Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с трансмембранных белков )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схематическое изображение трансмембранных белков: 1) одиночная трансмембранная α-спираль (битопический мембранный белок). 2) политопный трансмембранный α-спиральный белок. 3) политопный трансмембранный белок β-листа. Мембрана представлена ​​светло-желтым цветом.

Трансмембранный белок ( ТР ) представляет собой тип интегрального мембранного белка , который охватывает полноту клеточной мембраны . Многие трансмембранные белки функционируют как шлюзы, позволяющие транспортировать определенные вещества через мембрану. Они часто претерпевают значительные конформационные изменения, чтобы перемещать вещество через мембрану. Они обычно очень гидрофобны и собираются и осаждаются в воде. Для экстракции им требуются детергенты или неполярные растворители, хотя некоторые из них ( бета-бочки ) также можно экстрагировать с использованием денатурирующих агентов .

Пептидная последовательность , которая охватывает мембрану, или трансмембранный сегмент , в основном гидрофобными и могут быть визуализированы с помощью гидропатия участка . [1] В зависимости от количества трансмембранных сегментов трансмембранные белки можно разделить на однопролетные (или битопические ) или многопролетные (политопные). Некоторые другие интегральные мембранные белки называются монотопными , что означает, что они также постоянно прикреплены к мембране, но не проходят через нее. [2]

Типы [ править ]

Классификация по структуре [ править ]

Существует два основных типа трансмембранных белков: [3] альфа-спиральные и бета- цилиндрические . Альфа-спиральные белки присутствуют во внутренних мембранах бактериальных клеток или плазматической мембране эукариот, а иногда и во внешних мембранах . [4] Это основная категория трансмембранных белков. У людей 27% всех белков составляют альфа-спиральные мембранные белки. [5] Бета-бочка белки до сих пор только в наружных мембран грам-отрицательных бактерий , клеточных стенок из грам-положительных бактерий , внешних мембран из митохондрий ихлоропласты или могут секретироваться в виде порообразующих токсинов . Все трансмембранные белки с бета-стволами имеют простейшую топологию «вверх-вниз», которая может отражать их общее эволюционное происхождение и сходный механизм сворачивания.

Помимо белковых доменов существуют необычные трансмембранные элементы, образованные пептидами. Типичным примером является грамицидин А, пептид, который образует димерную трансмембранную β-спираль. [6] Этот пептид секретируется грамположительными бактериями в качестве антибиотика . О трансмембранной спирали полипролина-II в природных белках не сообщалось. Тем не менее, эта структура экспериментально наблюдалась в специально разработанных искусственных пептидах. [7]

Классификация по топологии [ править ]

Эта классификация относится к положению белка N- и С-концами на разных сторонах в липидный бислой . Типы I, II, III и IV представляют собой однопроходные молекулы . Трансмембранные белки типа I прикреплены к липидной мембране с помощью якорной последовательности стоп-переноса, и их N-концевые домены нацелены на просвет эндоплазматического ретикулума (ER) во время синтеза (и во внеклеточное пространство, если зрелые формы расположены на клеточных мембранах).). Тип II и III заякорены с помощью сигнально-якорной последовательности, при этом тип II нацелен на просвет ER с его C-концевым доменом, тогда как у типа III их N-концевые домены нацелены на просвет ER. Тип IV подразделяется на IV-A с их N-концевыми доменами, нацеленными на цитозоль, и IV-B, с N-концевым доменом, нацеленным на просвет. [8] Последствия для деления на четыре типа особенно проявляются во время транслокации и трансляции, связанной с ER, когда белок должен пройти через мембрану ER в направлении, зависящем от типа.

Трансмембранные белки групп I и II имеют противоположную конечную топологию. Белки группы I имеют N-конец на дальней стороне и C-конец на цитозольной стороне. Белки группы II имеют С-конец на дальней стороне и N-конец в цитозоле. Однако конечная топология - не единственный критерий для определения групп трансмембранных белков, а скорее расположение топогенных детерминант и механизм сборки учитывается в классификации [9].

3D-структура [ править ]

Увеличение количества известных трехмерных структур мембранных белков.

Структуры мембранных белков можно определить с помощью рентгеновской кристаллографии , электронной микроскопии или ЯМР-спектроскопии . [10] Наиболее распространенными третичными структурами этих белков являются пучок трансмембранной спирали и бета-ствол . Часть мембранных белков, которые прикреплены к липидному бислою (см. Кольцевую липидную оболочку ), в основном состоят из гидрофобных аминокислот. [11]

Мембранные белки, которые имеют гидрофобные поверхности, относительно гибки и экспрессируются на относительно низких уровнях. Это создает трудности с получением достаточного количества белка и последующим выращиванием кристаллов. Следовательно, несмотря на значительную функциональную важность мембранных белков, определение структур атомного разрешения для этих белков сложнее, чем глобулярных белков. [12] По состоянию на январь 2013 г. менее 0,1% определенных белковых структур составляли мембранные белки, несмотря на то, что они составляли 20–30% от общего протеома. [13] В связи с этой трудностью и важностью этого класса белков были разработаны методы предсказания структуры белков на основе графиков гидропатии, положительное внутреннее правило и другие методы. [14] [15] [16]

Термодинамическая стабильность и складчатость [ править ]

Стабильность α-спиральных трансмембранных белков [ править ]

Трансмембранные α-спиральные белки необычайно стабильны, судя по исследованиям термической денатурации , потому что они не разворачиваются полностью внутри мембран (полное развертывание потребовало бы разрушения слишком большого количества α-спиральных Н-связей в неполярной среде). С другой стороны, эти белки легко неправильно уложены из-за ненативной агрегации в мембранах, перехода в состояния расплавленных глобул , образования ненативных дисульфидных связей или развертывания периферических областей и нерегулярных петель, которые локально менее стабильны. [ необходима цитата ]

Также важно правильно определить разложенное состояние . Разложенное состояние мембранных белков в моющих мицеллах отличаются от такового в тепловой денатурации экспериментах. [ необходима цитата ] Это состояние представляет собой комбинацию свернутых гидрофобных α-спиралей и частично развернутых сегментов, покрытых детергентом. Например, «развернутый» бактериородопсин в мицеллах SDS имеет четыре свернутых трансмембранных α-спирали, в то время как остальная часть белка расположена на границе раздела мицелла-вода и может принимать различные типы неместных амфифильныхконструкции. Разница в свободной энергии между таким денатурированным детергентом и нативным состояниями аналогична стабильности водорастворимых белков (<10 ккал / моль). [ необходима цитата ]

Сворачивание α-спиральных трансмембранных белков [ править ]

Рефолдинг α-спиральных трансмембранных белков in vitro технически затруднен. Примеров успешных экспериментов по рефолдингу, например, бактериородопсина , относительно немного . In vivo все такие белки обычно ко-трансляционно свертываются внутри большого трансмембранного транслокона . Канал транслокона обеспечивает очень гетерогенную среду для возникающих трансмембранных α-спиралей. Относительно полярная амфифильная α-спираль может принимать трансмембранную ориентацию в транслоконе (хотя она может быть на поверхности мембраны или развернута in vitro.), поскольку его полярные остатки могут быть обращены в центральный канал транслокона, заполненный водой. Такой механизм необходим для встраивания полярных α-спиралей в структуры трансмембранных белков. Амфифильные спирали остаются прикрепленными к транслокону до тех пор, пока белок не будет полностью синтезирован и свернут. Если белок остается развернутым и прикрепленным к транслокону слишком долго, он разрушается специфическими клеточными системами «контроля качества». [ необходима цитата ]

Стабильность и сворачивание трансмембранных белков β-ствола [ править ]

Стабильность трансмембранных белков с β-стволом подобна стабильности водорастворимых белков, что подтверждается исследованиями химической денатурации. Некоторые из них очень устойчивы даже к хаотропным агентам и высокой температуре. Их сворачиванию in vivo способствуют водорастворимые шапероны , такие как белок Skp. Считается, что белки мембраны β-ствола происходят от одного предка, даже имея разное количество слоев, которые могли быть добавлены или удвоены в процессе эволюции. Некоторые исследования показывают огромную консервацию последовательностей у разных организмов, а также консервативные аминокислоты, которые сохраняют структуру и помогают складываться. [17]

3D-конструкции [ править ]

См. Также: База данных классификации транспортеров.

Светопоглощающие транспортеры [ править ]

  • Бактериородопсиноподобные белки, включая родопсин (см. Также опсин )
  • Бактериальные фотосинтетические реакционные центры и фотосистемы I и II
  • Светособирающие комплексы из бактерий и хлоропластов

Транспортеры, управляемые окислением и восстановлением [ править ]

  • Трансмембранные цитохром b-подобные белки: кофермент Q - цитохром с редуктаза (цитохром bc1); комплекс цитохрома b6f ; формиатдегидрогеназа, респираторная нитратредуктаза ; сукцинат - кофермент Q редуктаза (фумаратредуктаза); и сукцинатдегидрогеназа . См. Цепь переноса электронов .
  • Цитохром с оксидазы из бактерий и митохондрий

Транспортеры с электрохимическим потенциалом [ править ]

  • Протон или натрий-транслокационные АТФазы F-типа и V-типа

Транспортеры, управляемые гидролизом PP-связью [ править ]

  • Кальциевая АТФаза P-типа (пять различных конформаций)
  • Регуляторы кальциевой АТФазы фосфоламбан и сарколипин
  • Автовозы ABC
  • Транслокон общего секреторного пути (Sec) (препротеиновая транслоказа SecY)

Носильщики (унипортеры, симпортеры, антипортеры) [ править ]

  • Белки-переносчики митохондрий
  • Основные Посредники надсемейство (глицерол-3-фосфат - переносчик, Лактоза пермеазы и Мультирезистентный Транспортер EmrD)
  • Резистентность-клубенько-деление клеток ( переносчик множественного лекарственного оттока AcrB, см. Множественная лекарственная устойчивость )
  • Дикарбоксилат / аминокислота: симпортер катионов (симпортер протон-глутамата)
  • Моновалентный катион / протонный антипортер (Натрий / протонный антипортер 1 NhaA)
  • Симпортер нейротрансмиттера натрия
  • Транспортеры аммиака
  • Транспортер лекарств / метаболитов (маленький переносчик множественной лекарственной устойчивости EmrE - структуры втянуты как ошибочные)

Альфа-спиральные каналы, включая ионные каналы [ править ]

  • Управляемый по напряжению ионный канал , в том числе калиевые каналы KcsA и KvAP, а также канал иона калия с внутренним выпрямителем Kirbac
  • Механочувствительный канал с большой проводимостью, MscL
  • Механочувствительный ионный канал с малой проводимостью (MscS)
  • Транспортеры ионов металлов CorA
  • Лиганд-ионный канал из нейротрансмиттерных рецепторов ( ацетилхолин рецепторов )
  • Аквапорины
  • Хлоридные каналы
  • Вспомогательные белки внешней мембраны (переносчик полисахаридов) - α-спиральные трансмембранные белки внешней бактериальной мембраны.

Ферменты [ править ]

  • Метанмонооксигеназа
  • Ромбовидная протеаза
  • Белок образования дисульфидной связи (комплекс DsbA-DsbB)

Белки с альфа-спиральными трансмембранными якорями [ править ]

  • Трансмембранный домен димеризации Т-клеточного рецептора ]
  • Цитохром с нитритредуктазный комплекс
  • Стерилсульфат сульфогидролаза
  • Станнин
  • Димер гликофорина А
  • Иновирус ( нитчатый фаг ) главный белок оболочки
  • Пилин
  • Легочный белок, ассоциированный с сурфактантом
  • Моноаминоксидазы A и B
  • Амидгидролаза жирных кислот [18]
  • Оксидазы цитохрома P450
  • Кортикостероидные 11β-дегидрогеназы .
  • Сигнальная пептидная пептидаза
  • Мембранная протеаза, специфичная для гомолога стоматина

β-бочки, состоящие из одной полипептидной цепи [ править ]

  • Бета-стволы из восьми бета-нитей и с «числом сдвига» десять ( n = 8, S = 10 ). Они включают:
    • OmpA-подобный трансмембранный домен (OmpA)
    • Семейство белков внешней мембраны, связанных с вирулентностью (OmpX)
    • Семейство белков внешней мембраны W (OmpW)
    • Устойчивость к антимикробным пептидам и семейство белков ацилирования липида А (PagP)
    • Липид А-деацилаза PagL
    • Семейство поринов непрозрачности (NspA)
  • Автотранспортный домен ( n = 12, S = 14 )
  • Семейство транспортных белков внешней мембраны FadL , включая транспортер жирных кислот FadL ( n = 14, S = 14 )
  • Общее семейство бактериальных поринов , известных как тримерные порины ( n = 16, S = 20 )
  • Мальтопорин или сахарные порины ( n = 18, S = 22 )
  • Нуклеозид-специфический порин ( n = 12, S = 16 )
  • Фосфолипаза A1 внешней мембраны ( n = 12, S = 16 )
  • TonB-зависимые рецепторы и их вилочный домен . Это каналы внешней мембраны, управляемые лигандами ( n = 22, S = 24 ), включая транспортер кобаламина BtuB, рецептор FptA Fe (III) -пиохелина, рецептор FepA, рецептор захвата гидроксамата железа FhuA, транспортер FecA и рецептор пиовердина FpvA.
  • Семейство белков наружной мембраны OpcA ( n = 10, S = 12 ), которое включает протеазу внешней мембраны OmpT и белок OpcA адгезин / инвазин
  • Семейство поринов белков G внешней мембраны ( n = 14, S = 16 )

Примечание: п и S , соответственно, количество бета-нитей и «сдвига число» [19] из бета-баррель

β-бочки, состоящие из нескольких полипептидных цепей [ править ]

  • Тримерный автотранспортер ( n = 12, S = 12 )
  • Белки оттока через внешнюю мембрану , также известные как тримерные факторы внешней мембраны (n = 12, S = 18), включая TolC и белки множественной лекарственной устойчивости
  • MspA-порин (октамер, n = S = 16 ) и α-гемолизин (гептамер n = S = 14 ). Эти белки секретируются.

См. Также [ править ]

  • Мембранный белок
  • Топология мембраны
  • Трансмембранный домен
  • Трансмембранные рецепторы

Ссылки [ править ]

  1. ^ Поместье, Джошуа; Feldblum, Esther S .; Аркин, Исайя Т. (2012). «Полярность окружающей среды в белках, картированных неинвазивно с помощью ИК-Фурье спектроскопии» . Журнал писем по физической химии . 3 (7): 939–944. DOI : 10.1021 / jz300150v . PMC  3341589 . PMID  22563521 .
  2. ^ Стивен Р. Гудман (2008). Медицинская клеточная биология . Академическая пресса. С. 37–. ISBN 978-0-12-370458-0. Проверено 24 ноября 2010 года .
  3. ^ Jin Сюн (2006). Основная биоинформатика . Издательство Кембриджского университета. С. 208–. ISBN 978-0-521-84098-9. Проверено 13 ноября 2010 года .
  4. ^ альфа-спиральные белки внешних мембран включают станнин и некоторые липопротеины , а также другие
  5. ^ Almen МС, Нордстрёй КДж, Фредрикссон R, Schiöth HB (2009). «Картирование протеома мембраны человека: большинство белков мембраны человека можно классифицировать по функциям и эволюционному происхождению» . BMC Biol . 7 : 50. DOI : 10.1186 / 1741-7007-7-50 . PMC 2739160 . PMID 19678920 .  
  6. ^ Николсон, LK; Кросс, Т.А. (1989). «Катионный канал грамицидина: экспериментальное определение направления правой спирали и проверка водородной связи β-типа». Биохимия . 28 (24): 9379–9385. DOI : 10.1021 / bi00450a019 . PMID 2482072 . 
  7. ^ Кубышкин, Владимир; Grage, Stephan L .; Ульрих, Энн С .; Будиса, Недилько (2019). «Толщина бислоя определяет выравнивание модельных полипролиновых спиралей в липидных мембранах» . Физическая химия Химическая физика . 21 (40): 22396–22408. Bibcode : 2019PCCP ... 2122396K . DOI : 10.1039 / c9cp02996f . PMID 31577299 . 
  8. ^ Харви Лодиш и др .; Молекулярная клеточная биология , шестое издание, стр.546.
  9. ^ Годер, Вейт; Шписс, Мартин (31 августа 2001 г.). «Топогенез мембранных белков: детерминанты и динамика» . Письма FEBS . 504 (3): 87–93. DOI : 10.1016 / S0014-5793 (01) 02712-0 . PMID 11532438 . 
  10. ^ Кросс, Тимоти А .; Шарма, Мукеш; Йи, Мёнги; Чжоу, Хуань-Сян (2011). «Влияние солюбилизирующих сред на структуры мембранных белков» . Направления биохимических наук . 36 (2): 117–125. DOI : 10.1016 / j.tibs.2010.07.005 . PMC 3161620 . PMID 20724162 .  
  11. ^ Белый, Стивен. «Общий принцип сворачивания и стабильности мембранного белка». Домашняя страница лаборатории Стивена Уайта. 10 ноября 2009 г. web. [ требуется проверка ]
  12. ^ Карпентер, Элизабет П.; Бейс, Константинос; Кэмерон, Александр Д; Ивата, Со (октябрь 2008 г.). «Преодоление проблем кристаллографии мембранных белков» . Текущее мнение в структурной биологии . 18 (5): 581–586. DOI : 10.1016 / j.sbi.2008.07.001 . PMC 2580798 . PMID 18674618 .  
  13. ^ Мембранные белки известной трехмерной структуры
  14. ^ Элофссон, Арне; Хейне, Гуннар фон (7 июня 2007 г.). «Структура мембранного белка: предсказание против реальности». Ежегодный обзор биохимии . 76 (1): 125–140. CiteSeerX 10.1.1.332.4023 . DOI : 10.1146 / annurev.biochem.76.052705.163539 . PMID 17579561 .  
  15. ^ Чен, Чиен Питер; Рост, Буркхард (2002). «Современное состояние в предсказании белков мембраны». Прикладная биоинформатика . 1 (1): 21–35. CiteSeerX 10.1.1.134.7424 . PMID 15130854 .  
  16. ^ Хопф, Томас A .; Колвелл, Люси Дж .; Шеридан, Роберт; Рост, Буркхард; Сандер, Крис; Маркс, Дебора С. (июнь 2012 г.). «Трехмерные структуры мембранных белков из геномного секвенирования» . Cell . 149 (7): 1607–1621. DOI : 10.1016 / j.cell.2012.04.012 . PMC 3641781 . PMID 22579045 .  
  17. ^ Михалик, Марцин; Орвик-Ридмарк, Марселла; Хабек, Майкл; Альва, Викрам; Арнольд, Томас; Линке, Дирк; Пермяков, Евгений Александрович (3 августа 2017 г.). «Эволюционно консервативный мотив глицин-тирозин образует складчатое ядро ​​в белках внешней мембраны» . PLOS ONE . 12 (8): e0182016. Bibcode : 2017PLoSO..1282016M . DOI : 10.1371 / journal.pone.0182016 . PMC 5542473 . PMID 28771529 .  
  18. ^ Bracey MH, Hanson MA, Масуда KR, Stevens RC, Cravatt BF (ноябрь 2002). «Структурные адаптации в мембранном ферменте, который прекращает передачу сигналов эндоканнабиноидов» . Наука . 298 (5599): 1793–6. Bibcode : 2002Sci ... 298.1793B . DOI : 10.1126 / science.1076535 . PMID 12459591 . S2CID 22656813 .  
  19. ^ Мурзин А.Г., Lesk А.М., Chothia C (март 1994). «Принципы, определяющие структуру баррелей бета-листов в белках. I. Теоретический анализ». J. Mol. Биол . 236 (5): 1369–81. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (94) 90064-7 . PMID 8126726 .