Мембранный белок
Мембранные белки — это обычные белки , которые являются частью биологических мембран или взаимодействуют с ними . Мембранные белки делятся на несколько широких категорий в зависимости от их местоположения. Интегральные мембранные белки являются постоянной частью клеточной мембраны и могут либо проникать через мембрану ( трансмембранные ), либо связываться с одной или другой стороной мембраны ( интегральные монотопные ). Белки периферической мембраны временно связаны с клеточной мембраной.
Мембранные белки широко распространены и важны с медицинской точки зрения: около трети всех белков человека являются мембранными белками, и они являются мишенью для более половины всех лекарств. [1] Тем не менее, по сравнению с другими классами белков, определение мембранных белковых структур остается сложной задачей, во многом из-за сложности создания экспериментальных условий, которые могут сохранить правильную ( нативную ) конформацию белка в изоляции от его нативной среды.
Функция
[ редактировать ]Мембранные белки выполняют множество функций, жизненно важных для выживания организмов: [2]
- Белки мембранных рецепторов средой клетки передают сигналы между внутренней и внешней .
- Транспортные белки перемещают молекулы и ионы через мембрану. Их можно классифицировать в соответствии с базой данных классификации транспортеров .
- Мембранные ферменты могут иметь множество активностей, например оксидоредуктазу , трансферазу или гидролазу . [3]
- Молекулы клеточной адгезии позволяют клеткам идентифицировать друг друга и взаимодействовать. Например, белки, участвующие в иммунном ответе.
Локализацию белков в мембранах можно надежно предсказать с помощью анализа гидрофобности белковых последовательностей, т.е. локализации гидрофобных аминокислотных последовательностей.
Интегральные мембранные белки
[ редактировать ]
Мембрана представлена светло-коричневым цветом.
Интегральные мембранные белки постоянно прикреплены к мембране. Такие белки можно отделить от биологических мембран только с помощью детергентов , неполярных растворителей или иногда денатурирующих агентов. [ нужна ссылка ] Их можно классифицировать в зависимости от их связи с бислоем :
- Интегральные политопные белки — это трансмембранные белки, которые пересекают мембрану более одного раза. Эти белки могут иметь различную трансмембранную топологию . [4] [5] Эти белки имеют одну из двух структурных архитектур:
- Белки спиралевидного пучка , присутствующие во всех типах биологических мембран ;
- Бета-бочковые белки, которые встречаются только во внешних мембранах грамотрицательных бактерий , а также во внешних мембранах митохондрий и хлоропластов . [6]
- Битопные белки — это трансмембранные белки, которые пересекают мембрану только один раз. Трансмембранные спирали этих белков существенно отличаются по распределению аминокислот от трансмембранных спиралей политопных белков. [7]
- Интегральные монотопные белки — это интегральные мембранные белки, которые прикреплены только к одной стороне мембраны и не охватывают всю ее длину.
Белки периферической мембраны
[ редактировать ]
Белки периферической мембраны временно прикрепляются либо к липидному бислою , либо к интегральным белкам за счет сочетания гидрофобных , электростатических и других нековалентных взаимодействий. Периферические белки диссоциируют после обработки полярным реагентом, например, раствором с повышенным pH или высокой концентрацией соли. [ нужна ссылка ]
Интегральные и периферические белки могут быть посттрансляционно модифицированы добавлением жирных кислот и диацилглицерина. [8] или пренильные цепи, или GPI (гликозилфосфатидилинозитол), которые могут закрепляться в липидном бислое.
Полипептидные токсины
[ редактировать ]Полипептидные токсины и многие антибактериальные пептиды , такие как колицины или гемолизины , а также некоторые белки, участвующие в апоптозе , иногда выделяют в отдельную категорию. Эти белки водорастворимы , но могут претерпевать значительные конформационные изменения , образовывать олигомерные комплексы или необратимо связываться и необратимо с липидным бислоем .
В геномах
[ редактировать ]Мембранные белки, такие как растворимые глобулярные белки , волокнистые белки и неупорядоченные белки , являются обычными. [9] Подсчитано, что 20–30% всех генов в большинстве геномов кодируют мембранные белки. [10] [11] Например, считается, что около 1000 из примерно 4200 белков E. coli являются мембранными белками, 600 из которых, как было экспериментально подтверждено, являются мембранорезидентными. [12] Согласно современным представлениям, у человека целых 30% генома кодируют мембранные белки. [13]
В болезни
[ редактировать ]Мембранные белки являются мишенью более 50% всех современных лекарственных препаратов . [1] Среди заболеваний человека, в которых участвуют мембранные белки, — болезни сердца , болезнь Альцгеймера и муковисцидоз . [13]
Очистка мембранных белков
[ редактировать ]Хотя мембранные белки играют важную роль во всех организмах, их очистка исторически была и остается огромной проблемой для ученых-белковиков. В 2008 году было доступно 150 уникальных структур мембранных белков. [14] и к 2019 году структура только 50 мембранных белков человека была выяснена. [13] Напротив, примерно 25% всех белков являются мембранными белками. [15] Их гидрофобные поверхности затрудняют структурную и особенно функциональную характеристику. [13] [16] Моющие средства можно использовать для придания мембранным белкам водорастворимости , но они также могут изменить структуру и функцию белка. [13] Сделать мембранные белки водорастворимыми также можно достичь путем конструирования последовательности белка, замены выбранных гидрофобных аминокислот гидрофильными , уделяя особое внимание сохранению вторичной структуры и одновременно изменяя общий заряд. [13]
Аффинная хроматография является одним из лучших решений для очистки мембранных белков. Полигистидиновая метка широко используется для очистки мембранных белков. [17] альтернативный тег rho1D4 также был успешно использован. [18] [19]
См. также
[ редактировать ]- Кольцевая липидная оболочка
- Белок-носитель
- Белки внутренней ядерной мембраны
- Ионный канал
- Ионный насос (биология)
- Список кодов MeSH (D12.776)
- Рецептор (биохимия)
- TMPad (база данных по упаковке трансмембранных белков)
- Трансмембранные белки
Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Оверингтон Дж. П., Аль-Лазикани Б., Хопкинс А. Л. (декабрь 2006 г.). «Сколько существует целей по борьбе с наркотиками?». Обзоры природы. Открытие лекарств (мнение). 5 (12): 993–6. дои : 10.1038/nrd2199 . ПМИД 17139284 . S2CID 11979420 .
- ^ Альмен М.С., Нордстрем К.Дж., Фредрикссон Р., Шит Х.Б. (август 2009 г.). «Картирование протеома мембраны человека: большинство мембранных белков человека можно классифицировать по функциям и эволюционному происхождению» . БМК Биология . 7:50 . дои : 10.1186/1741-7007-7-50 . ПМК 2739160 . ПМИД 19678920 .
- ^ Лин Ю, Фюрст О, Гранелл М, Леблан Г, Лоренц-Фонфриа В, Падрос Э (август 2013 г.). «Замена Arg149 на Cys фиксирует транспортер мелибиозы в открытой внутрь конформации» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1828 (8): 1690–9. дои : 10.1016/j.bbamem.2013.03.003 . PMID 23500619 – через Elsevier Science Direct.
- ^ фон Хейне Г. (декабрь 2006 г.). «Мембранно-белковая топология». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 7 (12): 909–18. дои : 10.1038/nrm2063 . ПМИД 17139331 . S2CID 22218266 .
- ^ Джеральд Карп (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты . Джон Уайли и сыновья . стр. 128–. ISBN 978-0-470-48337-4 . Проверено 13 ноября 2010 г. - через Google Книги .
- ^ Селкриг Дж., Лейтон Д.Л., Уэбб К.Т., Литгоу Т. (август 2014 г.). «Сборка β-бочковых белков во внешние мембраны бактерий» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1843 (8): 1542–50. дои : 10.1016/j.bbamcr.2013.10.009 . PMID 24135059 – через Elsevier Science Direct .
- ^ Бейкер Дж.А., Вонг В.К., Эйзенхабер Б., Уорвикер Дж., Эйзенхабер Ф. (июль 2017 г.). «Вновь рассмотрены заряженные остатки рядом с трансмембранными областями: «правило положительного внутреннего» дополняется «правилом отрицательного внутреннего истощения/внешнего обогащения» » . БМК Биология . 15 (1): 66. дои : 10.1186/s12915-017-0404-4 . ПМК 5525207 . ПМИД 28738801 .
- ^ Сунь С., Бенлекбир С., Венкатакришнан П., Ван Й., Хонг С., Хослер Дж., Таджхоршид Э., Рубинштейн Дж.Л., Геннис Р.Б. (май 2018 г.). «Строение альтернативного комплекса III в суперкомплексе с цитохромоксидазой» . Природа . 557 (7703): 123–126. Бибкод : 2018Natur.557..123S . дои : 10.1038/s41586-018-0061-y . ПМК 6004266 . ПМИД 29695868 .
- ^ Андреева А., Ховорт Д., Чотия С., Кулеша Е., Мурзин А.Г. (январь 2014 г.). «Прототип SCOP2: новый подход к изучению структуры белка» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (Проблема с базой данных): D310-4. дои : 10.1093/нар/gkt1242 . ПМЦ 3964979 . ПМИД 24293656 .
- ^ Лишевский К. (1 октября 2015 г.). «Раскрытие структуры мембранных белков» . Новости генной инженерии и биотехнологии (бумага). 35 (17): 1, 14, 16–17. дои : 10.1089/gen.35.17.02 .
- ^ Крог А. , Ларссон Б., фон Хейне Г. , Зоннхаммер Э.Л. (январь 2001 г.). «Прогнозирование топологии трансмембранного белка с помощью скрытой модели Маркова: применение для полных геномов» (PDF) . Журнал молекулярной биологии . 305 (3): 567–80. дои : 10.1006/jmbi.2000.4315 . ПМИД 11152613 . S2CID 15769874 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 августа 2020 г. - через Semantic Scholar .
- ^ Дейли Д.О., Рапп М., Грансет Э., Мелен К., Дрю Д., фон Хейне Г. (май 2005 г.). «Анализ глобальной топологии протеома внутренней мембраны Escherichia coli». Наука (Отчет). 308 (5726): 1321–3. Бибкод : 2005Sci...308.1321D . дои : 10.1126/science.1109730 . ПМИД 15919996 . S2CID 6942424 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Мартин, Джозеф; Сойер, Эбигейл (2019). «Выяснение структуры мембранных белков» . Технические новости. Биотехники (печатный выпуск). 66 (4). Наука будущего: 167–170. дои : 10.2144/btn-2019-0030 . ПМИД 30987442 .
- ^ Карпентер Э.П., Бейс К., Кэмерон А.Д., Ивата С. (октябрь 2008 г.). «Преодоление проблем мембранной кристаллографии белков» . Современное мнение в области структурной биологии . 18 (5): 581–6. дои : 10.1016/j.sbi.2008.07.001 . ПМК 2580798 . ПМИД 18674618 .
- ^ Крог А., Ларссон Б., фон Хейне Г., Зоннхаммер Э.Л. (январь 2001 г.). «Прогнозирование топологии трансмембранного белка с помощью скрытой модели Маркова: применение для полных геномов» (PDF) . Журнал молекулярной биологии . 305 (3): 567–80. дои : 10.1006/jmbi.2000.4315 . ПМИД 11152613 . S2CID 15769874 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 августа 2020 г. - через Semantic Scholar.
- ^ Роулингс А.Е. (июнь 2016 г.). «Мембранные белки: всегда неразрешимая проблема?» . Труды Биохимического общества . 44 (3): 790–5. дои : 10.1042/BST20160025 . ПМЦ 4900757 . ПМИД 27284043 .
- ^ Хочули Э., Баннварт В., Дёбели Х., Генц Р., Штюбер Д. (ноябрь 1988 г.). «Генетический подход к облегчению очистки рекомбинантных белков с помощью нового металлхелатного адсорбента». Природная биотехнология . 6 (11): 1321–1325. дои : 10.1038/nbt1188-1321 . S2CID 9518666 .
- ^ Locatelli-Hoops SC, Горшкова И, Гавриш К, Елисеев АА (октябрь 2013 г.). «Экспрессия, поверхностная иммобилизация и характеристика функционального рекомбинантного каннабиноидного рецептора CB2» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1834 (10): 2045–56. дои : 10.1016/j.bbapap.2013.06.003 . ПМЦ 3779079 . ПМИД 23777860 .
- ^ Кук Б.Л., Стойервальд Д., Кайзер Л., Грейвленд-Биккер Дж., Ванбергем М., Берке А.П., Херлихи К., Пик Х., Фогель Х., Чжан С. (июль 2009 г.). «Крупномасштабное производство и исследование синтетического рецептора, связанного с G-белком: обонятельный рецептор человека 17-4» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (29): 11925–30. Бибкод : 2009PNAS..10611925C . дои : 10.1073/pnas.0811089106 . ПМЦ 2715541 . ПМИД 19581598 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Джонсон Дж. Э., Корнелл Р.Б. (1999). «Амфитропные белки: регуляция посредством обратимых мембранных взаимодействий (обзор)» . Молекулярная мембранная биология . 16 (3): 217–35. дои : 10.1080/096876899294544 . ПМИД 10503244 .
- Аленгат Ф.Д., Голан Д.Э. (2013). «Динамика мембранных белков и функциональные последствия в клетках млекопитающих» . Актуальные темы мембран . 72 : 89–120. дои : 10.1016/b978-0-12-417027-8.00003-9 . ISBN 9780124170278 . ПМК 4193470 . ПМИД 24210428 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
Организации
[ редактировать ]- Консорциум структурной динамики мембранных белков
- Эксперты по исследованию и очистке мембранных белков
Базы данных мембранных белков
[ редактировать ]- TCDB — база данных классификации транспортеров , комплексная классификация трансмембранных белков-переносчиков.
- База данных «Ориентации белков в мембранах» (OPM) - трехмерные структуры интегральных и периферических мембранных белков, расположенных в липидном бислое.
- Банк данных трансмембранных белков - трехмерные модели трансмембранных белков, приблизительно расположенных в липидном бислое.
- TransportDB - Геномно-ориентированная база данных транспортеров от TIGR.
- Membrane PDB. Архивировано 3 августа 2020 г. в Wayback Machine - база данных трехмерных структур интегральных мембранных белков и гидрофобных пептидов с упором на условия кристаллизации.
- База данных Mpstruc. Архивировано 25 декабря 2013 г. в Wayback Machine . Кураторский список избранных трансмембранных белков из банка данных белков.
- MemProtMD - база данных мембранных белковых структур, смоделированных с помощью крупнозернистой молекулярной динамики.
- База данных мембранома предоставляет информацию о битопных белках нескольких модельных организмов.
