Transmembránový protein - Transmembrane protein
A transmembránový protein (TP) je typ integrální membránový protein která pokrývá celou oblast buněčná membrána. Mnoho transmembránových proteinů funguje jako brány umožňující přepravu specifických látek přes membránu. Často procházejí významnými konformační změny pohybovat látkou přes membránu. Obvykle jsou vysoce hydrofobní a agregovat a vysrážet ve vodě. Vyžadují čistící prostředky nebo nepolární rozpouštědla pro extrakci, i když některá z nich (beta-sudy ) lze také extrahovat pomocí denaturační činidla.
The peptidová sekvence který překlenuje membránu nebo transmembránový segment, je do značné míry hydrofobní a lze jej vizualizovat pomocí hydropatie spiknutí.[1] V závislosti na počtu transmembránových segmentů lze transmembránové proteiny klasifikovat jako single-span (nebo bitopický ) nebo vícepolové (polytopické). Některé další integrální membránové proteiny se nazývají monotopický, což znamená, že jsou také trvale připojeny k membráně, ale neprocházejí.[2]
Typy
Klasifikace podle struktury
Existují dva základní typy transmembránových proteinů:[3] alfa-šroubovice a beta-sudy. Alfa-helikální proteiny jsou přítomny ve vnitřních membránách bakteriálních buněk nebo v plazmatické membráně eukaryot a někdy v vnější membrány.[4] Toto je hlavní kategorie transmembránových proteinů. U lidí bylo 27% všech proteinů odhadováno na alfa-helikální membránové proteiny.[5]Beta-barel proteiny se zatím nacházejí pouze ve vnějších membránách gramnegativní bakterie, buněčné stěny z grampozitivní bakterie, vnější membrány z mitochondrie a chloroplasty, nebo mohou být vylučovány jako toxiny tvořící póry. Všechny transmembránové proteiny beta-barelu mají nejjednodušší topologii nahoru a dolů, což může odrážet jejich společný evoluční původ a podobný skládací mechanismus.
Kromě proteinových domén existují neobvyklé transmembránové prvky tvořené peptidy. Typickým příkladem je Gramicidin A, peptid, který tvoří dimerní transmembránovou β-šroubovici.[6] Tento peptid je vylučován Grampozitivní bakterie jako antibiotikum. Transmembrána spirála polyprolin-II v přírodních bílkovinách nebyl popsán. Tato struktura byla nicméně experimentálně pozorována u speciálně navržených umělých peptidů.[7]
Klasifikace podle topologie
Tato klasifikace odkazuje na poloha proteinových N- a C-konců na různých stranách z lipidová dvojvrstva. Typy I, II, III a IV jsou jednoprůchodové molekuly. Transmembránové proteiny typu I jsou ukotveny k lipidové membráně pomocí kotvící sekvence stop-transfer a mají své N-koncové domény zaměřené na endoplazmatické retikulum (ER) lumen během syntézy (a extracelulárního prostoru, pokud jsou umístěny zralé formy buněčné membrány ). Typ II a III jsou ukotveny sekvenci signál-kotva, přičemž typ II je zaměřen na lumen ER s jeho C-koncovou doménou, zatímco typ III má své N-koncové domény cílené na lumen ER. Typ IV se dělí na IV-A s N-koncovými doménami cílenými na cytosol a IV-B s N-koncovými doménami cílenými na lumen.[8] Důsledky pro rozdělení u těchto čtyř typů se projevují zejména v době translokace a translace vázané na ER, kdy musí protein procházet membránou ER ve směru závislém na typu.
3D struktura
Membránový protein struktury lze určit pomocí Rentgenová krystalografie, elektronová mikroskopie nebo NMR spektroskopie.[10] Nejčastější terciární struktury z těchto proteinů jsou transmembránové svazek šroubovice a beta barel. Část membránových proteinů, které jsou připojeny k lipidové dvojvrstvě (viz prstencová lipidová skořápka ) sestávají většinou z hydrofobních aminokyselin.[11]
Membránové proteiny, které mají hydrofobní povrchy, jsou relativně flexibilní a jsou exprimovány v relativně nízkých úrovních. To vytváří potíže při získávání dostatku bílkovin a následném pěstování krystalů. Navzdory značnému funkčnímu významu membránových proteinů je tedy stanovení struktur atomového štěpení pro tyto proteiny obtížnější než globulárních proteinů.[12] V lednu 2013 bylo stanoveno méně než 0,1% proteinových struktur membránovými proteiny, přestože tvořily 20–30% celkového proteomu.[13] Kvůli této obtížnosti a důležitosti této třídy proteinů byly vyvinuty metody predikce proteinové struktury založené na grafech hydropatie, pozitivní vnitřní pravidlo a další metody.[14][15][16]
Termodynamická stabilita a skládání
Stabilita α-helikálních transmembránových proteinů
Transmembránová α-šroubovice proteiny jsou neobvykle stabilní, soudě podle termálních denaturace studie, protože se uvnitř membrán nerozvíjejí úplně (úplné rozvinutí by vyžadovalo rozbití příliš mnoha α-šroubovic H-vazby v nepolárních médiích). Na druhou stranu tyto proteiny snadno špatně poskládat, v důsledku nepřirozené agregace v membránách, přechod na roztavená globule státy, vznik nepůvodních disulfidové vazby nebo rozvinutí okrajových oblastí a nepravidelných smyček, které jsou lokálně méně stabilní.[Citace je zapotřebí ]
Je také důležité správně definovat rozložený stav. The rozložený stav membránových proteinů v čisticí prostředek micely se liší od termálních denaturace experimenty.[Citace je zapotřebí ] Tento stav představuje kombinaci složených hydrofobních a-šroubovic a částečně rozložených segmentů pokrytých detergentem. Například „rozvinutý“ bakteriorhodopsin v BL micely mají složené čtyři transmembránové α-šroubovice, zatímco zbytek proteinu je umístěn na rozhraní micel-voda a může přijímat různé typy nepůvodních amfifilní struktur. Rozdíly volné energie mezi takovými denaturovanými detergenty a nativními stavy jsou podobné stabilitám ve vodě rozpustných proteinů (<10 kcal / mol).[Citace je zapotřebí ]
Skládání α-helikálních transmembránových proteinů
Refolding a-helikálních transmembránových proteinů in vitro je technicky obtížné. Existuje relativně málo příkladů úspěšných experimentů s refoldingem bakteriorhodopsin. In vivo, všechny takové proteiny jsou normálně složeny kotranslačně uvnitř velké transmembrány translocon. Transloconový kanál poskytuje vysoce heterogenní prostředí pro rodící se transmembránové α-helice. Relativně polární amfifilní α-šroubovice může v translokonu zaujmout transmembránovou orientaci (i když by byla na povrchu membrány nebo by se rozložila) in vitro), protože jeho polární zbytky mohou čelit centrálnímu vodou naplněnému kanálu translokonu. Tento mechanismus je nezbytný pro začlenění polárních α-šroubovic do struktur transmembránových proteinů. Amfifilní helixy zůstávají připojeny k translokonu, dokud není protein zcela syntetizován a složen. Pokud protein zůstane rozložený a připojený k translokonu příliš dlouho, je degradován specifickými buněčnými systémy „kontroly kvality“.[Citace je zapotřebí ]
Stabilita a skládání transmembránových proteinů β-barelu
Stabilita transmembránových proteinů β-barelu je podobná stabilitě proteinů rozpustných ve vodě na základě studií chemické denaturace. Některé z nich jsou velmi stabilní i při chaotropních látkách a vysokých teplotách. Jejich skládání in vivo je usnadněno vodou rozpustným chaperony, jako je protein Skp. Předpokládá se, že membránové proteiny β-barelu pocházejí od jednoho předka, dokonce mají různé počty listů, které lze během evoluce přidat nebo zdvojnásobit. Některé studie ukazují obrovské zachování sekvence mezi různými organismy a také konzervované aminokyseliny, které drží strukturu a pomáhají při skládání.[17]
3D struktury
Transportéry poháněné absorpcí světla
- Bakteriorhodopsin podobné proteiny včetně rhodopsin (viz také opsin )
- Bakteriální fotosyntetická reakční centra a fotosystémy I a II
- Komplexy pro sběr světla z bakterie a chloroplasty
Transportéry poháněné oxidoredukcí
- Transmembránové proteiny podobné cytochromu b: koenzym Q - cytochrom c reduktáza (cytochrom bc1); komplex cytochromu b6f; mravenčan dehydrogenáza, respirační nitrátreduktáza; sukcinát - koenzym Q reduktáza (fumarátreduktáza); a sukcinát dehydrogenáza. Vidět elektronový transportní řetězec.
- Cytochrom c oxidázy z bakterie a mitochondrie
Transportéry poháněné elektrochemickým potenciálem
- Proton nebo sodík translokující F-typ a V-typ ATPázy
Transportéry poháněné hydrolýzou vazby PP
- Typ P. vápenatou ATPázu (pět různých konformací)
- Regulátory vápníkové ATPázy fosfolamban a sarkolipin
- Přepravníky ABC
- Všeobecné sekreční cesta (Sec) translocon (preproteinová translokáza SecY)
Nosiči (uniporters, symporter, antiporters)
- Mitochondriální nosné proteiny
- Hlavní nadčeleď Facilitator (transportér glycerol-3-fosfátu, laktóza permeáza a Multidrug transportér EmrD)
- Dělení odpor-nodulace-buňka (více léků výtok transportér AcrB, viz odolnost proti více lékům )
- Dikarboxylát / aminokyselina: kationový symportér (proton glutamátový symporter)
- Monovalentní kationtový / protonový antiporter (sodík / protonový antiporter 1 NhaA)
- Neurotransmiter sodíkový symporter
- Transportéry amoniaku
- Transportér léků / metabolitů (malý transportér multirezistence EmrE - struktury jsou zasunuty jako chybné)
Alfa-spirálové kanály včetně iontových kanálů
- Napěťově řízený iontový kanál jako, včetně draslíkové kanály KcsA a KvAP a dovnitř usměrňovací draselný iontový kanál Kirbac
- Kanál s vysokou vodivostí mechanicky citlivý, MscL
- Mechanicky citlivý iontový kanál s malou vodivostí (MscS)
- Transportéry kovových iontů CorA
- Ligandový iontový kanál z neurotransmiter receptory (acetylcholinový receptor )
- Aquaporiny
- Chloridové kanály
- Pomocné proteiny vnější membrány (transportér polysacharidů) - α-helikální transmembránové proteiny z vnější bakteriální membrány
Enzymy
- Methan monooxygenáza
- Kosočtverečná proteáza
- Disulfidová vazba formovací protein (komplex DsbA-DsbB)
Proteiny s alfa-šroubovicovými transmembránovými kotvami
- Receptor T buněk transmembránová dimerizační doména]
- Cytochrom c nitrit reduktáza komplex
- Steryl-sulfát sulfohydroláza
- Stannin
- Glykoforin Dimer
- Inovirus (vláknitý fág ) hlavní obalový protein
- Pilin
- Plicní povrchově aktivní látka - asociovaný protein
- Monoaminooxidázy A a B
- Amid mastné kyseliny hydroláza[18]
- Oxidázy cytochromu P450
- Kortikosteroidy 11β-dehydrogenázy .
- Signální peptid Peptidáza
- Membránová proteáza specifická pro homolog stomatinu
β-sudy složené z jediného polypeptidového řetězce
- Beta sudy z osmi beta řetězců as „smykovým číslem“ deset (n = 8, S = 10). Obsahují:
- Doména autotransportéru (n = 12, S = 14)
- Rodina transportu proteinu vnější membrány FadL, počítaje v to Mastné kyseliny transportér FadL (n = 14, S = 14)
- Obecná rodina bakteriálních porinů, známý jako trimerický poriny (n = 16, S = 20)
- Maltoporin nebo cukr poriny (n = 18, S = 22)
- Nukleosidově specifický porin (n = 12, S = 16)
- Fosfolipáza vnější membrány A1 (n = 12, S = 16)
- Receptory závislé na TonB a jejich připojit doménu. Jsou to kanály vnější membrány s ligandem (n = 22, S = 24), počítaje v to kobalamin transportér BtuB, Fe (III) -pyochelinový receptor FptA, receptor FepA, receptor pro absorpci hydroxamátu železitého FhuA, transportér FecA a pyoverdinový receptor FpvA
- Vnější membránový protein OpcA rodina (n = 10, S = 12), který zahrnuje vnější membránu proteáza OmpT a adhezinový / invazinový protein OpcA
- Vnější membránový protein G. porin rodina (n = 14, S = 16)
Poznámka: n a S jsou počet beta-řetězců a „smykové číslo“[19] z beta-barel
β-sudy složené z několika polypeptidových řetězců
- Trimerický autotransportér (n = 12, S = 12)
- Efluxní proteiny vnější membrány, známé také jako trimerní faktory vnější membrány (n = 12, S = 18), včetně proteinů TolC a multirezistence
- MspA porin (oktamer, n = S = 16) a α-hemolyzin (heptamer n = S = 14). Tyto proteiny jsou vylučovány.
Viz také
Reference
- ^ Manor, Joshua; Feldblum, Esther S .; Arkin, Isaiah T. (2012). "Polarita prostředí v proteinech mapovaných neinvazivně spektroskopií FTIR". The Journal of Physical Chemistry Letters. 3 (7): 939–944. doi:10.1021 / jz300150v. PMC 3341589. PMID 22563521.
- ^ Steven R. Goodman (2008). Lékařská buněčná biologie. Akademický tisk. str. 37–. ISBN 978-0-12-370458-0. Citováno 24. listopadu 2010.
- ^ Jin Xiong (2006). Základní bioinformatika. Cambridge University Press. str. 208–. ISBN 978-0-521-84098-9. Citováno 13. listopadu 2010.
- ^ alfa-helikální proteiny ve vnějších membránách zahrnují Stannin a jisté lipoproteiny, a další
- ^ Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (2009). „Mapování proteomu lidské membrány: většinu proteinů lidské membrány lze klasifikovat podle funkce a evolučního původu“. BMC Biol. 7: 50. doi:10.1186/1741-7007-7-50. PMC 2739160. PMID 19678920.
- ^ Nicholson, L. K .; Cross, T. A. (1989). „Kationtový kanál gramicidinu: experimentální stanovení smyslu pravoúhlé šroubovice a ověření vodíkových vazeb typu beta“. Biochemie. 28 (24): 9379–9385. doi:10.1021 / bi00450a019. PMID 2482072.
- ^ Kubyshkin, Vladimir; Grage, Stephan L .; Ulrich, Anne S .; Budisa, Nediljko (2019). „Tloušťka dvouvrstvy určuje zarovnání modelových spirálek polyprolinu v lipidových membránách“. Fyzikální chemie Chemická fyzika. 21 (40): 22396–22408. Bibcode:2019PCCP ... 2122396K. doi:10.1039 / c9cp02996f. PMID 31577299.
- ^ Harvey Lodish atd .; Molekulární buněčná biologie, Šesté vydání, str. 546
- ^ Goder, Veit; Spiess, Martin (31. srpna 2001). "Topogeneze membránových proteinů: determinanty a dynamika". FEBS Dopisy. 504 (3): 87–93. doi:10.1016 / S0014-5793 (01) 02712-0. PMID 11532438.
- ^ Cross, Timothy A .; Sharma, Mukesh; Yi, Myunggi; Zhou, Huan-Xiang (2011). „Vliv solubilizujícího prostředí na struktury membránových proteinů“. Trendy v biochemických vědách. 36 (2): 117–125. doi:10.1016 / j.tibs.2010.07.005. PMC 3161620. PMID 20724162.
- ^ White, Stephen. "Obecný princip skládání a stability membránových proteinů". Domovská stránka laboratoře Stephena Whitea. 10. listopadu 2009. web.[je nutné ověření ]
- ^ Carpenter, Elisabeth P; Beis, Konstantinos; Cameron, Alexander D; Iwata, So (říjen 2008). „Překonávání výzev krystalografie membránových proteinů“. Aktuální názor na strukturní biologii. 18 (5): 581–586. doi:10.1016 / j.sbi.2008.07.001. PMC 2580798. PMID 18674618.
- ^ Membránové proteiny známé 3D struktury
- ^ Elofsson, Arne; Heijne, Gunnar von (7. června 2007). "Membránová proteinová struktura: Predikce versus realita". Roční přehled biochemie. 76 (1): 125–140. CiteSeerX 10.1.1.332.4023. doi:10,1146 / annurev.biochem.76.052705.163539. PMID 17579561.
- ^ Chen, Chien Peter; Rost, Burkhard (2002). "Nejmodernější v predikci membránových proteinů". Aplikovaná bioinformatika. 1 (1): 21–35. CiteSeerX 10.1.1.134.7424. PMID 15130854.
- ^ Hopf, Thomas A .; Colwell, Lucy J .; Sheridan, Robert; Rost, Burkhard; Sander, Chris; Marks, Debora S. (červen 2012). „Trojrozměrné struktury membránových proteinů z genomového sekvenování“. Buňka. 149 (7): 1607–1621. doi:10.1016 / j.cell.2012.04.012. PMC 3641781. PMID 22579045.
- ^ Michalik, Marcin; Orwick-Rydmark, Marcella; Habeck, Michael; Alva, Vikram; Arnold, Thomas; Linke, Dirk; Permyakov, Eugene A. (3. srpna 2017). „Evolučně konzervovaný glycin-tyrosinový motiv tvoří skládací jádro v proteinech vnější membrány“. PLOS ONE. 12 (8): e0182016. Bibcode:2017PLoSO..1282016M. doi:10.1371 / journal.pone.0182016. PMC 5542473. PMID 28771529.
- ^ Bracey MH, Hanson MA, Masuda KR, Stevens RC, Cravatt BF (listopad 2002). „Strukturální adaptace v membránovém enzymu, který ukončuje endokanabinoidní signalizaci“. Věda. 298 (5599): 1793–6. Bibcode:2002Sci ... 298.1793B. doi:10.1126 / science.1076535. PMID 12459591. S2CID 22656813.
- ^ Murzin AG, Lesk AM, Chothia C (březen 1994). "Principy určující strukturu beta-listových sudů v proteinech. I. Teoretická analýza". J. Mol. Biol. 236 (5): 1369–81. doi:10.1016/0022-2836(94)90064-7. PMID 8126726.