Порин (белок)

Группа транспортных белков

Сахарозоспецифичный порин из Salmonella typhimurium , грамотрицательной бактерии . PDB : 1A0S

Порины — это бета-бочки , которые пересекают клеточную мембрану и действуют как поры, через которые могут диффундировать молекулы . ^[1] В отличие от других мембранных транспортных белков , порины достаточно велики, чтобы обеспечить пассивную диффузию , т. е. действуют как каналы , специфичные для различных типов молекул. Они присутствуют во внешней мембране грамотрицательных бактерий и некоторых грамположительных микобактерий ( актиномицетов , содержащих миколовую кислоту ), внешней мембране митохондрий и внешней мембране хлоропласта (внешняя мембрана пластиды).

Структура

Порины состоят из бета-слоев (β-слоев), образованных бета-тяжами ( β-тяжами), которые связаны между собой бета-поворотами (β-поворотами) на цитоплазматической стороне и длинными петлями аминокислот на другой. β-тяжи лежат антипараллельно и образуют цилиндрическую трубку, называемую бета-бочкой (β-бочкой). ^[2] Аминокислотный состав β-тяжей порина уникален тем, что полярные и неполярные остатки чередуются вдоль них. Это означает, что неполярные остатки обращены наружу, чтобы взаимодействовать с неполярными липидами внешней мембраны , тогда как полярные остатки обращены внутрь в центр бета-бочки, чтобы создать водный канал. Конкретные аминокислоты в канале определяют специфичность порина к различным молекулам.

β-бочонки, из которых состоит порин, состоят из всего лишь восьми β-нитей и максимум двадцати двух β-нитей. Отдельные нити соединены вместе петлями и поворотами. ^[3] Большинство поринов являются мономерами ; однако были обнаружены некоторые димерные порины, а также октамерный порин. ^[4] В зависимости от размера порина внутренняя часть белка может быть заполнена водой, иметь до двух β-нитей, сложенных обратно внутрь, или содержать сегмент «стопор», состоящий из β-нитей.

Все порины образуют гомотримеры во внешней мембране, что означает, что три идентичные субъединицы порина объединяются вместе, образуя суперструктуру порина с тремя каналами. ^[5] Водородные связи и диполь-дипольные взаимодействия между каждым мономером в гомотримере гарантируют, что они не диссоциируют и остаются вместе во внешней мембране.

Для описания структуры порина использовались несколько параметров. Они включают угол наклона (α), число сдвига (S), число нитей (n) и радиус ствола (R). ^[6] Угол наклона относится к углу относительно мембраны. Число сдвига (S) — это число аминокислотных остатков, обнаруженных в каждой β-нити. Число нитей (n) — это количество β-нитей в порине, а радиус ствола (R) относится к радиусу отверстия порина. Эти параметры связаны следующими формулами:

${\displaystyle 2\pi R={\frac {nb}{2\cos(\alpha )}}}$

и,

${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {Sa}{nb}}}$

Используя эти формулы, можно определить структуру порина, зная лишь несколько доступных параметров. Хотя структура многих поринов была определена с помощью рентгеновской кристаллографии , альтернативный метод секвенирования первичной структуры белка также может быть использован вместо этого.

Клеточные роли

Порины — это заполненные водой поры и каналы, обнаруженные в мембранах бактерий и эукариот. Порин-подобные каналы также были обнаружены у архей. ^[7] Обратите внимание, что термин « нуклеопорин » относится к неродственным белкам, которые облегчают транспорт через ядерные поры в ядерной оболочке .

Порины в первую очередь участвуют в пассивной транспортировке гидрофильных молекул различных размеров и зарядов через мембрану. ^[8] Для выживания в клетки должны транспортироваться определенные необходимые питательные вещества и субстраты. Аналогичным образом, токсины и отходы должны транспортироваться наружу, чтобы избежать токсического накопления. ^[9] Кроме того, порины могут регулировать проницаемость и предотвращать лизис, ограничивая проникновение детергентов в клетку. ^[8]

Существуют два типа поринов для транспортировки различных материалов – общие и селективные. Общие порины не имеют субстратной специфичности, хотя некоторые демонстрируют небольшие предпочтения к анионам или катионам. ^[8] Селективные порины меньше общих поринов и имеют специфичность к химическим видам. Эта специфичность определяется пороговыми размерами поринов и аминокислотными остатками, выстилающими их. ^[5]

У грамотрицательных бактерий внутренняя мембрана является основным барьером проницаемости. ^[10] Внешняя мембрана более проницаема для гидрофильных веществ из-за наличия поринов. ^[5] Порины имеют пороговые размеры переносимых молекул, которые зависят от типа бактерий и порина. Как правило, только вещества размером менее 600 дальтон могут диффундировать через нее. ^[8]

Разнообразие

Порины были впервые обнаружены у грамотрицательных бактерий, но были обнаружены грамположительные бактерии с обоими типами поринов. ^[9] Они демонстрируют схожие транспортные функции, но имеют более ограниченное разнообразие поринов по сравнению с распределением, обнаруженным у грамотрицательных бактерий. ^[9] У грамположительных бактерий отсутствуют внешние мембраны, поэтому эти пориновые каналы вместо этого связаны со специфическими липидами внутри клеточных стенок . ^[7]

Порины также обнаружены у эукариот, в частности, во внешних мембранах митохондрий и хлоропластов . ^{[9] [10]} Органеллы содержат общие порины, которые структурно и функционально похожи на бактериальные. Эти сходства поддерживают эндосимбиотическую теорию , согласно которой эукариотические органеллы произошли от грамотрицательных бактерий. ^[10] Однако эукариотические порины демонстрируют такое же ограниченное разнообразие, как и грамположительные порины, а также демонстрируют большую потенциал-зависимую роль в метаболизме. ^{[9] [10]}

Археи также содержат ионные каналы, которые произошли от общих поринов. ^[7] Каналы находятся в клеточной оболочке и способствуют переносу растворенных веществ. Они имеют схожие характеристики с бактериальными и митохондриальными поринами, что указывает на физиологическое перекрытие во всех трех доменах жизни. ^[7]

Устойчивость к антибиотикам

Многие порины являются мишенями для иммунных клеток хозяина , что приводит к сигнальным путям , которые приводят к бактериальной деградации. Терапевтические методы лечения, такие как вакцинация и антибиотики , используются для дополнения этого иммунного ответа . ^[5] Были разработаны специальные антибиотики, которые проходят через порины, чтобы ингибировать клеточные процессы. ^[8]

Однако из-за селективного давления бактерии могут развить резистентность через мутации в гене порина. ^[5] Мутации могут привести к потере поринов, в результате чего антибиотики будут иметь более низкую проницаемость или будут полностью исключены из транспорта. Эти изменения способствовали глобальному появлению резистентности к антибиотикам и увеличению смертности от инфекций . ^[5]

Открытие

Открытие поринов приписывают Хироши Никайдо, прозванному «поринологом». ^[11]

Классификация

Согласно TCDB , существует пять эволюционно независимых суперсемейств поринов. Суперсемейство поринов I включает 47 семейств поринов с различным количеством трансмембранных β-нитей (β-TMS). К ним относятся семейства поринов GBP, SP и RPP. В то время как PSF I включает 47 семейств, PSF II-V каждый содержит только 2 семейства. В то время как PSF I происходит от грамотрицательных бактерий, в первую очередь от одного семейства эукариотических митохондриальных поринов, порины PSF II и V происходят от Actinomycetota . PSF III и V происходят от эукариотических органелл. ^{[12] [13]}

Суперсемейство поринов I

1.B.1 - Семейство поринов общего бактериального происхождения
1.B.2 - Семейство поринов хламидий (CP)
1.B.3 - Семейство поринов сахара (SP)
1.B.4 - Семейство поринов бруцелл и ризобий (BRP)
1.B.5 - Семейство поринов Pseudomonas OprP (POP)
1.B.6 - Семейство поринов OmpA-OmpF (OOP)
1.B.7 Семейство поринов Rhodobacter PorCa (RPP)
1.B.8 Семейство митохондриальных и пластидных поринов (MPP)
1.B.9 Семейство белков наружной мембраны FadL (FadL)
1.B.10 Семейство нуклеозид-специфических каналообразующих поринов наружной мембраны (Tsx)
1.B.11 Семейство фимбриальных поринов наружной мембраны (FUP)
1.B.12 Семейство аутотранспортеров-1 (AT-1)
1.B.13 Семейство поринов, экспортирующих альгинат (AEP)
1.B.14 Семейство рецепторов наружной мембраны (OMR)
1.B.15 Семейство поринов раффинозы (RafY)
1.B.16 Семейство поринов с короткой цепью амида и мочевины (SAP)
1.B.17 Семейство факторов наружной мембраны (OMF)
1.B.18 Семейство вспомогательных белков наружной мембраны (OMA)
1.B.19 Семейство селективных к глюкозе поринов OprB (OprB)
1.B.20 Семейство двухпартнерной секреции (TPS)
1.B.21 Семейство поринов OmpG (OmpG)
1.B.22 Семейство секретинов наружной бактериальной мембраны (секретинов)
1.B.23 Семейство поринов цианобактерий (CBP)
1.B.24 Порин микобактерий
1.B.25 Семейство поринов наружной мембраны (Opr)
1.B.26 Семейство циклодекстриновых поринов (CDP)
1.B.31 Семейство поринов наружной мембраны Campylobacter jejuni major (MomP)
1.B.32 Семейство поринов наружной мембраны фузобактерий (FomP)
1.B.33 Семейство поринов вставки белка наружной мембраны (комплекс Bam) (OmpIP)
1.B.34 ​​Порины коринебактерий
1.B.35 Семейство олигогалактуронат-специфических поринов (KdgM)
1.B.39 Семейство бактериальных поринов, OmpW (OmpW)
1.B.42 - Семейство поринов экспорта липополисахарида наружной мембраны (LPS-EP)
1.B.43 - Семейство поринов P1 коксиелл (CPP1)
1.B.44 - Вероятный транслокационный белок Семейство поринов Porphyromonas gingivalis
(PorT) 1.B.49 - Семейство поринов Anaplasma P44 (A-P44)
1.B.54 - Семейство интимин /инвазин (Int/Inv) или аутотранспортер-3 1.B.55 - Семейство
полиацетилглюкозаминпоринов (PgaA)
1.B.57 - Семейство белков внешней мембраны легионеллы (LM-OMP)
1.B.60 - Семейство поринов Omp50 (Omp50 Porin)
1.B.61 - Семейство дельта-протеобактериальных поринов (дельта-поринов)
1.B.62 - Семейство предполагаемых бактериальных поринов (PBP)
1.B.66 - Семейство предполагаемых бета-бочкообразных поринов-2 (BBP2)
1.B.67 - Семейство предполагаемых бета-бочкообразных поринов-4 (BBP4)
1.B.68 - Суперсемейство предполагаемых бета-бочкообразных поринов-5 (BBP5)
1.B.70 - Семейство внешних мембранных каналов (OMC)
1.B.71 - Семейство протеобактериальных/веррукомикробных поринов (PVP)
1.B.72 - Семейство протохламидийных внешних мембранных поринов (PomS/T)
1.B.73 - Семейство биогенеза/сборки капсулы (CBA)
1.B.78 - Семейство поринов, ассоциированных с электронным транспортом (ETPorin) DUF3374

Суперсемейство поринов II (суперсемейство MspA)

1.B.24 - Микобактериальный порин
1.B.58 - Семейство нокардиальных гетероолигомерных каналов клеточной стенки (NfpA/B)

Суперсемейство поринов III

1.B.28 - Семейство поринов внешней оболочки пластиды 24 кДа (OEP24)
1.B.47 - Семейство поринов внешней оболочки пластиды 37 кДа (OEP37)

Суперсемейство поринов IV (суперсемейство Tim17/OEP16/PxMPL (TOP))

Это суперсемейство включает белки, которые образуют поры в многокомпонентных белковых транслоказах следующим образом: 3.A.8 - [Tim17 (P39515) Tim22 (Q12328) Tim23 (P32897)]; 1.B.69 - [PXMP4 (Q9Y6I8) PMP24 (A2R8R0)]; 3.D.9 - [компонент NDH 21,3 кДа (P25710)]

1.B.30 - Семейство поринов наружной оболочки пластиды 16 кДа (OEP16)
1.B.69 - Семейство поринов пероксисомальной мембраны 4 (PxMP4)
3.A.8 - Семейство транслоказы митохондриального белка (MPT)

Суперсемейство поринов V (суперсемейство коринебактериальных PorA/PorH)

1.B.34 ​​- Семейство коринебактериальных поринов A (PorA) 1.B.59 - Семейство наружных мембранных поринов PorH (PorH)

Смотрите также

• Потенциал-зависимый анионный канал
• Аквапорин

Ссылки

1. Porins в Национальной медицинской библиотеке США Медицинские предметные рубрики (MeSH)
2. Ширмер Т. (1998). «Общие и специфические порины из внешних мембран бактерий». Журнал структурной биологии . 121 (2): 101–9. doi :10.1006/jsbi.1997.3946. PMID  9615433.
3. Tamm LK, Hong H, Liang B (ноябрь 2004 г.). «Сворачивание и сборка мембранных белков бета-бочонка». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1666 (1–2): 250–63. doi : 10.1016/j.bbamem.2004.06.011 . PMID  15519319.
4. Faller M, Niederweis M, Schulz GE (февраль 2004 г.). «Структура микобактериального наружно-мембранного канала». Science . 303 (5661): 1189–92. Bibcode :2004Sci...303.1189F. doi :10.1126/science.1094114. PMID  14976314. S2CID  30437731.
5. Galdiero S, Falanga A, Cantisani M, Tarallo R, Della Pepa ME, D'Oriano V, Galdiero M (декабрь 2012 г.). «Взаимодействие микробов и хозяина: структура и роль поринов грамотрицательных бактерий». Current Protein & Peptide Science . 13 (8): 843–54. doi :10.2174/138920312804871120. PMC 3706956 . PMID  23305369. 
6. Schulz GE (2004). "Глава 2: Структуры общих поринов". В Benz R (ред.). Бактериальные и эукариотические порины: структура, функция, механизм . Weinheim: Wiley-VCH. стр. 26–29. ISBN 978-3-527-30775-3.
7. Беснард М, Мартинак Б, Гази А (январь 1997 г.). «Зависимые от напряжения пориноподобные ионные каналы у археи Haloferax volcanii». Журнал биологической химии . 272 (2): 992–5. дои : 10.1074/jbc.272.2.992 . ПМИД  8995393.
8. Новикова ОД, Соловьева ТФ (2009). "Неспецифические порины наружной мембраны грамотрицательных бактерий: структура и функции". Биологические мембраны . 3 (1): 3–15. doi :10.1134/S1990747809010024. S2CID  34974997.
9. Yen MR, Peabody CR, Partovi SM, Zhai Y, Tseng YH, Saier MH (май 2002). "Белки, транслоцирующие порины внешней мембраны грамотрицательных бактерий". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1562 (1–2): 6–31. doi :10.1016/s0005-2736(02)00359-0. PMID  11988218.
10. Benz R (1989). "Порины из митохондриальных и бактериальных наружных мембран: структурные и функциональные аспекты". В Azzi A, Nałęz KA, Nałęcz MJ, Wojtczak L (ред.). Анионные переносчики митохондриальных мембран . Берлин, Гейдельберг: Springer. стр. 199–214. doi :10.1007/978-3-642-74539-3_16. ISBN 978-3-642-74541-6.
11. Клебба ЧП (декабрь 2005 г.). «Поринолог». Журнал бактериологии . 187 (24): 8232–6. дои : 10.1128/JB.187.24.8232-8236.2005. ПМК 1317029 . ПМИД  16321927. 
12. Нидервайс М (сентябрь 2003 г.). «Микобактериальные порины — новые канальные белки в уникальных внешних мембранах». Молекулярная микробиология . 49 (5): 1167–77. doi : 10.1046/j.1365-2958.2003.03662.x . PMID  12940978. S2CID  24683050.
13. Rath P, Saurel O, Tropis M, Daffé M, Demange P, Milon A (ноябрь 2013 г.). "ЯМР-локализация O-миколоилирования на PorH, каналообразующем пептиде из Corynebacterium glutamicum". FEBS Letters . 587 (22): 3687–91. doi : 10.1016/j.febslet.2013.09.032 . PMID  24100136.