Perifert membranprotein - Peripheral membrane protein

Perifere membranproteiner er membranproteiner som bare midlertidig fester seg til den biologiske membranen de er knyttet til. Disse proteinene fester seg til integrerte membranproteiner , eller penetrerer de perifere områdene i lipidbilaget . De regulatoriske proteinunderenhetene til mange ionekanaler og transmembranreseptorer kan for eksempel defineres som perifere membranproteiner. I motsetning til integrerte membranproteiner har perifere membranproteiner en tendens til å samle seg i den vannløselige komponenten, eller fraksjonen, av alle proteinene som ekstraheres under en proteinrensingsprosedyre . Proteiner med GPI -ankre er et unntak fra denne regelen og kan ha rensegenskaper som ligner på integrerte membranproteiner.

Den reversible festingen av proteiner til biologiske membraner har vist å regulere cellesignalering og mange andre viktige cellulære hendelser, gjennom en rekke mekanismer. For eksempel, den nære forbindelsen mellom mange enzymer kan og biologiske membraner bringe dem i tett nærhet med deres lipid -substrat (er). Membranbinding kan også fremme omorganisering, dissosiasjon eller konformasjonsendringer innen mange proteinstrukturelle domener, noe som resulterer i en aktivering av deres biologiske aktivitet . I tillegg er posisjoneringen av mange proteiner lokalisert til enten de indre eller ytre overflater eller brosjyrer på deres residente membran. Dette letter monteringen av multiproteinkomplekser ved å øke sannsynligheten for passende protein-protein-interaksjoner .

Skjematisk fremstilling av de forskjellige typer interaksjoner mellom monotopiske membranproteiner og cellemembranen : 1. interaksjon med en amfipatisk α-helix parallelt med membranplanet (membranhelix i planet) 2. interaksjon med en hydrofob sløyfe 3. interaksjon med en kovalent bundet membranlipid ( lipidering ) 4. elektrostatiske eller ioniske interaksjoner med membranlipider ( f.eks. gjennom et kalsiumion)

Binder seg til lipidbilaget

PH -domenet til fosfolipase C delta 1. Midtplanet for lipidbilaget - svarte prikker. Grensen for hydrokarbonkjerneområdet - blå prikker (intracellulær side). Lag med lipidfosfater - gule prikker.

Perifere membranproteiner kan samhandle med andre proteiner eller direkte med lipidbilaget . I sistnevnte tilfelle er de da kjent som amfitropiske proteiner. Noen proteiner, for eksempel G-proteiner og visse proteinkinaser , samhandler med transmembrane proteiner og lipidbilaget samtidig. Noen polypeptid- hormoner , antimikrobielle peptider , og nevrotoksiner akkumuleres ved membranoverflaten før lokalisering og samspill med sine celleoverflate-reseptor mål, som selv kan være perifere membranproteiner.

Den fosfolipidbilag som danner celleoverflatemembranen består av en hydrofob indre kjerneområde mellom to regioner av hydrofilisitet , en på den indre overflate og en på den ytre overflaten av cellemembranen (se lipid bilaget artikkel for en mer detaljert strukturell beskrivelse av cellemembranen). De indre og ytre overflater, eller grenseflate-områder, av modell fosfolipid bisjikt har vist seg å ha en tykkelse på omkring 8 til 10 Å , selv om dette kan være bredere i biologiske membraner som inneholder store mengder av gangliosider eller lipopolysakkarider . Det hydrofobe indre kjerneområdet til typiske biologiske membraner kan ha en tykkelse på rundt 27 til 32 Å, estimert ved liten vinkel røntgenstråling (SAXS) . Grenseområdet mellom den hydrofobe indre kjernen og de hydrofile grenseflateregionene er veldig smal, rundt 3 Å, (se artikkel om lipider i to lag for en beskrivelse av komponentens kjemiske grupper). Vil bevege seg utover bort fra det hydrofobe kjerneområdet og inn i den hydrofile grenseflateområdet, vil den effektive konsentrasjonen av vann hurtig endres over dette grensesjikt, fra nesten null til en konsentrasjon på omkring 2 M . Fosfatgruppene i fosfolipid -dobbeltlag er fullstendig hydrert eller mettet med vann og ligger rundt 5 Å utenfor grensen til det hydrofobe kjerneområdet.

Noen vannløselige proteiner assosieres med lipidbilag irreversibelt og kan danne transmembrane alfa-spiralformede eller beta-fat kanaler. Slike transformasjoner skjer i poredannende toksiner som kolicin A, alfa-hemolysin og andre. De kan også forekomme i BcL-2-lignende protein , i noen amfifile antimikrobielle peptider og i visse anneksiner . Disse proteinene blir vanligvis beskrevet som perifere ettersom en av deres konformasjonelle tilstander er vannløselig eller bare løst forbundet med en membran.

Membranbindingsmekanismer

Bee gift fosfolipase A2 (1poc). Mellomplanet til lipidbilaget - svarte prikker. Grensen for hydrokarbonkjerneområdet - røde prikker (ekstracellulær side). Lag med lipidfosfater - gule prikker.

Foreningen av et protein med et lipiddobbelt lag kan innebære betydelige endringer i tertiær struktur av et protein. Disse kan omfatte bretting av områder av proteinstrukturen som tidligere ble brettet ut eller en ny ordning i foldingen eller en omfolding av den membranassosierte delen av proteinene. Det kan også innebære dannelse eller dissosiasjon av proteinkvaternære strukturer eller oligomere komplekser , og spesifikk binding av ioner , ligander eller regulatoriske lipider .

Typiske amfitropiske proteiner må samhandle sterkt med lipiddobbeltlaget for å utføre sine biologiske funksjoner. Disse inkluderer enzymatisk behandling av lipider og andre hydrofobe stoffer, membranforankring og binding og overføring av små upolare forbindelser mellom forskjellige cellemembraner. Disse proteinene kan forankres til dobbeltlaget som et resultat av hydrofobe interaksjoner mellom dobbeltlaget og eksponerte upolare rester på overflaten av et protein, ved spesifikke ikke-kovalente bindingsinteraksjoner med regulatoriske lipider, eller gjennom deres tilknytning til kovalent bundne lipidankre .

Det er vist at membranbindingsaffinitetene til mange perifere proteiner avhenger av den spesifikke lipidsammensetningen til membranen som de er assosiert med.

Ikke-spesifikk hydrofob forening

Amfitropiske proteiner forbinder lipid -dobbeltlag via forskjellige hydrofobe ankerstrukturer. Slik som amfifile a-spiraler , synlige polare sløyfer, post-translasjonelt acylert eller lipidert aminosyrerester, eller acylkjeder med de spesifikt binder regulatoriske lipider så som fosfatidylinositol- fosfater . Hydrofobe interaksjoner har vist seg å være viktige selv for svært kationiske peptider og proteiner, for eksempel det polybasiske domenet til MARCKS -proteinet eller histaktofilin, når deres naturlige hydrofobe ankre er tilstede.

Kovalent bundne lipidankre

Lipid forankrede proteiner er kovalent bundet til forskjellige fettsyre acyl- kjeder på den cytoplasmatiske side av cellemembranen via palmitoylation , myristoylering , eller prenylering . På den eksoplasmiske siden av cellemembranen er lipidforankrede proteiner kovalent festet til lipidene glykosylfosfatidylinositol (GPI) og kolesterol . Proteinforening med membraner ved bruk av acylerte rester er en reversibel prosess , ettersom acylkjeden kan begraves i et proteins hydrofobe bindingslomme etter dissosiasjon fra membranen. Denne prosessen skjer i beta-underenhetene til G-proteiner . Kanskje på grunn av dette ekstra behovet for strukturell fleksibilitet, er lipidankre vanligvis bundet til de svært fleksible segmentene av proteiner tertiær struktur som ikke er godt løst ved proteinkrystallografiske studier .

Spesifikk protein -lipidbinding

P40phox PX -domenet til NADPH oksidase Midtplanet i lipidbilaget - svarte prikker. Grensen for hydrokarbonkjerneområdet - blå prikker (intracellulær side). Lag med lipidfosfater - gule prikker.

Noen cytosoliske proteiner rekrutteres til forskjellige cellemembraner ved å gjenkjenne visse typer lipider som finnes i en gitt membran. Binding av et protein til et spesifikt lipid skjer via spesifikke membranmålrettede strukturelle domener som forekommer i proteinet og har spesifikke bindingslommer for lipidhodegruppene til lipidene som de binder seg til. Dette er en typisk biokjemisk protein -ligand -interaksjon , og stabiliseres ved dannelse av intermolekylære hydrogenbindinger , van der Waals -interaksjoner og hydrofobe interaksjoner mellom protein og lipidligand . Slike komplekser stabiliseres også ved dannelse av ioniske broer mellom aspartat- eller glutamatrestene av proteinet og lipidfosfater via mellomliggende kalsiumioner (Ca ²⁺ ). Slike ioniske broer kan oppstå og er stabile når ioner (for eksempel Ca ²⁺ ) allerede er bundet til et protein i oppløsning, før lipidbinding. Dannelsen av ioniske broer sees i protein -lipid -interaksjonen mellom både proteiner av C2 -type og anneksiner .

Elektrostatiske interaksjoner mellom proteiner og lipider

Ethvert positivt ladet protein vil bli tiltrukket av en negativt ladet membran ved uspesifikke elektrostatiske interaksjoner. Imidlertid er ikke alle perifere peptider og proteiner kationiske, og bare visse sider av membranen er negativt ladet. Disse inkluderer den cytoplasmatiske siden av plasmamembraner , den ytre brosjyren til ytre bakteriemembraner og mitokondriemembraner . Derfor spiller elektrostatiske interaksjoner en viktig rolle i membranmålretting av elektronbærere som cytokrom c , kationiske toksiner som charybdotoxin og spesifikke membranmålrettede domener som noen PH-domener , C1-domener og C2-domener .

Elektrostatiske interaksjoner er sterkt avhengig av løsningens ionestyrke . Disse interaksjonene er relativt svake ved den fysiologiske ionestyrken ( 0,14 M NaCl ): ~ 3 til 4 kcal/mol for små kationiske proteiner, for eksempel cytokrom c , charybdotoxin eller hisactophilin .

Romlig posisjon i membranen

Orienteringer og inntrengningsdybder i mange amphitropic proteiner og peptider i membraner blir studert ved bruk av setedirigert sentrifuge merking , kjemisk merking, måling av membran bindingsaffinitetene til protein mutanter , fluorescens- spektroskopi, oppløsning eller en faststoff NMR-spektroskopi , ATR FTIR spektroskopi , X- stråle- eller nøytrondiffraksjon og beregningsmetoder.

To distinkte membranassosieringsmåter for proteiner er identifisert. Typiske vannløselige proteiner har ingen eksponerte upolare rester eller andre hydrofobe ankre. Derfor forblir de helt i vandig løsning og trenger ikke inn i lipiddobbeltlaget, noe som ville være energisk dyrt. Slike proteiner samhandler med bilag bare elektrostatisk, for eksempel interagerer ribonuklease og poly-lysin med membraner i denne modusen. Imidlertid har typiske amfitropiske proteiner forskjellige hydrofobe ankre som trenger inn i grensesnittområdet og når hydrokarbonets indre av membranen. Slike proteiner "deformerer" lipiddobbeltlaget og reduserer temperaturen for lipidvæske-gelovergang. Bindingen er vanligvis en sterkt eksoterm reaksjon. Forening av amfifile α-helixer med membraner skjer på samme måte. Egens ustrukturerte eller utfoldede peptider med upolare rester eller lipidankre kan også trenge gjennom membranens grenseflate og nå hydrokarbonkjernen, spesielt når slike peptider er kationiske og samhandler med negativt ladede membraner.

Kategorier

Enzymer

Perifere enzymer deltar i metabolismen av forskjellige membrankomponenter, for eksempel lipider ( fosfolipaser og kolesterol oksidase ), cellevegg oligosakkarider ( glykosyltransferase og transglycosidases ), eller proteiner ( signal peptidase og palmitoyl-protein thioesterases ). Lipaser kan også fordøye lipider som danner miceller eller upolare dråper i vann.

Membranmålrettede domener (“lipidklemmer”)

C1-domenet til PKC-delta (1ptr) Midtplanet i lipidbilaget-svarte prikker. Grensen for hydrokarbonkjerneområdet - blå prikker (cytoplasmatisk side). Lag med lipidfosfater - gule prikker.

Membranmålrettede domener assosierer spesielt med hodegrupper av lipidligandene som er innebygd i membranen. Disse lipidligandene er tilstede i forskjellige konsentrasjoner i forskjellige typer biologiske membraner (for eksempel kan PtdIns3P hovedsakelig finnes i membraner fra tidlige endosomer , PtdIns (3,5) P2 i sene endosomer og PtdIns4P i Golgi ). Derfor er hvert domene målrettet mot en bestemt membran.

• C1 -domener [1] binder diacylglyserol- og phorbol -estere .
• C2 -domener [2] binder fosfatidylserin , fosfatidylkolin eller PtdIns (3,4) P2 eller PtdIns (4,5) P2 .
• Pleckstrin -homologidomener [3] , PX -domener [4] og Tubby -domener [5] binder forskjellige fosfoinositider
• FYVE -domener [6] er mer spesifikke for PtdIns3P.
• ENTH -domener [7] binder PtdIns (3,4) P2 eller PtdIns (4,5) P2 .
• ANTH -domenet [8] binder PtdIns (4,5) P2.
• Proteiner fra ERM (ezrin/radixin/moesin) familie [9] binder PtdIns (4,5) P2.
• Andre fosfoinositidbindende proteiner inkluderer fosfotyrosinbindende domene [10] og visse PDZ -domener . De binder PtdIns (4,5) P2.
• Discoidin domener av blod koagulasjon faktorer [11]
• Enth , VHS og Anth domener [12]

Strukturelle domener

Strukturelle domener formidler tilknytning av andre proteiner til membraner. Deres binding til membraner kan formidles av kalsiumioner (Ca ²⁺ ) som danner broer mellom de sure proteinrester og fosfatgrupper av lipider, som i anneksiner eller GLA -domener.

Transportører av små hydrofobe molekyler

Disse perifere proteiner fungerer som bærere av ikke-polare forbindelser mellom forskjellige typer cellemembraner eller mellom membraner og cytosoliske proteinkomplekser. De transporterte stoffene er fosfatidylinositol, tokoferol, gangliosider, glykolipider, sterolderivater, retinol, fettsyrer, vann, makromolekyler, røde blodlegemer, fosfolipider og nukleotider.

• Glykolipidoverføringsproteiner
• Lipokaliner inkludert retinolbindende proteiner og fettsyrebindende proteiner
• Polyisoprenoid-bindende protein, for eksempel YceI-proteindomene
• Ganglioside GM2 -aktivatorproteiner
• CRAL-TRIO-domene (α- Tokoferol og fosfatidylinositol sek14p overføringsproteiner)
• Sterolbærerproteiner
• Fosfatidylinositol -overføringsproteiner og STAR -domener
• Oksysterolbindende protein

Elektronbærere

Disse proteinene er involvert i elektrontransportkjeder . De inkluderer cytokrom c , cupredoksiner , høyt potensielt jernprotein, adrenodoksinreduktase, noen flavoproteiner og andre.

Polypeptidhormoner, toksiner og antimikrobielle peptider

Mange hormoner, toksiner , hemmere eller antimikrobielle peptider interagerer spesielt med transmembrane proteinkomplekser . De kan også samle seg på lipid -to -lags overflaten, før de binder proteinmålene sine. Slike polypeptidligander er ofte positivt ladet og interagerer elektrostatisk med anioniske membraner.

Noen vannløselige proteiner og peptider kan også danne transmembrankanaler . De gjennomgår vanligvis oligomerisering , betydelige konformasjonsendringer og assosierer seg med membraner irreversibelt. 3D-strukturen til en slik transmembrankanal, α-hemolysin , er bestemt. I andre tilfeller representerer den eksperimentelle strukturen en vannløselig konformasjon som interagerer med lipiddobbeltlaget perifert, selv om noen av de kanaldannende peptidene er ganske hydrofobe og derfor ble studert ved NMR-spektroskopi i organiske løsningsmidler eller i nærvær av miceller .

Se også

• Antimikrobielle peptider
• Lipoproteiner
• Membranproteiner
• Transmembrane proteiner

Referanser

Generelle referanser

Eksterne linker

• Perifere membranproteiner i OPM -databasen
• DOLOP Genomikk -orientert database over bakterielle lipoproteiner
• Peptaibol database
• Antimikrobiell peptiddatabase Arkivert 2011-07-20 på Wayback Machine