Структура грамицидина в липидных мембранах и мембрано-подобных средах

Спектр КД встроенного в липидный бислой грамицидина не похож ни на один спектр, полученный в различных органических растворителях [24]. Более того данный спектр нельзя представить как сумму какой либо комбинации спектров растворов грамицидина, и, следовательно, как комбинацию каких-то конформаций обнаруженных в растворах. Форма КД спектра мембрансвязанного грамицидина остается неизменной в широком диапазоне температур. С другой стороны, основываясь на данных только спектров КД нельзя сказать, существует ли грамицидин в какой-то одной форме, или же имеется набор конформеров.

Изученные методом ЯМР ¹³С и ¹⁹F меченые грамицидины, встроенные в липосомы [25-27], показали существование одной доминирующей структуры в мембранах.

Спектр КД мембрансвязанного грамицидина в области дальнего ультрафиолета имеет форму похожую на экситонное расщепление, свидетельствующую о стэкинг взаимодействиях триптофанов в данном окружении [28]. Экситонное расщепление так же наблюдается в области ближнего ультрафиолета [18]. что свидетельствует о внутримолекулярных взаимодействиях (Такого экситонного расщепления не наблюдается в растворах, что является еще одним подтверждением разности конформаций в мембране и в растворе). Другие методы [29, 30] так же подтверждают наличе стэкинг вззаимодействий в мембрансвязанной форме. Данные результаты свидетельствуют о различии в конформации как полипептидного остова, так и в ориентации боковых цепей между мембрансвязанной конформацией и формами, существующими в растворах.

Синхронные исследования флуресценции и проводимости в черных липидных мембранах [31] и в липосомах [32] показывают, что проводящая форма грамицидина является димером. В исследованиях с одиночными каналами (при соотношении грамицидин/липид около 1:10000), регистрация открывания и закрывания канала соотносится с равновесием мономер-димер (Рис.3)

Грамицидин так же образует комплексы с такиими детергентами как лизолецитин [33], и додецилсульфат натрия [34]. Исследования таких комплексом методом электронной микроскопии (метод замораживания-скалывания) свидетельствуют о наличии мультиламелярной фазы детергента, в то время как с другими белками и пептидами эти детергенты формируют типичную мицелярную фазу, более того данные ¹⁵Р и ²Н ЯМР, а так же дифракции ренгеновских лучей при малом угле демонстрируют, что амфифильные группы молекул детергента имеют бислой-подобную организацию. Этот пример – хорошая демонстрация влияния грамицидина на организацию окружающих его молекул липида [35]

Так как детергент в комплексе с грамицидином оразует мембраноподобные структуры, можно предположить, что трехмерная структура грамицидина в данной системе такая же, как и в бислойных мембранах, хотя другие небольшие пептиды часто имеют различную структуру в мицеллах и в липидных бислоях.

Мембрансвязанная форма грамицидина представляет собой спиральный димер, что было подтвержденно различными химическими и физическими методами. Данные ЯМР-спектроскопии с использованием ¹³С и ¹⁹F меченных грамицидинов встроенных в липосомы показали наличие структуры в которой N-конец молекулы расположен посередине бислоя, а С-конец ориентирован наружу [25, 26, 27 ]. ЯМР в твердом теле (ориентированные мультиламелярные бислои) обнаружил такую же структуру [36]. Изучение проводимости аналогов грамицидина в черных липидных мембранах покзали что модифицированные по С-концу аналоги способны образовывать активные каналы только при добавлении их с двух сторон мембраны и не образуют их при добавлении с одной стороны мембраны. Так как заряженные молекулы не могут переходить с одной стороны мембраны на другую – это явилось еще одним подтверждением того, что мембрансвязанная форма является спиральным димером N-конец к N-концу

В спиральном димере N-конец к N-концу каждый мономер стабилизирован 12-ю внутимолекулярными водородными связями, а димер – 6-ю межмолекулярными водородными связями, в образованиии которых принимают участие N-концевые формильные группы. Предложенно, что открывание и закрывание канала связанно с ассоциацией и диссоциацией (то есть с образованием и разрывом межмолекулярных водородных связей) такого ддимера [37] (РИС).

Рисунок 3.

Схематическое изображение инактивации грамицидинового канала путем диссоциации димера голова к голове (структура Урри – Арсеньева).

Изучения аналогов грамицидина показали, что N-коцевая формильная группа оказывает сильное влияние на стабильность димера [38]. При ее замещении на более объемную ацетильную [39], сукцинильную [40] или при отсутствии вообще время жизни канала уменьшается. Исследования методом КД-спектроскопии показали сильные конформационные различия между нативным грамицидином и его аналогами, что, возможно является причиной дестабилизации канала [41].

Дальнейшие исследования с помощью 13С- и 15N-меченных аналогов в ориентированных мультиламелярных бислоях показали возможность существования праозакрученной конформации канала [24].

Наиболее детальная структурная конформация грамицидина была определенна методом двумерного ЯМР в комплексе грамицидина с додецилсульфатом натрия (Арсеньев и сотр. 1985 г.). Данная структура представляет собой спиральный димер, в котором каждая составляющая спираль имеет 6,3 остатка на виток (b^6,3-спиральный димер) (Рис.4.)

                   А                                      Б

Рисунок 4.

СРК Изображение правозакрученного спирального димера грамицидина с 6,3 остатка на виток (PDB Code: 1GRM). A – вид сверху; Б – вид сбоку. Две молекулы грамицидина в димере показанны разными цветами. Водороды скрыты.

. Дальнейшие исследования показали что одна пара остатков Trp (⁹Trp и ¹⁵Trp) могут находиться в стэкинг взаимодействиях [41]. Более того, теоретические расчеты показали, что наиболее энергетически выгодной структурой в мембране является именно b^6,3-спиральный димер, в котором остатки триптофана образуют кластеры на границе раздела фазы липид-вода, и их азоты индoльных групп способны взаимодействовать с полярными головками липидов и с молекулами воды. В двухспиральной конформации остатки триптофана расположенны равномерно по внеешней поверхности спирали и только два из них (в отличие от четырех в b^6,3спиральном димере) могут взаимодействовать с молекулами липидов или водой. Таким образом, двухспиральная конформация энергетически дестабилизиированна в мембране по отношению к спиральному димеру [41] (рис.5).

                   А                        Б                           В

Рисунок 5 Положение боковых радикалов остатков триптофана в различных конформерах грамицидина. Вид сбоку.

Боковые радикалы триптофанов выделенны синим цветом. А – β^6,3-спиральный димер (Структура Урри-Арсеньева, наблюдаемая в мембранах); Б – ββ^5,6-двухспиральный димер (Структура Витча, наблюдаемая в органических растворителях); С – β7,2-двухспиральный димер (структура комплекса грамицидина с ионом цезия в органических растворителях и кристаллах)

 Спектроскопические исследования грамицидина в различных мембранах показали, что соотношение спиральных и двухспиральных димеров является функцией степени ненасыщенности липидов, образующих мембрану. При увеличении доли ненасыщенных липидов увеличивается доля двухспиральной конформации. Эти результаты говорят о том, что боковые цепи триптофанов могут взаимодействовать с С=С связями [42]. Модельные исследования в кобинации с экспериметами по изучению липид – пептидных взаимодействий так же подтверждают важность этих аминокислот для стабилизации канальной структуры и оказывают влияние на организацию окружающих грамицидин липидов [ 17]

В результате (в 90% случаев) грамицидин образуе активный трансмембранный канал одной единственной структуры, являющейся b^6,3-спиральным димером. Эта структура аналогична модели предложенной ранее Урри [12].