Membránový protein - Membrane protein

Krystalová struktura Draselný kanál Kv1.2 / 2.1 Chiméra. Vypočtené hranice uhlovodíků lipidová dvojvrstva jsou označeny červenými a modrými čarami.

Membránové proteiny jsou běžné bílkoviny které jsou součástí nebo s nimiž interagují biologické membrány. Membránové proteiny spadají do několika širokých kategorií v závislosti na jejich umístění. Integrální membránové proteiny jsou trvalou součástí buněčné membrány a mohou buď pronikat membránou (transmembránově), nebo se spojit s jednou nebo druhou stranou membrány (integrální monotopická). Periferní membránové proteiny jsou přechodně asociovány s buněčnou membránou.

Membránové proteiny jsou běžné a lékařsky důležité - přibližně třetina všech lidských proteinů jsou membránové proteiny, což jsou cíle pro více než polovinu všech léků.[1] Ve srovnání s jinými třídami proteinů je však určující membrána proteinové struktury zůstává výzvou z velké části kvůli obtížnosti stanovení experimentálních podmínek, které mohou zachovat správné konformace proteinu izolovaně od původního prostředí.

Funkce

Membránové proteiny plní řadu funkcí životně důležitých pro přežití organismů:[2]

Lokalizaci proteinů v membránách lze spolehlivě předpovědět pomocí hydrofobních analýz proteinových sekvencí, tj. Lokalizace hydrofobních aminokyselinových sekvencí.

Integrální membránové proteiny

Schematické znázornění transmembránových proteinů: 1. jediná transmembrána α-šroubovice (bitopový membránový protein ) 2. polytopická transmembránová α-helikální bílkovina 3. polytopická transmembrána β-list protein
Membrána je znázorněna ve světle hnědé barvě.
Hlavní články: Integrovaný membránový protein a Transmembránový protein

Integrální membránové proteiny jsou trvale připojeny k membráně. Takové proteiny lze oddělit od biologických membrán pouze za použití čistící prostředky, nepolární rozpouštědla, nebo někdy denaturace agenti. Jedním z takových příkladů tohoto typu proteinu, který dosud nebyl funkčně charakterizován, je SMIM23. Mohou být klasifikovány podle jejich vztahu s dvojvrstvou:

Periferní membránové proteiny

Schematické znázornění různých typů interakce mezi monotopovými membránovými proteiny a buněčná membrána: 1. interakce amfipatikem α-šroubovice rovnoběžně s rovinou membrány (spirála membrány v rovině) 2. interakce hydrofobní smyčkou 3. interakce kovalentně vázanou membránový lipid (lipidace) 4. elektrostatický nebo iontové interakce s membránovými lipidy (např. prostřednictvím iontu vápníku)
Hlavní článek: Periferní membránový protein

Periferní membránové proteiny jsou dočasně připojeny buď k lipidová dvojvrstva nebo na integrální proteiny kombinací hydrofobní, elektrostatický a další nekovalentní interakce. Periferní proteiny disociují po ošetření polárním činidlem, jako je roztok se zvýšeným obsahem pH nebo vysoké koncentrace solí.

Integrální a periferní proteiny mohou být posttranslačně modifikovány a přidány mastné kyseliny, diacylglycerol[8] nebo prenyl řetězy nebo GPI (glykosylfosfatidylinositol), který může být ukotven v lipidové dvojvrstvě.

Polypeptidové toxiny

Hlavní článek: Toxin tvořící póry

Polypeptidové toxiny a mnoho dalších antibakteriální peptidy, jako koliciny nebo hemolysiny a určité bílkoviny apoptóza, jsou někdy považovány za samostatnou kategorii. Tyto proteiny jsou rozpustné ve vodě, ale mohou se agregovat a sdružovat nevratně s lipidovou dvojvrstvou a stane se reverzibilně nebo ireverzibilně spojenou s membránou.

V genomech

Membránové proteiny, jako rozpustné globulární proteiny, vláknité proteiny, a neuspořádané proteiny, jsou běžné.[9] Odhaduje se, že 20–30% všech geny ve většině genomy kódují membránové proteiny.[10][11] Například asi 1000 z ~ 4200 proteinů z E-coli jsou považovány za membránové proteiny, z nichž 600 bylo experimentálně ověřeno, že jsou rezidenty membrány.[12] U lidí současné myšlení naznačuje, že plně 30% genom kóduje membránové proteiny.[13]

V nemoci

Membránové proteiny jsou cíle více než 50% všech moderních léčivé léky.[1] Mezi lidské nemoci, na nichž se podílejí membránové proteiny, patří srdeční choroba, Alzheimerova choroba a cystická fibróza.[13]

Čištění membránových proteinů

Ačkoli membránové proteiny hrají důležitou roli ve všech organismech, jejich čištění je historicky a stále představuje pro vědce o bílkovinách obrovskou výzvu. V roce 2008 bylo k dispozici 150 jedinečných struktur membránových proteinů,[14] a do roku 2019 mělo své struktury objasněno pouze 50 proteinů lidské membrány.[13] Naproti tomu přibližně 25% všech proteinů jsou membránové proteiny.[15] Jejich hydrofobní povrchy ztěžují strukturální a zejména funkční charakterizaci.[13][16] Čistící prostředky lze použít k vykreslení membránových proteinů rozpustné ve vodě, ale mohou také změnit strukturu a funkci proteinu.[13] Dosažení rozpustnosti membránových proteinů ve vodě lze dosáhnout také vytvořením proteinové sekvence nahrazením vybraných hydrofobních aminokyselin hydrofilními, přičemž je třeba věnovat velkou pozornost zachování sekundární struktury při revizi celkového náboje.[13]

Afinitní chromatografie je jedním z nejlepších řešení pro čištění membránových proteinů. Na rozdíl od jiných proteinů aktivita membránových proteinů klesá velmi rychle. Afinitní chromatografie tedy poskytuje rychlé a specifické čištění membránových proteinů. The polyhistidinová značka je běžně používaný tag pro čištění membránových proteinů,[17] a alternativní značka rho1D4 byla také úspěšně použita.[18][19]

Další čtení

  • Johnson JE, Cornell RB (1999). „Amfitropní proteiny: regulace reverzibilními membránovými interakcemi (přehled)“. Molekulární membránová biologie. 16 (3): 217–35. doi:10.1080/096876899294544. PMID  10503244.
  • Alenghat FJ, Golan DE (2013). „Dynamika membránových proteinů a funkční důsledky v savčích buňkách“. Aktuální témata v oblasti membrán. 72: 89–120. doi:10.1016 / b978-0-12-417027-8.00003-9. ISBN  9780124170278. PMC  4193470. PMID  24210428.

Viz také

Reference

  1. ^ A b Overington JP, Al-Lazikani B, Hopkins AL (prosinec 2006). „Kolik drogových cílů existuje?“. Recenze přírody. Objev drog (Názor). 5 (12): 993–6. doi:10.1038 / nrd2199. PMID  17139284.
  2. ^ Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (srpen 2009). „Mapování proteomu lidské membrány: většinu proteinů lidské membrány lze klasifikovat podle funkce a evolučního původu“. Biologie BMC. 7: 50. doi:10.1186/1741-7007-7-50. PMC  2739160. PMID  19678920.
  3. ^ Lin Y, Fuerst O, Granell M, Leblanc G, Lórenz-Fonfría V, Padrós E (srpen 2013). „Substituce Arg149 Cys fixuje transportér melibiózy v dovnitř otevřené konformaci“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - biomembrány. 1828 (8): 1690–9. doi:10.1016 / j.bbemem.2013.03.003. PMID  23500619 - prostřednictvím Elsevier Science Direct.otevřený přístup
  4. ^ von Heijne G. (Prosinec 2006). "Topologie membránového proteinu". Recenze přírody. Molekulární buněčná biologie. 7 (12): 909–18. doi:10.1038 / nrm2063. PMID  17139331.
  5. ^ Gerald Karp (2009). Buněčná a molekulární biologie: koncepty a experimenty. John Wiley and Sons. str. 128–. ISBN  978-0-470-48337-4. Citováno 13. listopadu 2010 - prostřednictvím Knih Google.
  6. ^ Selkrig J, Leyton DL, Webb CT, Lithgow T (srpen 2014). „Shromažďování proteinů β-barelu do vnějších bakteriálních membrán“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - výzkum molekulárních buněk. 1843 (8): 1542–50. doi:10.1016 / j.bbamcr.2013.10.009. PMID  24135059 - prostřednictvím Elsevier Science Direct.
  7. ^ Baker JA, Wong WC, Eisenhaber B, Warwicker J, Eisenhaber F (červenec 2017). „Znovu navštívené nabité zbytky u transmembránových oblastí:„ Pravidlo Positive-Inside “je doplněno„ Negativním pravidlem vyčerpání / vnějšku"". Biologie BMC. 15 (1): 66. doi:10.1186 / s12915-017-0404-4. PMC  5525207. PMID  28738801.otevřený přístup
  8. ^ Sun C, Benlekbir S, Venkatakrishnan P, Wang Y, Hong S, Hosler J, Tajkhorshid E, Rubinstein JL, Gennis RB (květen 2018). "Struktura alternativního komplexu III v superkomplexu s cytochromoxidázou". Příroda. 557 (7703): 123–126. doi:10.1038 / s41586-018-0061-r. PMC  6004266. PMID  29695868.
  9. ^ Andreeva A, Howorth D, Chothia C, Kulesha E, Murzin AG (leden 2014). „Prototyp SCOP2: nový přístup k těžbě proteinové struktury“. Výzkum nukleových kyselin. 42 (Problém s databází): D310-4. doi:10.1093 / nar / gkt1242. PMC  3964979. PMID  24293656.
  10. ^ Liszewski K (1. října 2015). „Disekující struktura membránových proteinů“. Novinky z genetického inženýrství a biotechnologie (papír). 35 (17): 1, 14, 16–17. doi:10.1089 / gen.35.17.02.
  11. ^ Krogh A, Larsson B, von Heijne G., Sonnhammer EL (leden 2001). „Predikce transmembránové proteinové topologie se skrytým Markovovým modelem: aplikace k dokončení genomů“ (PDF). Journal of Molecular Biology. 305 (3): 567–80. doi:10.1006 / jmbi.2000.4315. PMID  11152613 - prostřednictvím Semantic Scholar.otevřený přístup
  12. ^ Daley DO, Rapp M, Granseth E, Melén K, Drew D, von Heijne G (květen 2005). „Globální topologická analýza proteomu vnitřní membrány Escherichia coli“ (PDF). Věda (Zpráva). 308 (5726): 1321–3. Bibcode:2005Sci ... 308.1321D. doi:10.1126 / science.1109730. PMID  15919996 - prostřednictvím Semantic Scholar.otevřený přístup
  13. ^ A b C d E F Martin, Joseph; Sawyer, Abigail (2019). „Elucidace struktury membránových proteinů“. Tech News. Biotechniky (Problém s tiskem). Budoucí věda. 66 (4): 167–170. doi:10.2144 / btn-2019-0030. PMID  30987442.otevřený přístup
  14. ^ Carpenter EP, Beis K, Cameron AD, Iwata S (říjen 2008). „Překonávání výzev krystalografie membránových proteinů“. Aktuální názor na strukturní biologii. 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 (leden 2001). „Predikce transmembránové proteinové topologie se skrytým Markovovým modelem: aplikace k dokončení genomů“ (PDF). Journal of Molecular Biology. 305 (3): 567–80. doi:10.1006 / jmbi.2000.4315. PMID  11152613 - prostřednictvím Semantic Scholar.otevřený přístup
  16. ^ Rawlings AE (červen 2016). „Membránové proteiny: vždy neřešitelný problém?“. Transakce biochemické společnosti. 44 (3): 790–5. doi:10.1042 / BST20160025. PMC  4900757. PMID  27284043.
  17. ^ Hochuli E, Bannwarth W, Döbeli H, Gentz ​​R, Stüber D (listopad 1988). „Genetický přístup k usnadnění čištění rekombinantních proteinů novým adsorbentem chelátu kovů“. Přírodní biotechnologie. 6 (11): 1321–1325. doi:10.1038 / nbt1188-1321.
  18. ^ Locatelli-Hoops SC, Gorshkova I, Gawrisch K, Yeliseev AA (říjen 2013). „Exprese, povrchová imobilizace a charakterizace funkčního rekombinantního kanabinoidního receptoru CB2“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bílkoviny a proteomika. 1834 (10): 2045–56. doi:10.1016 / j.bbapap.2013.06.003. PMC  3779079. PMID  23777860.
  19. ^ Cook BL, Steuerwald D, Kaiser L, Graveland-Bikker J, Vanberghem M, Berke AP, Herlihy K, Pick H, Vogel H, Zhang S (červenec 2009). "Produkce ve velkém měřítku a studium syntetického receptoru spřaženého s G proteinem: lidský čichový receptor 17-4". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 106 (29): 11925–30. Bibcode:2009PNAS..10611925C. doi:10.1073 / pnas.0811089106. PMC  2715541. PMID  19581598.

externí odkazy

Organizace

Membránové proteinové databáze