Transmembranprotein - Transmembrane protein
Et transmembranprotein ( TP ) er en type integrert membranprotein som strekker seg over hele cellemembranen . Mange transmembrane proteiner fungerer som gateways for å tillate transport av spesifikke stoffer over membranen. De gjennomgår ofte betydelige konformasjonsendringer for å flytte et stoff gjennom membranen. De er vanligvis sterkt hydrofobe og tilsluttes og faller ut i vann. De krever vaskemidler eller upolare løsningsmidler for ekstraksjon, selv om noen av dem ( beta-fat ) også kan ekstraheres ved hjelp av denatureringsmidler .
Den peptidsekvensen som strekker seg over membranen, eller det transmembransegmentet , er stort sett hydrofobe, og kan visualiseres ved hjelp av hydropathy plottet . Avhengig av antall transmembransegmenter kan transmembranproteiner klassifiseres som enkeltspent (eller bitopisk ) eller flerspennet (polytopisk). Noen andre integrerte membranproteiner kalles monotopiske , noe som betyr at de også er permanent festet til membranen, men ikke passerer gjennom den.
Typer
Klassifisering etter struktur
Det er to grunnleggende typer transmembranproteiner: alfa-spiralformede og beta-fat . Alfa-spiralformede proteiner er tilstede i de indre membranene i bakterieceller eller plasmamembranen til eukaryote celler, og noen ganger i den ytre bakteriemembranen . Dette er hovedkategorien av transmembrane proteiner. Hos mennesker har 27% av alle proteiner blitt estimert til å være alfa-spiralformede membranproteiner. Betatønne proteiner finnes så langt bare i ytre membraner av gramnegative bakterier , cellevegger til grampositive bakterier , ytre membraner i mitokondrier og kloroplaster , eller kan skilles ut som poredannende toksiner . Alle beta-fat-transmembranproteiner har den enkleste opp-og-ned-topologien, noe som kan gjenspeile deres felles evolusjonære opprinnelse og lignende foldemekanisme.
I tillegg til proteindomenene er det uvanlige transmembrane elementer dannet av peptider. Et typisk eksempel er gramicidin A , et peptid som danner en dimer transmembran β-helix. Dette peptidet skilles ut av grampositive bakterier som et antibiotikum . En transmembran polyprolin-II helix er ikke rapportert i naturlige proteiner. Ikke desto mindre ble denne strukturen eksperimentelt observert i spesialdesignede kunstige peptider.
Klassifisering etter topologi
Denne klassifiseringen refererer til posisjonen til proteinet N- og C-termini på de forskjellige sidene av lipidbilaget . Type I, II, III og IV er enkeltpass-molekyler . Type I transmembranproteiner er forankret til lipidmembranen med en stopp-overføringsankersekvens og har deres N-terminale domener rettet mot det endoplasmatiske retikulum (ER) lumen under syntese (og det ekstracellulære rommet, hvis modne former befinner seg på cellemembraner ) . Type II og III er forankret med en signalanker-sekvens, med type II som er målrettet mot ER-lumen med sitt C-terminale domene, mens type III har sine N-terminale domener målrettet mot ER-lumen. Type IV er delt inn i IV-A, med deres N-terminale domener rettet mot cytosol og IV-B, med et N-terminalt domene målrettet mot lumen. Implikasjonene for divisjonen i de fire typene er spesielt tydelige på tidspunktet for translokasjon og ER-bundet oversettelse, når proteinet må passeres gjennom ER-membranen i en retning avhengig av typen.
3D -struktur
Membranproteinstrukturer kan bestemmes ved røntgenkrystallografi , elektronmikroskopi eller NMR-spektroskopi . De vanligste tertiære strukturene til disse proteinene er transmembrane helixbunt og beta fat . Den delen av membranproteinene som er festet til lipiddobbeltlaget (se ringformet lipidskall ) består hovedsakelig av hydrofobe aminosyrer.
Membranproteiner som har hydrofobe overflater, er relativt fleksible og uttrykkes ved relativt lave nivåer. Dette skaper vanskeligheter med å skaffe nok proteiner og deretter vokse krystaller. Til tross for membranproteiners betydelige funksjonelle betydning er det derfor vanskeligere å bestemme atomoppløsningsstrukturer for disse proteinene enn kuleproteiner. Fra januar 2013 var mindre enn 0,1% av proteinstrukturene bestemt membranproteiner til tross for at de var 20–30% av det totale proteomet. På grunn av denne vanskeligheten og viktigheten av denne klassen av proteiner metoder for forutsigelse av proteinstruktur basert på hydropati -tomter, har den positive innsiden og andre metoder blitt utviklet.
Termodynamisk stabilitet og folding
Stabilitet av alfa-spiralformede transmembrane proteiner
Transmembrane alfa-spiralformede (α-spiralformede) proteiner er uvanlig stabile ut fra termiske denatureringsstudier , fordi de ikke bretter seg helt ut i membranene (den komplette utfoldelsen vil kreve nedbryting av for mange α-spiralformede H-bindinger i upolare medier). På den annen side misfoldes disse proteinene lett , på grunn av ikke-nativ aggregering i membraner, overgang til de smeltede kuleformene , dannelse av ikke-native disulfidbindinger eller utfoldelse av perifere regioner og uregelmessige sløyfer som er lokalt mindre stabile.
Det er også viktig å definere den utfoldede tilstanden riktig . Den utfoldede tilstanden til membranproteiner i vaskemiddel -miceller er forskjellig fra tilstanden i termiske denatureringsforsøkene . Denne tilstanden representerer en kombinasjon av brettede hydrofobe a-helixer og delvis utfoldede segmenter som dekkes av vaskemiddelet. For eksempel har det "utfoldede" bakteriorhodopsinet i SDS- miceller fire transmembrane α-helixer brettet, mens resten av proteinet ligger ved micelle-vann-grensesnittet og kan adoptere forskjellige typer ikke-native amfifile strukturer. Frie energiforskjeller mellom slike vaskemiddel-denaturerte og opprinnelige tilstander ligner stabiliteten til vannløselige proteiner (<10 kcal/mol).
Folding av α-spiralformede transmembrane proteiner
Refolding av α-spiralformede transmembranproteiner in vitro er teknisk vanskelig. Det er relativt få eksempler på vellykkede refoldingseksperimenter, som for bacteriorhodopsin . In vivo brettes alle slike proteiner normalt co-translasjonelt i den store transmembrane translokonen . Translokon-kanalen gir et svært heterogent miljø for de begynnende transmembrane α-helixene. En relativt polær amfifil α-helix kan adoptere en transmembranorientering i translokonen (selv om den ville være på membranoverflaten eller brettes ut in vitro ), fordi dens polare rester kan vende mot den sentrale vannfylte kanalen til translokonet. En slik mekanisme er nødvendig for inkorporering av polare a-helixer i strukturer av transmembrane proteiner. De amfifile spiralene forblir festet til translokonen til proteinet er fullstendig syntetisert og brettet. Hvis proteinet forblir utbrettet og festet til translokonen for lenge, blir det nedbrutt av spesifikke "kvalitetskontroll" -cellulære systemer.
Stabilitet og folding av beta-fat transmembrane proteiner
Stabilitet av beta-fat (β-fat) transmembrane proteiner ligner stabiliteten til vannløselige proteiner, basert på kjemiske denatureringsstudier. Noen av dem er veldig stabile selv i kaotrope midler og høy temperatur. Deres folding in vivo lettes av vannløselige chaperoner , for eksempel protein Skp. Det antas at β-fat-membranproteiner kommer fra en forfader og til og med har et annet antall ark som kan legges til eller dobles under evolusjonen. Noen studier viser en enorm sekvensbevaring blant forskjellige organismer og også bevarte aminosyrer som holder strukturen og hjelper til med bretting.
3D -strukturer
Lette absorpsjonsdrevne transportører
- Bacteriorhodopsin -lignende proteiner inkludert rhodopsin (se også opsin )
- Bakterielle fotosyntetiske reaksjonssentre og fotosystemer I og II
- Komplekser med lett høsting fra bakterier og kloroplaster
Oksidoreduksjonsdrevne transportører
- Transmembran cytokrom b -lignende proteiner: koenzym Q - cytokrom c reduktase (cytokrom bc1); cytokrom b6f -kompleks ; formiat dehydrogenase, respiratorisk nitratreduktase ; suksinat - koenzym Q -reduktase (fumaratreduktase); og succinat dehydrogenase . Se elektrontransportkjede .
- Cytokrom c -oksidaser fra bakterier og mitokondrier
Elektrokjemiske potensialdrevne transportører
- Proton eller natrium-translokerende F-type og V-type ATPaser
PP-bindingshydrolysedrevne transportører
- P-type kalsium ATPase (fem forskjellige konformasjoner)
- Kalsium ATPase regulatorer phospholamban og sarcolipin
- ABC -transportører
- General secretory pathway (Sec) translokon (preprotein translocase SecY)
Portører (unportører, symportere, antiporterere)
- Mitokondriale bærerproteiner
- Major Facilitator Superfamily (Glycerol-3-phosphate transporter, Lactose permease , and Multidrug transporter EmrD)
- Resistens-nodulation-celledeling (multidrug effluks transporter AcrB, se multidrug resistance )
- Dikarboksylat/aminosyre: kation symporter (proton glutamat symporter)
- Monovalent kation/proton antiporter (Sodium/proton antiporter 1 NhaA)
- Neurotransmitter natrium symporter
- Ammoniak transportører
- Drug/Metabolite Transporter (liten multiresistent transportør EmrE - strukturene trekkes tilbake som feilaktige)
Alfa-spiralformede kanaler inkludert ionekanaler
- Spenningsstyrt ionekanal , inkludert kaliumkanaler KcsA og KvAP, og innadrettet likeretter kaliumionkanal Kirbac
- Stor konduktans mekanosensitiv kanal, MscL
- Mekanosensitiv ionkanal med liten ledning (MscS)
- CorA metalliontransportører
- Ligand-gated ion kanal av nevrotransmitter reseptorer ( acetylkolin reseptor )
- Aquaporins
- Kloridkanaler
- Yttermembran hjelpeproteiner (polysakkaridtransportør) - α -spiralformede transmembranproteiner fra den ytre bakteriemembranen
Enzymer
- Metanmonooksygenase
- Romboid protease
- Disulfidbindingsdannelsesprotein (DsbA-DsbB-kompleks)
Proteiner med alfa-spiralformede transmembranankre
- T -celle reseptor transmembrane dimeriseringsdomene]
- Cytochrome c nitrit reductase complex
- Steryl-sulfat sulfohydrolase
- Stannin
- Glykoforin En dimer
- Inovirus ( filamentøs fag ) hovedstrøkprotein
- Pilin
- Pulmonal surfaktant -assosiert protein
- Monoaminoksidaser A og B
- Fettsyreamidhydrolase
- Cytokrom P450 oksidaser
- Kortikosteroid 11β-dehydrogenaser .
- Signalpeptidpeptidase
- Membranprotease spesifikk for en stomatinhomolog
Betatønner består av en enkelt polypeptidkjede
- Betatønner fra åtte beta-tråder og med "skjærnummer" på ti ( n = 8, S = 10 ). De inkluderer:
- OmpA-lignende transmembrane domene (OmpA)
- Virulensrelatert ytre membranproteinfamilie (OmpX)
- Ytre membranprotein W -familie (OmpW)
- Antimikrobiell peptidresistens og lipid A -acyleringsproteinfamilie (PagP)
- Lipid A deacylase PagL
- Opacity familie porins (NspA)
- Autotransporter domene ( n = 12, S = 14 )
- FadL ytre membranproteintransportfamilie , inkludert fettsyretransportør FadL ( n = 14, S = 14 )
- Generell bakteriell porinfamilie , kjent som trimeriske poriner ( n = 16, S = 20 )
- Maltoporin eller sukkerporiner ( n = 18, S = 22 )
- Nukleosidspesifikk porin ( n = 12, S = 16 )
- Ytre membran fosfolipase A1 ( n = 12, S = 16 )
- TonB-avhengige reseptorer og deres plug-domene . De er ligandgaterte ytre membrankanaler ( n = 22, S = 24 ), inkludert kobalamintransportør BtuB, Fe (III) -pyochelinreseptor FptA, reseptor FepA, ferrik hydroksamatopptaksreseptor FhuA, transportør FecA og pyoverdinreseptor FpvA
- Yttermembranprotein OPCA familie ( n = 10, S = 12 ) som innbefatter ytre membran protease OmpT og adhesin / invasin OPCA protein
- Ytre membranprotein G porin familie ( n = 14, S = 16 )
Merk: n og S er henholdsvis antall beta-tråder og "skjærnummer" til beta-fatet
Betatønner består av flere polypeptidkjeder
- Trimerisk autotransportør ( n = 12, S = 12 )
- Ytre membranutstrømningsproteiner , også kjent som trimeriske ytre membranfaktorer (n = 12, S = 18) inkludert TolC- og multiresistensproteiner
- MspA porin (oktamer, n = S = 16 ) og α-hemolysin (heptamer n = S = 14 ). Disse proteinene skilles ut.