跨膜蛋白

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跨膜蛋白(transmembrane protein,TP)是一种贯穿生物膜两端的蛋白。许多跨膜蛋白的功能是作为通道或“装载码头”来实施拒绝或允许某种特定的物质跨过生物膜的运输、进入细胞,同时,也使要废弃的副产品运出细胞。当对某种分子做出相应时,这些“负责运载”的跨膜蛋白通过特定的折叠和弯曲方式,实现该分子的跨过生物膜的运输。

“跨膜蛋白”是一种跨越整个生物膜一次或多次的蛋白。跨膜蛋白在水中凝聚并沉淀。大多数跨膜蛋白要用去污剂或非极性溶剂提取,少数贝塔-折筒状蛋白也可以用某些变性剂提取。

Schematic representation of transmembrane proteins: 1.一种单次跨膜α-螺旋(单次跨膜蛋白) 2.一种多次跨膜α-螺旋蛋白 3.一种多次跨膜β-折片蛋白
浅棕色部分代表膜

所有的跨膜蛋白是整合膜蛋白(也叫内嵌膜蛋白),但是不是所有的整合膜蛋白都是跨膜蛋白。[1]

目录

类型

跨膜蛋白有两种基本类型:[2]

  1. α-螺旋:这种蛋白存在于细菌细胞的内膜或真核细胞的质膜,也有时存在于真核细胞的外膜。[3]这是跨膜蛋白的主要类型。据估计在人体内所有蛋白质的27%是α-螺旋膜蛋白。[4]
  2. β-筒状蛋白。到目前为止,这类蛋白仅在革兰氏阴性细菌的外膜、革兰氏阳性细菌的细胞壁、以及线粒体和染色质的外膜上发现。所有的β-筒状跨膜蛋白都有最简单的上-和-下拓扑学结构,这可以反映出他们共同的进化起源和相似的折叠机制。另一种分类是根据其N- 和C-末端结构域的位置。I、II、III型为一次跨膜蛋白,而IV型是多次跨膜蛋白。I型跨膜蛋白用停止-传输锚定序列锚定到脂质膜上,并且,其N-末端结构域在合成时瞄准于ER腔(内质网腔,并且,如果成熟形式是位于质膜上,则N-末端结构域则瞄准于细胞外间隙。II型和III型用信号锚定序列锚定。II型用其C-末端结构域瞄准ER腔,而III型有其N-末端结构域瞄准ER腔。IV型有两个亚型-IV-A和IV-b。IV-A用其N-末端结构域瞄准细胞质,而IV-B则用其N-末端瞄准腔。[5]划分成四种类型的意义特别显示于转运和内质网束缚的翻译时。此时,蛋白必须根据类型决定其通过内质网膜的方向。

热力学稳定性和折叠

α-螺旋跨膜蛋白的稳定性

热变性研究判定α-螺旋跨膜蛋白通常是稳定的,因为在膜内它们不完全解折叠(在非极性介质中的完全展开需要断裂太多的α-螺旋H-键)。另一方面,这些蛋白很容易“错折叠”,因为在膜中的非天然聚集转化成熔球态,形成非天然的双硫键,或者外周区域和不规则环的解折叠,这些解使局部稳定性降低。。

恰当地定义“解折叠态”也很重要。在去污剂胶束中的膜蛋白的“解折叠态”不同于热变性实验中的“解折叠态”。在去污剂中的状态代表了折叠的疏水α-螺旋和去污剂覆蓋的部分解折叠片段。例如,在十二烷基磺酸钠(SDS)胶束中的“解折叠”的细菌视紫红质有四个折叠的跨膜α-螺旋,而其余的蛋白则位于胶束-水界面并且可取不同的非天然的两性分子的结构类型。在这样的去污剂失活的和天然态之间的自由能差相似于水溶性蛋白的稳定性(< 10 kcal/mol)。

α-螺旋跨膜蛋白的折叠

α-螺旋跨膜蛋白在体外(in vitro)的再折叠在技术上是困难的。有相对较少的成功再折叠实验的例子,比如像对细菌视紫红质的实验。在体内(in vivo)通常所有这样的蛋白是在大的膜易位子(translocon)中翻译折叠的。易位子通道对新生的跨膜α-螺旋提供了一种高度异质的环境。相对极性的两性α-螺旋可以接受在易位子中的跨膜定向(尽管它可能是在膜表面或“在体外”解折叠),因为它的极性残基可以面对中心充水的易位子通道。这样的机制对于将极性的α-螺旋结合到跨膜蛋白的结构中是必需的。如果蛋白保持解折叠和附着在易位子上的时间太长,它会被专门的“质量控制”细胞体系所降解。

β-筒状蛋白的稳定性和折叠

根据化学变性研究,β-筒状蛋白的稳定性与水溶性蛋白的稳定性相似。它们“在体内”的折叠被水溶性分子伴侣如,蛋白Skp[1]所易化。

三维(3D)结构

光吸收驱动的转运蛋白

氧化还原驱动的转运蛋白

电化学势驱动的转运蛋白

P-P-键水解驱动的转运蛋白

转运子(单一转运子,协同转运子,反向转运子)

阿拉发-螺旋通道包括离子通道

带阿拉发-螺旋跨膜锚定的蛋白

酶类

带阿拉发-螺旋跨膜锚定的蛋白

由单肽链组成的β-筒状蛋白

[51]. 它们包括,:

注释:nS分别代表贝塔折叠链的数目和剪切次数[12] of the beta-barrel

由几个肽链组成的β-筒状蛋白

参考文献

  1. Steven R. Goodman. Medical cell biology. Academic Press. 2008: pp. 37– [24 November 2010]. ISBN 9780123704580. 
  2. Jin Xiong. Essential bioinformatics. Cambridge University Press. 2006: pp. 208– [13 November 2010]. ISBN 9780521840989. 
  3. alpha-helical proteins in outer membranes include Stannin and certain lipoproteins, and others
  4. Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB. Mapping the human membrane proteome: a majority of the human membrane proteins can be classified according to function and evolutionary origin. BMC Biol.. 2009, 7: 50. doi:10.1186/1741-7007-7-50. PMID 19678920. PMC 2739160. 
  5. Harvey Lodish etc.; Molecular Cell Biology, Sixth edition, p.546
  6. OPM database Rhodopsin-like proteins
  7. OPM database Photosynthetic reaction centers and photosystems
  8. OPM database Light-harvesting complexes
  9. OPM database Transmembrane cytochrome b like
  10. OPM database Cytochrome c oxidases
  11. 11.0 11.1 Bracey MH, Hanson MA, Masuda KR, Stevens RC, Cravatt BF. Structural adaptations in a membrane enzyme that terminates endocannabinoid signaling. Science. November 2002, 298 (5599): 1793–6. doi:10.1126/science.1076535. PMID 12459591. 
  12. Murzin AG, Lesk AM, Chothia C. Principles determining the structure of beta-sheet barrels in proteins. I. A theoretical analysis. J. Mol. Biol.. March 1994, 236 (5): 1369–81. doi:10.1016/0022-2836(94)90064-7. PMID 8126726. 

参见

Transporter Classification database

参考来源

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