Мембранный белок - Membrane protein

Кристаллическая структура Калиевый канал Kv1.2 / 2.1 Химера. Расчетные углеводородные границы липидный бислой обозначаются красными и синими линиями.

Мембранные белки общие белки которые являются частью или взаимодействуют с биологические мембраны. 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 (трансмембранная), либо связываться с одной или другой стороной мембраны (интегральная монотопная). Белки периферической мембраны временно связаны с клеточной мембраной.

Мембранные белки являются обычными и важными с медицинской точки зрения: около трети всех белков человека являются мембранными белками, и они являются мишенями для более чем половины всех лекарств.[1] Тем не менее, по сравнению с другими классами белков, мембранная белковые структуры остается проблемой в значительной степени из-за сложности создания экспериментальных условий, которые могут сохранить правильные конформация белка изолированно от своей родной среды.

Функция

Мембранные белки выполняют множество функций, жизненно важных для выживания организмов:[2]

Локализацию белков в мембранах можно надежно предсказать, используя анализ гидрофобности последовательностей белков, то есть локализацию гидрофобных аминокислотных последовательностей.

Интегральные мембранные белки

Схематическое изображение трансмембранных белков: 1. одиночная трансмембранная α-спираль (битопический мембранный белок ) 2. политопный трансмембранный α-спиральный белок 3. политопный трансмембранный β-лист белок
Мембрана представлена ​​светло-коричневым цветом.
Основные статьи: Интегральный мембранный белок и Трансмембранный белок

Интегральные мембранные белки прочно прикреплены к мембране. Такие белки можно отделить от биологических мембран только с помощью моющие средства, неполярные растворители, а иногда денатурирующий агенты. Одним из таких примеров этого типа белка, который еще не был охарактеризован функционально, является СМИМ23. Их можно классифицировать в зависимости от их отношения к бислою:

Белки периферической мембраны

Схематическое изображение различных типов взаимодействия между монотопными мембранными белками и клеточная мембрана: 1. взаимодействие амфипатическим α-спираль параллельно плоскости мембраны (плоская спираль мембраны) 2. взаимодействие за счет гидрофобной петли 3. взаимодействие за счет ковалентно связанной мембранный липид (липидизация) 4. электростатический или ионные взаимодействия с мембранными липидами (например через ион кальция)
Основная статья: Белок периферической мембраны

Белки периферической мембраны временно прикреплены либо к липидный бислой или к интегральным белкам комбинацией гидрофобный, электростатический и другие нековалентные взаимодействия. Периферические белки диссоциируют после обработки полярным реагентом, например раствором с повышенной pH или высокие концентрации соли.

Интегральные и периферические белки могут быть посттрансляционно модифицированы с добавлением жирная кислота, диацилглицерин[8] или пренил цепи, или GPI (гликозилфосфатидилинозитол), который может быть закреплен в липидном бислое.

Полипептидные токсины

Основная статья: Порообразующий токсин

Полипептидные токсины и многие другие антибактериальные пептиды, такие как колицины или гемолизины, и некоторые белки, участвующие в апоптоз, иногда считаются отдельной категорией. Эти белки водорастворимы, но могут агрегировать и связываться. необратимо с липидным бислоем и становятся обратимо или необратимо ассоциированными с мембраной.

В геномах

Мембранные белки, например растворимые глобулярные белки, волокнистые белки, и неупорядоченные белки, общие.[9] По оценкам, 20–30% всех гены в большинстве геномы кодируют мембранные белки.[10][11] Например, около 1000 из ~ 4200 белков Кишечная палочка считаются мембранными белками, 600 из которых, как было экспериментально подтверждено, являются мембранно-резидентными.[12] У людей современные представления предполагают, что полностью 30% геном кодирует мембранные белки.[13]

В болезни

Мембранные белки - это цели более 50% всех современных лекарственные препараты.[1] Среди заболеваний человека, в которые вовлечены мембранные белки, относятся: сердечное заболевание, Болезнь Альцгеймера и кистозный фиброз.[13]

Очистка мембранных белков

Хотя мембранные белки играют важную роль во всех организмах, их очистка исторически была и остается огромной проблемой для ученых, занимающихся белками. В 2008 году было доступно 150 уникальных структур мембранных белков,[14] и к 2019 году была выяснена структура только 50 мембранных белков человека.[13] Напротив, примерно 25% всех белков - это мембранные белки.[15] Их гидрофобный поверхности затрудняют определение структурных и особенно функциональных характеристик.[13][16] Моющие средства может использоваться для рендеринга мембранных белков вода, но они также могут изменять структуру и функцию белка.[13] Сделать водорастворимые белки мембран можно также путем конструирования белковой последовательности, замены выбранных гидрофобных аминокислот гидрофильными, уделяя особое внимание поддержанию вторичной структуры при одновременном изменении общего заряда.[13]

Аффинная хроматография является одним из лучших решений для очистки мембранных белков. В отличие от других белков активность мембранных белков снижается очень быстро. Таким образом, аффинная хроматография обеспечивает быструю и специфическую очистку мембранных белков. В полигистидин-тег это обычно используемый тег для очистки мембранного белка,[17] и альтернативный тег rho1D4 также успешно использовался.[18][19]

дальнейшее чтение

  • Джонсон Дж. Э., Корнелл РБ (1999). «Амфитропные белки: регуляция обратимых мембранных взаимодействий (обзор)». Молекулярная мембранная биология. 16 (3): 217–35. Дои:10.1080/096876899294544. PMID  10503244.
  • Alenghat FJ, Golan DE (2013). «Динамика мембранного белка и функциональное значение в клетках млекопитающих». Актуальные темы в мембранах. 72: 89–120. Дои:10.1016 / b978-0-12-417027-8.00003-9. ISBN  9780124170278. ЧВК  4193470. PMID  24210428.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Оверингтон Дж. П., Аль-Лазикани Б., Хопкинс А. Л. (декабрь 2006 г.). «Сколько существует мишеней для наркотиков?». Обзоры природы. Открытие наркотиков (Мнение). 5 (12): 993–6. Дои:10.1038 / nrd2199. PMID  17139284.
  2. ^ Альмен М.С., Нордстрём К.Дж., Фредрикссон Р., Шёт Н.Б. (август 2009 г.). «Картирование протеома мембраны человека: большинство белков мембраны человека можно классифицировать по функциям и эволюционному происхождению». BMC Биология. 7: 50. Дои:10.1186/1741-7007-7-50. ЧВК  2739160. PMID  19678920.
  3. ^ Лин И, Фуэрст О, Гранель М., Леблан Дж., Лоренц-Фонфрия В., Падрос Э. (август 2013 г.). «Замена Arg149 на Cys фиксирует переносчик мелибиозы в открытой внутрь конформации». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны. 1828 (8): 1690–9. Дои:10.1016 / j.bbamem.2013.03.003. PMID  23500619 - через Elsevier Science Direct.открытый доступ
  4. ^ von Heijne G (Декабрь 2006 г.). «Мембранно-белковая топология». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 7 (12): 909–18. Дои:10.1038 / nrm2063. PMID  17139331.
  5. ^ Джеральд Карп (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты. Джон Уайли и сыновья. С. 128–. ISBN  978-0-470-48337-4. Получено 13 ноября 2010 - через Google Книги.
  6. ^ Селкриг Дж., Лейтон Д.Л., Уэбб К.Т., Литгоу Т. (август 2014 г.). «Сборка β-стволовых белков в бактериальные внешние мембраны». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1843 (8): 1542–50. Дои:10.1016 / j.bbamcr.2013.10.009. PMID  24135059 - через Elsevier Science Direct.
  7. ^ Бейкер Дж. А., Вонг В. К., Айзенхабер Б., Уорвикер Дж., Айзенхабер Ф. (июль 2017 г.). «Заряженные остатки рядом с трансмембранными областями снова пересмотрены:« Правило положительного внутреннего »дополняется« правилом отрицательного внутреннего истощения / внешнего обогащения »"". BMC Биология. 15 (1): 66. Дои:10.1186 / s12915-017-0404-4. ЧВК  5525207. PMID  28738801.открытый доступ
  8. ^ Сан С., Бенлекбир С., Венкатакришнан П., Ван И, Хонг С., Хослер Дж., Тайхоршид Э., Рубинштейн Дж. Л., Геннис Р. Б. (май 2018 г.). «Структура альтернативного комплекса III в суперкомплексе с цитохромоксидазой». Природа. 557 (7703): 123–126. Дои:10.1038 / с41586-018-0061-у. ЧВК  6004266. PMID  29695868.
  9. ^ Андреева А., Ховорт Д., Чотия С., Кулеша Е., Мурзин А.Г. (январь 2014 г.). «Прототип SCOP2: новый подход к изучению структуры белков». Исследования нуклеиновых кислот. 42 (Проблема с базой данных): D310-4. Дои:10.1093 / nar / gkt1242. ЧВК  3964979. PMID  24293656.
  10. ^ Лишевский К. (1 октября 2015 г.). «Рассмотрение структуры мембранных белков». Новости генной инженерии и биотехнологии (бумага). 35 (17): 1, 14, 16–17. Дои:10.1089 / gen.35.17.02.
  11. ^ Крог А, Ларссон Б, von Heijne G, Sonnhammer EL (январь 2001 г.). «Прогнозирование топологии трансмембранного белка с помощью скрытой модели Маркова: приложение для полных геномов» (PDF). Журнал молекулярной биологии. 305 (3): 567–80. Дои:10.1006 / jmbi.2000.4315. PMID  11152613 - через Semantic Scholar.открытый доступ
  12. ^ Дейли Д.О., Рапп М., Грансет Э., Мелен К., Дрю Д., фон Хейне Г. (май 2005 г.). «Глобальный анализ топологии протеома внутренней мембраны Escherichia coli» (PDF). Наука (Отчет). 308 (5726): 1321–3. Bibcode:2005Научный ... 308.1321D. Дои:10.1126 / science.1109730. PMID  15919996 - через Semantic Scholar.открытый доступ
  13. ^ а б c d е ж Мартин, Джозеф; Сойер, Эбигейл (2019). «Выяснение структуры мембранных белков». Технические новости. Биотехнологии (Печатный выпуск). Будущее науки. 66 (4): 167–170. Дои:10.2144 / btn-2019-0030. PMID  30987442.открытый доступ
  14. ^ Карпентер Е.П., Бейс К., Камерон А.Д., Ивата С. (октябрь 2008 г.). «Преодоление проблем кристаллографии мембранных белков». Текущее мнение в структурной биологии. 18 (5): 581–6. Дои:10.1016 / j.sbi.2008.07.001. ЧВК  2580798. PMID  18674618.
  15. ^ Krogh A, Larsson B, von Heijne G, Sonnhammer EL (январь 2001 г.). «Прогнозирование топологии трансмембранного белка с помощью скрытой марковской модели: приложение для полных геномов» (PDF). Журнал молекулярной биологии. 305 (3): 567–80. Дои:10.1006 / jmbi.2000.4315. PMID  11152613 - через Semantic Scholar.открытый доступ
  16. ^ Ролингс А.Е. (июнь 2016 г.). «Мембранные белки: всегда неразрешимая проблема?». Сделки Биохимического Общества. 44 (3): 790–5. Дои:10.1042 / BST20160025. ЧВК  4900757. PMID  27284043.
  17. ^ Хохули Э., Баннварт В., Дёбели Х., Генц Р., Штюбер Д. (ноябрь 1988 г.). «Генетический подход к облегчению очистки рекомбинантных белков с новым металлохелатным адсорбентом». Природа Биотехнологии. 6 (11): 1321–1325. Дои:10.1038 / nbt1188-1321.
  18. ^ Locatelli-Hoops SC, Горшкова И., Гавриш К., Елисеев А.А. (октябрь 2013 г.). «Экспрессия, поверхностная иммобилизация и характеристика функционального рекомбинантного каннабиноидного рецептора CB2». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика. 1834 (10): 2045–56. Дои:10.1016 / j.bbapap.2013.06.003. ЧВК  3779079. PMID  23777860.
  19. ^ Кук Б.Л., Стойервальд Д., Кайзер Л., Гравеланд-Биккер Дж., Ванбергхем М., Берке А.П., Херлихи К., Пик Н., Фогель Х., Чжан С. (июль 2009 г.). «Крупномасштабное производство и исследование синтетического рецептора, связанного с G-белком: обонятельного рецептора 17-4 человека». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 106 (29): 11925–30. Bibcode:2009PNAS..10611925C. Дои:10.1073 / pnas.0811089106. ЧВК  2715541. PMID  19581598.

внешняя ссылка

Организации

Базы данных мембранных белков