Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кристаллическая структура Калиевого канала Kv1.2 / 2.1 Химера. Расчетные углеводородные границы липидного бислоя обозначены красными и синими линиями.

Мембранные белки - это обычные белки, которые являются частью биологических мембран или взаимодействуют с ними . Мембранные белки делятся на несколько широких категорий в зависимости от их местоположения. Интегральные мембранные белки являются постоянной частью клеточной мембраны и могут либо проникать через мембрану (трансмембранная), либо связываться с одной или другой стороной мембраны (интегральная монотопная). Белки периферической мембраны временно связаны с клеточной мембраной.

Мембранные белки являются обычными и важными с медицинской точки зрения - около трети всех белков человека являются мембранными белками, и они являются мишенями для более чем половины всех лекарств. [1] Тем не менее, по сравнению с другими классами белков, определение структур мембранных белков остается проблемой, в значительной степени из-за сложности создания экспериментальных условий, которые могут сохранить правильную конформацию белка в изоляции от его нативной среды.

Функция [ править ]

Мембранные белки выполняют множество функций, жизненно важных для выживания организмов: [2]

Локализацию белков в мембранах можно надежно предсказать, используя анализ гидрофобности последовательностей белков, то есть локализацию гидрофобных аминокислотных последовательностей.

Интегральные мембранные белки [ править ]

Схематическое изображение трансмембранных белков: 1. одиночная трансмембранная α-спираль ( битопический мембранный белок ) 2. политопный трансмембранный α-спиральный белок 3. политопный трансмембранный β-листовой белок
. Мембрана представлена ​​светло-коричневым цветом.
Основные статьи: Интегральный мембранный белок и трансмембранный белок

Интегральные мембранные белки постоянно прикреплены к мембране. Такие белки можно отделить от биологических мембран только с использованием детергентов , неполярных растворителей или иногда денатурирующих агентов. Одним из таких примеров белка этого типа, который еще не охарактеризован функционально, является SMIM23 . Их можно классифицировать в зависимости от их отношения к бислою:

  • Интегральные политопные белки - это трансмембранные белки, которые проходят через мембрану более одного раза. Эти белки могут иметь различную трансмембранную топологию . [4] [5] Эти белки имеют одну из двух структурных архитектур:
    • Белки спирального пучка , которые присутствуют во всех типах биологических мембран ;
    • Бета барреля белки, которые встречаются только в наружных мембранах из грамотрицательных бактерий , а также наружные мембраны митохондрий и хлоропластов . [6]
  • Битопные белки - это трансмембранные белки, которые проходят через мембрану только один раз. Трансмембранные спирали из этих белков имеют значительно отличающиеся распределения аминокислот от трансмембранных спиралей политопных белков. [7]
  • Интегральные монотопные белки - это интегральные мембранные белки, которые прикреплены только к одной стороне мембраны и не охватывают весь путь.

Белки периферических мембран [ править ]

Схематическое изображение различных типов взаимодействия между монотопными мембранными белками и клеточной мембраной : 1. взаимодействие посредством амфипатической α-спирали, параллельной плоскости мембраны (плоская спираль мембраны) 2. взаимодействие посредством гидрофобной петли 3. взаимодействие посредством ковалентно связанный мембранный липид ( липидирование ) 4. электростатические или ионные взаимодействия с мембранными липидами ( например, через ион кальция)
Основная статья: периферический мембранный белок

Белки периферической мембраны временно прикрепляются либо к липидному бислою, либо к интегральным белкам за счет комбинации гидрофобных , электростатических и других нековалентных взаимодействий. Периферические белки диссоциируют после обработки полярным реагентом, например раствором с повышенным pH или высокими концентрациями соли.

Интегральные и периферические белки могут быть посттрансляционно модифицированы с добавлением жирных кислот , диацилглицерина [8] или пренильных цепей, или GPI (гликозилфосфатидилинозитол), который может быть закреплен в липидном бислое.

Полипептидные токсины [ править ]

Основная статья: порообразующий токсин

Полипептидные токсины и многие антибактериальные пептиды , такие как колицины или гемолизины , а также некоторые белки, участвующие в апоптозе , иногда считаются отдельной категорией. Эти белки водорастворимы, но могут агрегироваться и необратимо связываться с липидным бислоем и становиться обратимо или необратимо ассоциированными с мембраной.

В геномах [ править ]

Мембранные белки, такие как растворимые глобулярные белки , волокнистые белки и неупорядоченные белки , являются обычными. [9] По оценкам, 20–30% всех генов в большинстве геномов кодируют мембранные белки. [10] [11] Например, около 1000 из ~ 4200 белков E. coli считаются мембранными белками, 600 из которых, как было экспериментально подтверждено, являются мембранно-резидентными. [12] Современные представления предполагают, что 30% генома человека кодирует мембранные белки. [13]

В болезни [ править ]

Мембранные белки являются мишенью для более 50% всех современных лекарственных препаратов . [1] Среди заболеваний человека , в которых были вовлечены мембранные белки являются сердечно - сосудистые заболевания , болезни Альцгеймера и муковисцидоз . [13]

Очистка мембранных белков [ править ]

Хотя мембранные белки играют важную роль во всех организмах, их очистка исторически была и остается огромной проблемой для ученых, занимающихся белками. В 2008 г. было доступно 150 уникальных структур мембранных белков [14], а к 2019 г. только 50 человеческих мембранных белков имели свои структуры. [13] Напротив, примерно 25% всех белков составляют мембранные белки. [15] Их гидрофобные поверхности затрудняют определение структурных и особенно функциональных характеристик. [13] [16] Для придания водорастворимости мембранным белкам можно использовать детергенты , но они также могут изменять структуру и функцию белков. [13] Сделать водорастворимые белки мембран можно также путем конструирования белковой последовательности, замены выбранных гидрофобных аминокислот гидрофильными, уделяя особое внимание поддержанию вторичной структуры при одновременном изменении общего заряда. [13]

Аффинная хроматография - одно из лучших решений для очистки мембранных белков. В отличие от других белков активность мембранных белков снижается очень быстро. Таким образом, аффинная хроматография обеспечивает быструю и специфическую очистку мембранных белков. Полигистидин тег представляет собой тег обычно используется для очистки мембранных белков, [17] и альтернативный rho1D4 тег также был успешно использован. [18] [19]

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Джонсон Дж. Э., Корнелл РБ (1999). «Амфитропные белки: регуляция обратимых мембранных взаимодействий (обзор)». Молекулярная мембранная биология . 16 (3): 217–35. DOI : 10.1080 / 096876899294544 . PMID  10503244 .
  • Alenghat FJ, Golan DE (2013). «Динамика мембранных белков и функциональные последствия в клетках млекопитающих» . Актуальные темы в мембранах . 72 : 89–120. DOI : 10.1016 / b978-0-12-417027-8.00003-9 . ISBN 9780124170278. PMC  4193470 . PMID  24210428 .

См. Также [ править ]

  • Кольцевая липидная оболочка
  • Белок-носитель
  • Белки внутренней ядерной мембраны
  • Ионный канал
  • Ионный насос (биология)
  • Список кодов MeSH (D12.776)
  • Рецептор (биохимия)
  • Трансмембранные белки

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Overington JP, Аль-Лазикани Б., Хопкинс А.Л. (декабрь 2006 г.). «Сколько существует мишеней для наркотиков?». Обзоры природы. Открытие наркотиков (Мнение). 5 (12): 993–6. DOI : 10.1038 / nrd2199 . PMID 17139284 . 
  2. ^ Альмен М.С., Нордстрём К.Дж., Фредрикссон Р., Шёт HB (август 2009 г.). «Картирование протеома мембраны человека: большинство мембранных белков человека можно классифицировать по функциям и эволюционному происхождению» . BMC Biology . 7 : 50. DOI : 10.1186 / 1741-7007-7-50 . PMC 2739160 . PMID 19678920 .  
  3. ^ Лин Y, Fuerst О, Granell М, G Леблан, Лоренц-Fonfría В, Е Падрос (август 2013 г. ). «Замена Arg149 на Cys фиксирует переносчик мелибиозы в открытой внутрь конформации» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1828 (8): 1690–9. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2013.03.003 . PMID 23500619 - через Elsevier Science Direct. 
  4. ^ von Heijne G (декабрь 2006 г.). «Мембранно-белковая топология». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 7 (12): 909–18. DOI : 10.1038 / nrm2063 . PMID 17139331 . 
  5. ^ Джеральд Карп (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты . Джон Уайли и сыновья. С. 128–. ISBN 978-0-470-48337-4. Проверено 13 ноября 2010 г. - через Google Книги.
  6. ^ Selkrig Дж, Лейтон Д.Л., Уэбб КТ, Литгоу Т (август 2014). «Сборка β-стволовых белков в бактериальные внешние мембраны» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток . 1843 (8): 1542–50. DOI : 10.1016 / j.bbamcr.2013.10.009 . PMID 24135059 - через Elsevier Science Direct. 
  7. ^ Бейкер JA, Вонг туалет, Eisenhaber В, Warwicker Дж, Eisenhaber F (июль 2017 г.). «Заряженные остатки рядом с трансмембранными областями пересмотрены:« Правило положительного внутреннего истощения »дополняется« правилом отрицательного внутреннего истощения / внешнего обогащения » » . BMC Biology . 15 (1): 66. DOI : 10,1186 / s12915-017-0404-4 . PMC 5525207 . PMID 28738801 .  
  8. ^ ВС С, Benlekbir S, Venkatakrishnan Р, Ван У, Хонг S, Hosler Дж, Tajkhorshid Е, Рубинштейн ДЛ, Геннис РБ (Май 2018). «Структура альтернативного комплекса III в суперкомплексе с цитохромоксидазой» . Природа . 557 (7703): 123–126. DOI : 10.1038 / s41586-018-0061-у . PMC 6004266 . PMID 29695868 .  
  9. ↑ Андреева А., Ховорт Д., Чотия С., Кулеша Е., Мурзин А.Г. (январь 2014 г.). «Прототип SCOP2: новый подход к изучению структуры белков» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (Проблема с базой данных): D310-4. DOI : 10.1093 / NAR / gkt1242 . PMC 3964979 . PMID 24293656 .  
  10. ^ Liszewski К (1 октября 2015). «Анализ структуры мембранных белков» . Новости генной инженерии и биотехнологии (бумага). 35 (17): 1, 14, 16–17. DOI : 10,1089 / gen.35.17.02 .
  11. ↑ Krogh A , Larsson B, von Heijne G , Sonnhammer EL (январь 2001 г.). «Прогнозирование топологии трансмембранного белка с помощью скрытой модели Маркова: приложение для полных геномов» (PDF) . Журнал молекулярной биологии . 305 (3): 567–80. DOI : 10.1006 / jmbi.2000.4315 . PMID 11152613 - через Semantic Scholar.  
  12. ^ Дейли DO, Rapp МЫ, Granseth Е, Melen К, Д Дрю, фон Heijne G (май 2005 г.). «Глобальный анализ топологии протеома внутренней мембраны Escherichia coli» (PDF) . Наука (Отчет). 308 (5726): 1321–3. Bibcode : 2005Sci ... 308.1321D . DOI : 10.1126 / science.1109730 . PMID 15919996 - через Semantic Scholar.  
  13. ^ a b c d e f Мартин, Джозеф; Сойер, Эбигейл (2019). «Выяснение структуры мембранных белков» . Технические новости. BioTechniques ( Печатный выпуск). Будущее науки. 66 (4): 167–170. DOI : 10.2144 / БТН-2019-0030 . PMID 30987442 . 
  14. ↑ Carpenter EP, Beis K, Cameron AD, Iwata S (октябрь 2008 г.). «Преодоление проблем кристаллографии мембранных белков» . Текущее мнение в структурной биологии . 18 (5): 581–6. DOI : 10.1016 / j.sbi.2008.07.001 . PMC 2580798 . PMID 18674618 .  
  15. ↑ Krogh A, Larsson B, von Heijne G, Sonnhammer EL (январь 2001 г.). «Прогнозирование топологии трансмембранного белка с помощью скрытой модели Маркова: приложение для полных геномов» (PDF) . Журнал молекулярной биологии . 305 (3): 567–80. DOI : 10.1006 / jmbi.2000.4315 . PMID 11152613 - через Semantic Scholar.  
  16. ↑ Rawlings AE (июнь 2016 г.). «Мембранные белки: всегда неразрешимая проблема?» . Сделки Биохимического Общества . 44 (3): 790–5. DOI : 10.1042 / BST20160025 . PMC 4900757 . PMID 27284043 .  
  17. ^ Hochuli Е, Bannwarth Вт, Döbeli Н, Gentz R, Stüber D (ноябрь 1988). «Генетический подход к облегчению очистки рекомбинантных белков с новым металлохелатным адсорбентом». Природа Биотехнологии . 6 (11): 1321–1325. DOI : 10.1038 / nbt1188-1321 .
  18. ^ Локателли-обручи SC, Горшкова I, Gawrisch K, Елисеева AA (октябрь 2013 г. ). «Экспрессия, поверхностная иммобилизация и характеристика функционального рекомбинантного каннабиноидного рецептора CB2» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1834 (10): 2045–56. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2013.06.003 . PMC 3779079 . PMID 23777860 .  
  19. ^ Кук Б.Л., Steuerwald D, L Кайзер, Graveland-Bikker Дж, Vanberghem М, Берке А.П., Херлихи К, Pick H, Vogel H, Zhang S (июль 2009 года). «Крупномасштабное производство и исследование синтетического рецептора, связанного с G-белком: обонятельного рецептора человека 17-4» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (29): 11925–30. Bibcode : 2009PNAS..10611925C . DOI : 10.1073 / pnas.0811089106 . PMC 2715541 . PMID 19581598 .  

Внешние ссылки [ править ]

Организации [ править ]

  • Консорциум структурной динамики мембранного белка
  • Специалисты по очистке мембранных белков

Базы данных мембранных белков [ править ]

  • TCDB - база данных классификации транспортеров , всеобъемлющая классификация трансмембранных белков-транспортеров
  • База данных Orientations of Proteins in Membranes (OPM) 3D-структуры интегральных и периферических мембранных белков, расположенных в липидном бислое
  • Банк данных о белках трансмембранных белков. Трехмерные модели трансмембранных белков, приблизительно расположенные в липидном бислое.
  • TransportDB Геномно-ориентированная база данных транспортеров из TIGR
  • Membrane PDB База данных трехмерных структур интегральных мембранных белков и гидрофобных пептидов с упором на условия кристаллизации
  • База данных Mpstruc - тщательно подобранный список выбранных трансмембранных белков из банка данных по белкам.
  • MemProtMD - база данных структур мембранных белков, смоделированных с помощью крупнозернистой молекулярной динамики
  • База данных мембран предоставляет информацию о битопных белках нескольких модельных организмов.