Трансмембранный белок — это тип интегрального мембранного белка , который охватывает всю клеточную мембрану . Многие трансмембранные белки функционируют как ворота, обеспечивающие транспорт определенных веществ через мембрану. Они часто претерпевают значительные конформационные изменения для перемещения вещества через мембрану. Они обычно очень гидрофобны , агрегируют и осаждаются в воде. Для экстракции им требуются моющие средства или неполярные растворители, хотя некоторые из них ( бета-бочки ) можно экстрагировать и с помощью 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 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-цилиндры . 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. По оценкам, у человека 27% всех белков представляют собой альфа-спиральные мембранные белки. [6] Белки бета-бочонка до сих пор обнаруживаются только во внешних мембранах грамотрицательных бактерий , клеточных стенках грамположительных бактерий , наружных мембранах митохондрий и хлоропластов или могут секретироваться в виде порообразующих токсинов . Все трансмембранные белки с бета-цилиндрами имеют простейшую топологию «вверх-вниз», что может отражать их общее эволюционное происхождение и сходный механизм сворачивания. [ нужна цитата ]
Помимо белковых доменов существуют необычные трансмембранные элементы, образованные пептидами. Типичным примером является грамицидин А , пептид, образующий димерную трансмембранную β-спираль. [7] Этот пептид секретируется грамположительными бактериями в качестве антибиотика . Трансмембранная спираль полипролина-II в природных белках не обнаружена. Тем не менее, эта структура экспериментально наблюдалась в специально созданных искусственных пептидах. [8]
Эта классификация относится к положению N- и С-концев белка на разных сторонах липидного бислоя . Типы I, II, III и IV представляют собой однопроходные молекулы . Трансмембранные белки типа I закрепляются на липидной мембране с помощью якорной последовательности стоп-переноса и имеют свои N-концевые домены, направленные на просвет эндоплазматического ретикулума (ЭР) во время синтеза (и внеклеточное пространство, если зрелые формы расположены на клеточных мембранах ). . Типы II и III закреплены с помощью сигнально-якорной последовательности, при этом тип II нацелен на просвет ЭР с помощью своего С-концевого домена, тогда как тип III имеет свои N-концевые домены, направленные на просвет ЭР. Тип IV подразделяется на IV-A, N-концевые домены которого направлены на цитозоль, и IV-B, N-концевой домен которого направлен на просвет. [9] Последствия разделения на четыре типа особенно проявляются во время транслокации и трансляции, связанной с ER, когда белок должен пройти через мембрану ER в направлении, зависящем от типа. [ нужна цитата ]
Структуры мембранных белков можно определить с помощью рентгеновской кристаллографии , электронной микроскопии или ЯМР-спектроскопии . [11] Наиболее распространенными третичными структурами этих белков являются пучок трансмембранной спирали и бета-цилиндр . Часть мембранных белков, прикрепленная к липидному бислою (см. кольцевая липидная оболочка ), состоит в основном из гидрофобных аминокислот. [12]
Мембранные белки , имеющие гидрофобную поверхность, относительно гибки и экспрессируются на относительно низких уровнях. Это создает трудности с получением достаточного количества белка и последующим выращиванием кристаллов. Следовательно, несмотря на значительную функциональную значимость 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 белковых структур составляли мембранные белки, несмотря на то, что они составляли 20–30% от общего протеома. [14] Из-за этой сложности и важности этого класса белков были разработаны методы прогнозирования структуры белков на основе графиков гидропатии, правила положительного внутреннего и других методов. [15] [16] [17]
Трансмембранные альфа-спиральные (α-спиральные) белки необычайно стабильны, судя по исследованиям термической денатурации , поскольку они не разворачиваются полностью внутри мембран (полное разворачивание потребовало бы разрыва слишком большого количества α-спиральных Н-связей в неполярной среде). С другой стороны, эти белки легко неправильно сворачиваются из-за ненативной агрегации в мембранах, перехода в расплавленные состояния глобул , образования ненативных дисульфидных связей или разворачивания периферических областей и нерегулярных петель, которые локально менее стабильны. [ нужна цитата ]
Также важно правильно определить развернутое состояние . Развернутое состояние мембранных белков в мицеллах детергентов отличается от такового в экспериментах по термической денатурации . [ нужна цитация ] Это состояние представляет собой комбинацию свернутых гидрофобных α-спиралей и частично развернутых сегментов, покрытых детергентом . Например, «развернутый» бактериородопсин в мицеллах ДСН имеет четыре сложенные трансмембранные α-спирали, тогда как остальная часть белка расположена на границе раздела мицелла-вода и может принимать различные типы ненативных амфифильных структур. Различия в свободной энергии между такими денатурированными и нативными состояниями детергента аналогичны стабильности водорастворимых белков (<10 ккал/моль). [ нужна цитата ]
Рефолдинг α-спиральных трансмембранных белков in vitro технически сложен. Примеров успешных экспериментов по рефолдингу, например, бактериородопсина , относительно немного . In vivo все такие белки обычно котрансляционно свернуты внутри большого трансмембранного транслокона . Транслоконный канал 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». [ нужна цитата ]
Стабильность трансмембранных белков бета-барреля (β-бочонка) аналогична стабильности водорастворимых белков, что подтверждается исследованиями химической денатурации. Некоторые из них очень стабильны даже в хаотропных агентах и при высоких температурах. Их сворачиванию in vivo способствуют водорастворимые шапероны , такие как белок Skp. Считается, что мембранные белки β-бочонка произошли от одного предка, даже имея разное количество листов, которые могли добавляться или удваиваться в ходе эволюции. Некоторые исследования показывают огромную консервативность последовательностей у разных организмов, а также консервативные аминокислоты, которые удерживают структуру и помогают сворачивать. [18]
Примечание: n и S — соответственно количество бета-нитей и «число сдвига» [20] бета -цилиндра.