Трансмембранный белок — это тип интегрального мембранного белка , который охватывает всю клеточную мембрану . Многие трансмембранные белки функционируют как шлюзы, позволяющие транспортировать определенные вещества через мембрану. Они часто претерпевают значительные конформационные изменения , чтобы переместить вещество через мембрану. Они обычно высокогидрофобны и агрегируют и осаждаются в воде. Для экстракции им требуются детергенты или неполярные растворители, хотя некоторые из них ( бета-бочки ) также могут быть экстрагированы с использованием денатурирующих агентов .
Пептидная последовательность , которая охватывает мембрану, или трансмембранный сегмент , в значительной степени гидрофобна и может быть визуализирована с помощью графика гидропатии . [1] В зависимости от количества трансмембранных сегментов трансмембранные белки можно классифицировать как однопроходные мембранные белки или как многопроходные мембранные белки. [2] Некоторые другие интегральные мембранные белки называются монотопными , что означает, что они также постоянно прикреплены к мембране, но не проходят через нее. [3]
Существует два основных типа трансмембранных белков: [4] альфа-спиральные и бета-бочонки . Альфа-спиральные белки присутствуют во внутренних мембранах бактериальных клеток или плазматической мембране эукариотических клеток, а иногда и во внешней мембране бактерий . [5] Это основная категория трансмембранных белков. У людей, по оценкам, 27% всех белков являются альфа-спиральными мембранными белками. [6] Бета-бочкообразные белки до сих пор обнаружены только во внешних мембранах грамотрицательных бактерий , клеточных стенках грамположительных бактерий , внешних мембранах митохондрий и хлоропластов или могут секретироваться как порообразующие токсины . Все бета-бочкообразные трансмембранные белки имеют простейшую топологию «вверх-вниз», что может отражать их общее эволюционное происхождение и схожий механизм сворачивания. [ требуется ссылка ]
В дополнение к белковым доменам существуют необычные трансмембранные элементы, образованные пептидами. Типичным примером является грамицидин А , пептид, который образует димерную трансмембранную β-спираль. [7] Этот пептид секретируется грамположительными бактериями как антибиотик . Трансмембранная полипролиновая-II спираль не была описана в природных белках. Тем не менее, эта структура была экспериментально обнаружена в специально разработанных искусственных пептидах. [8]
Эта классификация относится к положению N- и C-концов белка на разных сторонах липидного бислоя . Типы I, II, III и IV являются однопроходными молекулами . Трансмембранные белки типа I прикреплены к липидной мембране с помощью стоп-трансферной якорной последовательности и имеют свои N-концевые домены, нацеленные на просвет эндоплазматического ретикулума (ЭР) во время синтеза (и внеклеточное пространство, если зрелые формы расположены на клеточных мембранах ). Типы II и III прикреплены с помощью сигнально-якорной последовательности, причем тип II нацелен на просвет ЭР с помощью своего C-концевого домена, в то время как тип III имеет свои N-концевые домены, нацеленные на просвет ЭР. Тип IV подразделяется на IV-A, с их N-концевыми доменами, нацеленными на цитозоль, и IV-B, с N-концевым доменом, нацеленным на просвет. [9] Последствия деления на четыре типа особенно очевидны во время транслокации и трансляции, связанной с ЭР, когда белок должен пройти через мембрану ЭР в направлении, зависящем от типа. [ необходима цитата ]
Структуры мембранных белков можно определить с помощью рентгеновской кристаллографии , электронной микроскопии или ЯМР-спектроскопии . [11] Наиболее распространенными третичными структурами этих белков являются трансмембранный спиральный пучок и бета-бочка . Часть мембранных белков, прикрепленная к липидному бислою (см. кольцевую липидную оболочку ), состоит в основном из гидрофобных аминокислот. [12]
Мембранные белки, которые имеют гидрофобные поверхности, относительно гибкие и экспрессируются на относительно низких уровнях. Это создает трудности в получении достаточного количества белка и последующем выращивании кристаллов. Следовательно, несмотря на значительную функциональную важность мембранных белков, определение структур атомного разрешения для этих белков сложнее, чем для глобулярных белков. [13] По состоянию на январь 2013 года менее 0,1% определенных структур белков были мембранными белками, несмотря на то, что они составляли 20–30% от общего протеома. [14] В связи с этой сложностью и важностью этого класса белков были разработаны методы прогнозирования структуры белка на основе графиков гидропатии, положительного внутреннего правила и других методов. [15] [16] [17]
Трансмембранные альфа-спиральные (α-спиральные) белки необычайно стабильны, судя по исследованиям термической денатурации , поскольку они не полностью разворачиваются внутри мембран (полное разворачивание потребовало бы разрыва слишком большого количества α-спиральных водородных связей в неполярной среде). С другой стороны, эти белки легко неправильно сворачиваются из-за ненативной агрегации в мембранах, перехода в состояния расплавленной глобулы , образования ненативных дисульфидных связей или разворачивания периферических областей и нерегулярных петель, которые локально менее стабильны. [ необходима цитата ]
Также важно правильно определить развернутое состояние . Развернутое состояние мембранных белков в мицеллах детергента отличается от состояния в экспериментах по термической денатурации . [ требуется ссылка ] Это состояние представляет собой комбинацию свернутых гидрофобных α-спиралей и частично развернутых сегментов, покрытых детергентом . Например, «развернутый» бактериородопсин в мицеллах SDS имеет четыре трансмембранных α-спирали, свернутых, в то время как остальная часть белка расположена на границе мицелла-вода и может принимать различные типы ненативных амфифильных структур. Различия в свободной энергии между такими детергентно-денатурированными и нативными состояниями аналогичны стабильности водорастворимых белков (< 10 ккал/моль). [ требуется ссылка ]
Рефолдинг α-спиральных трансмембранных белков in vitro технически сложен. Существует относительно немного примеров успешных экспериментов по рефолдингу, как для бактериородопсина . In vivo все такие белки обычно сворачиваются котрансляционно внутри большого трансмембранного транслокона . Канал транслокона обеспечивает высокогетерогенную среду для зарождающихся трансмембранных α-спиралей. Относительно полярная амфифильная α-спираль может принимать трансмембранную ориентацию в транслоконе (хотя она будет находиться на поверхности мембраны или развернута in vitro ), поскольку ее полярные остатки могут быть обращены к центральному заполненному водой каналу транслокона. Такой механизм необходим для включения полярных α-спиралей в структуры трансмембранных белков. Амфифильные спирали остаются прикрепленными к транслокону до тех пор, пока белок не будет полностью синтезирован и свернут. Если белок остается развернутым и прикрепленным к транслокону слишком долго, он разрушается специфическими клеточными системами «контроля качества». [ необходима цитата ]
Стабильность трансмембранных белков бета-бочки (β-бочки) похожа на стабильность водорастворимых белков, основанную на исследованиях химической денатурации. Некоторые из них очень стабильны даже в хаотропных агентах и при высокой температуре. Их сворачивание in vivo облегчается водорастворимыми шаперонами , такими как белок Skp. Считается, что мембранные белки β-бочки происходят от одного предка, даже имея разное количество листов, которые могли быть добавлены или удвоены в ходе эволюции. Некоторые исследования показывают огромную консервацию последовательностей среди разных организмов, а также консервативные аминокислоты, которые удерживают структуру и помогают в сворачивании. [18]
Примечание: n и S — это, соответственно, число бета-нитей и «число сдвига» [20] бета -бочонка.