatieve fosforylatie, DNA-replicatie, vertaling en modificatie van eiwitten, signaalontvangst en -overdracht van zenuwimpulsen, enz.

Het is gebruikelijk om membraaneiwitten in 2 groepen te verdelen: integraal(intern) en perifeer(extern). Het criterium voor een dergelijke scheiding is de mate van bindingssterkte van het eiwit aan het membraan en, dienovereenkomstig, de mate van ernst van de bewerking die nodig is om het eiwit uit het membraan te extraheren. Zo kunnen perifere eiwitten in oplossing worden gebracht, zelfs wanneer membranen worden gewassen met buffermengsels met lage ionsterkte, lage pH-waarden in aanwezigheid van chelaatvormende stoffen, zoals ethyleendiaminetetraacetaat (EDTA), die tweewaardige kationen binden. Perifere eiwitten komen onder zulke milde omstandigheden vrij uit membranen omdat ze geassocieerd zijn met lipidekoppen of met andere membraaneiwitten die zwakke elektrostatische interacties gebruiken, of met hydrofobe interacties met lipidestaarten. Integendeel, integrale eiwitten zijn amfifiele moleculen, hebben grote hydrofobe gebieden op hun oppervlak en bevinden zich in het membraan, dus hun extractie vereist vernietiging van de dubbellaag. Voor deze doeleinden worden meestal detergentia of organische oplosmiddelen gebruikt. De methoden voor het bevestigen van eiwitten aan het membraan zijn behoorlijk gevarieerd (Fig. 4.8).

Transporteiwitten. De lipidedubbellaag is een ondoordringbare barrière voor de meeste in water oplosbare moleculen en ionen, en hun transport door biomembranen hangt af van de activiteit van transporteiwitten. Er zijn twee hoofdtypen van deze eiwitten: kanalen(poriën) en vervoerders. Kanalen zijn membraandoorkruisende tunnels waarin bindingsplaatsen voor getransporteerde stoffen tegelijkertijd op beide membraanoppervlakken toegankelijk zijn. Kanalen ondergaan geen conformatieveranderingen tijdens het transport van stoffen; Dragers daarentegen veranderen hun conformatie tijdens de overdracht van stoffen door het membraan. Bovendien is de bindingsplaats van de getransporteerde substantie in de drager op elk moment slechts toegankelijk op één oppervlak van het membraan.

Kanalen kunnen op hun beurt worden onderverdeeld in twee hoofdgroepen: spanningsafhankelijk en chemisch gereguleerd. Een voorbeeld van een potentiaalafhankelijk kanaal is het Na+-kanaal; de werking ervan wordt geregeld door het veranderen van de elektrische veldspanning. Met andere woorden: deze kanalen openen en sluiten zich als reactie op verandering transmembraan potentieel. Chemisch gereguleerde kanalen

openen en sluiten als reactie op de binding van specifieke chemische middelen. Wanneer een neurotransmitter zich eraan bindt, gaat de nicotine-acetylcholinereceptor bijvoorbeeld in een open conformatie over en laat monovalente kationen door (paragraaf 4.7 van dit hoofdstuk). De termen ‘porie’ en ‘kanaal’ worden gewoonlijk door elkaar gebruikt, maar poriën worden vaker opgevat als niet-selectieve structuren die stoffen voornamelijk onderscheiden op basis van hun grootte en die de doorgang van alle voldoende kleine moleculen mogelijk maken. Kanalen worden vaak opgevat als ionkanalen. De transportsnelheid door het open kanaal bereikt 10 6 - 10 8 ionen per seconde.

Transporters kunnen ook in 2 groepen worden verdeeld: passief en actief. Met behulp van passieve dragers wordt één soort stof door het membraan getransporteerd. Er zijn passieve transporteurs bij betrokken gefaciliteerde diffusie en alleen de stroom van stoffen langs een elektrochemische gradiënt vergroten (bijvoorbeeld de overdracht van glucose door erytrocytmembranen). Actieve dragers transporteren stoffen door het membraan met behulp van energie. Deze transporteiwitten accumuleren stoffen aan één kant van het membraan en transporteren ze tegen de elektrochemische gradiënt in. De transportsnelheid met vervoerders is sterk afhankelijk van het type en varieert van 30 tot 10 5 s -1. De termen “permease” en “translocase” worden vaak gebruikt om individuele transporteurs aan te duiden, wat als synoniem kan worden beschouwd met de term “transporteur”.

Enzymfuncties van membraaneiwitten. In celmembranen functioneren een groot aantal verschillende enzymen. Sommigen van hen zijn gelokaliseerd in het membraan en vinden daar een geschikte omgeving voor de transformatie van hydrofobe verbindingen, anderen bevinden zich, dankzij de deelname van membranen, in strikte volgorde daarin en katalyseren opeenvolgende stadia van vitale processen, terwijl anderen de hulp nodig hebben van lipiden om hun conformatie te stabiliseren en de activiteit te behouden. Enzymen werden gevonden in biomembranen - vertegenwoordigers van alle bekende klassen. Ze kunnen het membraan doordringen, daarin in opgeloste vorm aanwezig zijn, of als perifere eiwitten aan membraanoppervlakken binden als reactie op een signaal. De volgende karakteristieke typen membraanenzymen kunnen worden onderscheiden:

1) transmembraan-enzymen die gekoppelde reacties aan weerszijden van het membraan katalyseren. Deze enzymen hebben gewoonlijk verschillende actieve centra die zich aan weerszijden van het membraan bevinden. Typische vertegenwoordigers van dergelijke enzymen zijn componenten van de ademhalingsketen of fotosynthetische redoxcentra die redoxprocessen katalyseren die verband houden met elektronentransport en de creatie van ionengradiënten op het membraan;

2) transmembraanenzymen die betrokken zijn bij het transport van stoffen. Transporteiwitten die stofoverdracht koppelen aan ATP-hydrolyse hebben bijvoorbeeld een katalytische functie;

3) enzymen die de transformatie van membraangebonden substraten katalyseren. Deze enzymen zijn betrokken bij het metabolisme van membraancomponenten: fosfolipiden, glycolipiden, steroïden, enz.

4) enzymen die betrokken zijn bij de transformatie van in water oplosbare substraten. Met behulp van membranen, meestal in een gehechte toestand, kunnen enzymen zich concentreren in die delen van het membraan waar de inhoud van hun substraten het grootst is. Enzymen die eiwitten en zetmeel hydrolyseren, zijn bijvoorbeeld gehecht aan de membranen van darmmicrovilli, wat helpt de afbraaksnelheid van deze substraten te verhogen.

Cytoskeletale eiwitten . Het cytoskelet is een complex netwerk van eiwitvezels van verschillende typen en is alleen aanwezig in eukaryotische cellen. Het cytoskelet biedt mechanische ondersteuning voor het plasmamembraan en kan de vorm van de cel bepalen, evenals de locatie van organellen en hun beweging tijdens mitose. Met de deelname van het cytoskelet worden ook zulke belangrijke processen voor de cel uitgevoerd als endo- en exocytose, fagocytose en amoeboïde beweging. Het cytoskelet is dus het dynamische raamwerk van de cel en bepaalt de mechanica ervan.

Het cytoskelet bestaat uit drie soorten vezels:

1) microfilamenten(diameter ~6 nm). Het zijn draadachtige organellen - polymeren van het bolvormige eiwit actine en andere daarmee geassocieerde eiwitten;

2) tussenfilamenten (diameter 8-10 nm). Gevormd door keratine en verwante eiwitten;

3) microtubuli(diameter ~ 23 nm) - lange buisvormige structuren.

Ze bestaan ​​uit een bolvormig eiwit genaamd tubuline, waarvan de subeenheden een holle cilinder vormen. De lengte van microtubuli kan enkele micrometers bereiken in het cytoplasma van cellen en enkele millimeters in de axonen van zenuwen.

De genoemde cytoskeletstructuren dringen de cel in verschillende richtingen binnen en zijn nauw verbonden met het membraan en hechten zich er op sommige punten aan. Deze delen van het membraan spelen een belangrijke rol bij intercellulaire contacten; met hun hulp kunnen cellen zich aan het substraat hechten. Ze spelen ook een belangrijke rol bij de transmembraanverdeling van lipiden en eiwitten in membranen.