Белок периферической мембраны - Peripheral membrane protein

Белки периферических мембран - это мембранные белки, которые лишь временно прикрепляются к биологической мембране, с которой они связаны. Эти белки прикрепляются к интегральным мембранным белкам или проникают в периферические области липидного бислоя . Регуляторные белковые субъединицы многих ионных каналов и трансмембранных рецепторов , например, можно определить как периферические мембранные белки. В отличие от интегральных мембранных белков, периферические мембранные белки имеют тенденцию собираться в водорастворимом компоненте или фракции всех белков, экстрагированных во время процедуры очистки белка . Белки с якорями GPI являются исключением из этого правила и могут иметь очищающие свойства, аналогичные свойствам интегральных мембранных белков.

Было показано, что обратимое прикрепление белков к биологическим мембранам регулирует передачу сигналов клетки и многие другие важные клеточные события с помощью множества механизмов. Например, тесная ассоциация между многими ферментами и биологическими мембранами может привести их в непосредственную близость с их липидным субстратом ( субстратами ). Связывание с мембраной может также способствовать перестройке, диссоциации или конформационным изменениям во многих структурных доменах белков, что приводит к активации их биологической активности . Кроме того, расположение многих белков локализовано либо на внутренней, либо на внешней поверхностях или створках их резидентной мембраны. Это облегчает сборку мультибелковых комплексов за счет увеличения вероятности любых подходящих межбелковых взаимодействий .

Схематическое изображение различных типов взаимодействия между монотопными мембранными белками и клеточной мембраной : 1. взаимодействие посредством амфипатической α-спирали, параллельной плоскости мембраны (плоская спираль мембраны) 2. взаимодействие посредством гидрофобной петли 3. взаимодействие посредством ковалентно связанный мембранный липид ( липидирование ) 4. электростатические или ионные взаимодействия с мембранными липидами ( например, через ион кальция)

Связывание с липидным бислоем

PH домен фосфолипазы C дельта 1. Средняя плоскость липидного бислоя - черные точки. Граница области углеводородного ядра - синие точки (внутриклеточная сторона). Слой липидных фосфатов - желтые точки.

Белки периферической мембраны могут взаимодействовать с другими белками или непосредственно с липидным бислоем . В последнем случае они известны как амфитропные белки. Некоторые белки, такие как G-белки и определенные протеинкиназы , одновременно взаимодействуют с трансмембранными белками и липидным бислоем. Некоторые полипептидные гормоны , антимикробные пептиды и нейротоксины накапливаются на поверхности мембраны до того, как обнаруживаются и взаимодействуют с их рецепторами-мишенями на клеточной поверхности, которые сами могут быть белками периферических мембран.

Фосфолипидный бислой , который образует на поверхности клеток мембрана состоит из гидрофобной внутренней области сердцевины , расположенный между двумя областями гидрофильности , один на внутренней поверхности и один на наружной поверхности клеточной мембраны (см липидный бислой статью для более детального структурного описания клеточная мембрана). Было показано, что внутренняя и внешняя поверхности или межфазные области модельных фосфолипидных бислоев имеют толщину примерно от 8 до 10 Å , хотя она может быть шире в биологических мембранах, которые включают большие количества ганглиозидов или липополисахаридов . Гидрофобная внутренняя сердцевина типичных биологических мембран может иметь толщину от 27 до 32 Å, по оценке методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) . Граничная область между гидрофобным внутренним ядром и гидрофильными межфазными областями очень узкая, около 3 Å (см. Статью о липидном бислое для описания составляющих его химических групп). Перемещение наружу от гидрофобной области сердцевины , и в межфазной гидрофильной области, эффективная концентрация воды быстро изменяется через этот пограничный слой, от почти нуля до концентрации около 2 M . Фосфатные группы внутри фосфолипидных бислоев полностью гидратированы или насыщены водой и расположены примерно на 5 Å вне границы области гидрофобного ядра.

Некоторые водорастворимые белки необратимо связываются с липидными бислоями и могут образовывать трансмембранные альфа-спиральные или бета-цилиндрические каналы. Такие превращения происходят в порообразующих токсинах, таких как колицин А, альфа-гемолизин и другие. Они также могут встречаться в BcL-2-подобном белке , в некоторых амфифильных антимикробных пептидах и в некоторых аннексинах . Эти белки обычно описываются как периферические, поскольку одно из их конформационных состояний растворимо в воде или лишь слабо связано с мембраной.

Механизмы связывания с мембраной

Фосфолипаза А2 пчелиного яда (1poc). Средняя плоскость липидного бислоя - черные точки. Граница области углеводородного ядра - красные точки (внеклеточная сторона). Слой липидных фосфатов - желтые точки.

Ассоциация белка с липидным бислоем может включать значительные изменения в третичной структуре белка. Они могут включать сворачивание участков белковой структуры, которые ранее были развернуты, или перегруппировку при сворачивании, или рефолдинг ассоциированной с мембраной части белков. Он также может включать образование или диссоциацию белковых четвертичных структур или олигомерных комплексов и специфическое связывание ионов , лигандов или регуляторных липидов .

Типичные амфитропные белки должны сильно взаимодействовать с липидным бислоем, чтобы выполнять свои биологические функции. К ним относятся ферментативная обработка липидов и других гидрофобных веществ, закрепление мембраны, а также связывание и перенос небольших неполярных соединений между различными клеточными мембранами. Эти белки могут быть закреплены на бислое в результате гидрофобных взаимодействий между бислоем и незащищенными неполярными остатками на поверхности белка, посредством специфических нековалентных связывающих взаимодействий с регуляторными липидами или посредством их присоединения к ковалентно связанным липидным якорям .

Было показано, что сродство связывания с мембраной многих периферических белков зависит от конкретного липидного состава мембраны, с которой они связаны.

Неспецифическая гидрофобная ассоциация

Амфитропные белки связываются с липидными бислоями через различные гидрофобные якорные структуры. Такие как амфифильные α-спирали , открытые неполярные петли, посттрансляционно ацилированные или липидированные аминокислотные остатки или ацильные цепи специфически связанных регуляторных липидов, таких как фосфатидилинозитолфосфаты . Было показано, что гидрофобные взаимодействия важны даже для высококатионных пептидов и белков, таких как многоосновный домен белка MARCKS или гистактофилин, когда присутствуют их естественные гидрофобные якоря.

Ковалентно связанные липидные якоря

Заякоренные в липидах белки ковалентно присоединяются к ацильным цепям различных жирных кислот на цитоплазматической стороне клеточной мембраны посредством пальмитоилирования , миристоилирования или пренилирования . На экзоплазматической стороне клеточной мембраны закрепленные за липидом белки ковалентно присоединены к липидам гликозилфосфатидилинозитолу (GPI) и холестерину . Ассоциация белка с мембранами за счет использования ацилированных остатков является обратимым процессом , так как ацильная цепь может быть похоронена в гидрофобном связывающем кармане белка после диссоциации от мембраны. Этот процесс происходит внутри бета-субъединиц G-белков . Возможно, из-за этой дополнительной потребности в структурной гибкости липидные якоря обычно связаны с очень гибкими сегментами третичной структуры белков, которые не могут быть хорошо разрешены с помощью кристаллографических исследований белков .

Специфическое белок-липидное связывание

P40phox PX домен НАДФН-оксидазы Средняя плоскость липидного бислоя - черные точки. Граница области углеводородного ядра - синие точки (внутриклеточная сторона). Слой липидных фосфатов - желтые точки.

Некоторые цитозольные белки привлекаются к различным клеточным мембранам путем распознавания определенных типов липидов, обнаруженных в данной мембране. Связывание белка со специфическим липидом происходит через специфические мембранные структурные домены, которые встречаются внутри протеина и имеют специфические карманы связывания для липидных головных групп липидов, с которыми они связываются. Это типичный биохимическое белково - лиганд взаимодействия, и стабилизируется за счет образования межмолекулярных водородных связей , ван - дер - ваальсовых взаимодействий , а также гидрофобных взаимодействий между белком и липидный лиганда . Такие комплексы также стабилизируются за счет образования ионных мостиков между аспартатными или глутаматными остатками белка и липидными фосфатами через промежуточные ионы кальция (Ca 2+ ). Такие ионные мостики могут возникать и являются стабильными, когда ионы (такие как Ca 2+ ) уже связаны с белком в растворе до связывания липидов. Формирование ионных мостиков наблюдается в белково-липидном взаимодействии между доменами типа С2 и аннексинами .

Электростатические взаимодействия белков и липидов

Любой положительно заряженный белок будет притягиваться к отрицательно заряженной мембране за счет неспецифических электростатических взаимодействий. Однако не все периферические пептиды и белки являются катионными, и только определенные стороны мембраны заряжены отрицательно. К ним относятся цитоплазматическая сторона плазматических мембран , внешний листок наружных бактериальных мембран и митохондриальные мембраны. Таким образом, электростатическое взаимодействие играют важную роль в мембране ориентации на электронных носителей , таких как цитохром с , катионные токсины , такие как charybdotoxin и специфическими мембранными-таргетинга областях , таких как некоторые PH домены , домены С1 и домены С2 .

Электростатические взаимодействия сильно зависят от ионной силы раствора. Эти взаимодействия являются относительно слабыми в физиологической ионной силе ( 0,14 М NaCl ): ~ 3 до 4 ккал / моль для небольших катионных белков, таких как цитохром с , charybdotoxin или hisactophilin .

Пространственное положение в мембране

Ориентация и глубина проникновения многих амфитропных белков и пептидов в мембраны изучаются с помощью сайт-направленного спинового мечения , химического мечения, измерения аффинности связывания с мембраной мутантов белка , флуоресцентной спектроскопии, спектроскопии ЯМР в растворе или твердом состоянии, спектроскопии ATR FTIR , X- лучевая или нейтронная дифракция и вычислительные методы.

Были идентифицированы два различных способа ассоциации белков с мембраной. Типичные водорастворимые белки не имеют открытых неполярных остатков или каких-либо других гидрофобных якорей. Следовательно, они полностью остаются в водном растворе и не проникают в липидный бислой, что было бы экономически затратно. Такие белки взаимодействуют с бислоями только электростатически, например, в этом режиме с мембранами взаимодействуют рибонуклеаза и полилизин . Однако типичные амфитропные белки имеют различные гидрофобные якоря, которые проникают в межфазную область и достигают углеводородной внутренней части мембраны. Такие белки «деформируют» липидный бислой, снижая температуру перехода липидная жидкость-гель. Связывание обычно представляет собой сильно экзотермическую реакцию. Аналогично происходит ассоциация амфифильных α-спиралей с мембранами. Внутренне неструктурированные или развернутые пептиды с неполярными остатками или липидными якорями также могут проникать в межфазную область мембраны и достигать углеводородного ядра, особенно когда такие пептиды являются катионными и взаимодействуют с отрицательно заряженными мембранами.

Категории

Ферменты

Периферические ферменты участвуют в метаболизме различных компонентов мембраны, таких как липиды ( фосфолипазы и холестериноксидазы ), олигосахариды клеточной стенки ( гликозилтрансфераза и трансгликозидазы ) или белки ( сигнальная пептидаза и тиоэстеразы пальмитоил-протеина ). Липазы также могут переваривать липиды, образующие в воде мицеллы или неполярные капли.

Класс Функция Физиология Состав
Альфа / бета гидролазная складка Катализирует гидролиз химических связей. Включает в себя бактериальный , грибковые , желудка и поджелудочной железы липазы , Palmitoyl белка тиоэстеразы , cutinase и холинэстераз
Фосфолипаза А2 (секреторная и цитозольная) Гидролиз sn-2 жирнокислотной связи фосфолипидов . Переваривание липидов, разрушение мембран и передача липидных сигналов .
Фосфолипаза C Гидролизует PIP2, фосфатидилинозит , на два вторых мессенджера, инозитолтрифосфат и диацилглицерин . Липидная сигнализация
Холестериноксидазы Окисляет и изомеризует холестерин до холест-4-ен-3-она. Истощает клеточные мембраны холестерина, используемого в бактериальном патогенезе .
Каротиноидная оксигеназа Расщепляет каротиноиды . Каротиноиды действуют как у растений, так и у животных как гормоны (включая витамин А у людей), пигменты , ароматизаторы , цветочные ароматы и защитные соединения.
Липоксигеназы Железный отработанные ферменты , которые катализируют в диоксигенирование полиненасыщенных жирных кислот . У животных липоксигеназы участвуют в синтезе медиаторов воспаления, известных как лейкотриены .
Альфа-токсины Расщепляет фосфолипиды в клеточной мембране, подобно фосфолипазе C. Бактериальный патогенез, особенно Clostridium perfringens .
Сфингомиелиназа С Фосфодиэстеразы , расщепляет фосфодиэфирные облигации. Обработка липидов, таких как сфингомиелин .
Гликозилтрансферазы : MurG и трансгликозидазы Катализирует перенос сахарных фрагментов от активированных донорных молекул к специфическим акцепторным молекулам, образуя гликозидные связи. Биосинтез дисахаридов , олигосахаридов и полисахаридов (гликоконъюгатов), MurG участвует в биосинтезе бактериального пептидогликана .
Феррохелатаза Превращает протопорфирин IX в гем . Участвующие в метаболизме порфиринов , протопорфирины используются для укрепления яичной скорлупы .
Семейство белков, связанных с миотубулярином Липидная фосфатаза , дефосфорилирующая PtdIns3P и PtdIns (3,5) P2 . Требуется для дифференцировки мышечных клеток.
Дигидрооротатдегидрогеназы Окисление дигидрооротата (DHO) до оротата. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов в прокариотических и эукариотических клетках.
Гликолят оксидаза Катализирует окисление α- гидроксикислот до соответствующих α- кетокислот . У зеленых растений фермент участвует в фотодыхании . У животных фермент участвует в производстве оксалата .

Домены нацеливания на мембрану («липидные зажимы»)

С1 домен PKC-дельта (1ptr) Средняя плоскость липидного бислоя - черные точки. Граница области углеводородного ядра - синие точки (цитоплазматическая сторона). Слой липидных фосфатов - желтые точки.

Направляющие на мембрану домены специфически связываются с головными группами своих липидных лигандов, встроенных в мембрану. Эти липидные лиганды присутствуют в разных концентрациях в разных типах биологических мембран (например, PtdIns3P можно найти в основном в мембранах ранних эндосом , PtdIns (3,5) P2 в поздних эндосомах и PtdIns4P в Гольджи ). Следовательно, каждый домен нацелен на определенную мембрану.

Структурные домены

Структурные домены опосредуют прикрепление других белков к мембранам. Их связывание с мембранами может быть опосредовано ионами кальция (Ca 2+ ), которые образуют мостики между кислотными остатками белка и фосфатными группами липидов, как в аннексинах или доменах GLA.

Класс Функция Физиология Состав
Аннексины Кальций- зависимое связывание внутриклеточной мембраны / фосфолипидов . Функции включают перенос везикул , слияние мембран и образование ионных каналов .
Синапсин I Обволакивает синаптические пузырьки и связывается с несколькими элементами цитоскелета . Функции регуляции высвобождения нейромедиаторов .
Синуклеин Неизвестная клеточная функция. Считается, что играет роль в регулировании стабильности и / или обновления плазматической мембраны . Связан как с болезнью Паркинсона, так и с болезнью Альцгеймера .
GLA-домены свертывающей системы Гамма-карбоксиглутаматные (GLA) домены ответственны за высокоаффинное связывание ионов кальция. Участвует в функции факторов свертывания в каскаде свертывания крови.
Спектрин и α- актинин -2 Обнаружен в нескольких белках цитоскелета и микрофиламентов . Поддержание целостности плазматической мембраны и структуры цитоскелета.

Переносчики небольших гидрофобных молекул

Эти периферические белки функционируют как переносчики неполярных соединений между различными типами клеточных мембран или между мембранами и цитозольными белковыми комплексами. Переносимые вещества: фосфатидилинозит, токоферол, ганглиозиды, гликолипиды, производные стерола, ретинол, жирные кислоты, вода, макромолекулы, эритроциты, фосфолипиды и нуклеотиды.

Электронные носители

Эти белки участвуют в цепях переноса электронов . Они включают цитохром с , купредоксины , протеин железа с высоким потенциалом , адренодоксинредуктазу, некоторые флавопротеины и другие.

Полипептидные гормоны, токсины и антимикробные пептиды

Многие гормоны, токсины , ингибиторы или антимикробные пептиды специфически взаимодействуют с трансмембранными белковыми комплексами. Они также могут накапливаться на поверхности липидного бислоя до связывания своих белков-мишеней. Такие полипептидные лиганды часто заряжены положительно и электростатически взаимодействуют с анионными мембранами.

Некоторые водорастворимые белки и пептиды также могут образовывать трансмембранные каналы . Обычно они подвергаются олигомеризации , значительным конформационным изменениям и необратимо связываются с мембранами. Определена трехмерная структура одного из таких трансмембранных каналов - α-гемолизина . В других случаях экспериментальная структура представляет собой водорастворимую конформацию, которая взаимодействует с липидным бислоем периферически, хотя некоторые из каналообразующих пептидов являются довольно гидрофобными и поэтому изучались методом ЯМР-спектроскопии в органических растворителях или в присутствии мицелл .

Класс Белки Физиология
Ядовитые токсины Хорошо известные типы биотоксинов включают нейротоксины , цитотоксины , гемотоксины и некротоксины . Биотоксины выполняют две основные функции: уничтожение ( токсины змей , скорпионов и шишек ) и защиту ( токсины пчел и муравьев ).
Токсины морского анемона Ингибирование натриевых и калиевых каналов и образование пор мембран являются основными действиями более 40 известных пептидных токсинов морского анемона. Морские анемоны - хищные животные и используют токсины для хищничества и защиты; токсин анемона аналогичен токсичности наиболее токсичных фосфорорганических боевых отравляющих веществ.
Бактериальные токсины Микробные токсины являются основными факторами вирулентности для множества патогенных бактерий. Некоторые токсины - это токсины, образующие поры, которые разрушают клеточные мембраны. Другие токсины подавляют синтез белка или активируют пути вторичных мессенджеров, вызывая драматические изменения в путях передачи сигналов, критических для поддержания множества клеточных функций. Некоторые бактериальные токсины могут действовать непосредственно на иммунную систему , действуя как суперантигены и вызывая массивную пролиферацию Т-клеток , которая чрезмерно расширяет иммунную систему. Ботулинический токсин - это нейротоксин, который предотвращает стыковку / слияние нейросекреторных везикул с плазматической мембраной нервного синапса , ингибируя высвобождение нейротрансмиттера .
Грибковые токсины Эти пептиды характеризуются присутствием необычной аминокислоты, α-аминоизомасляной кислоты , и проявляют антибиотические и противогрибковые свойства из-за их активности по формированию мембранных каналов.
Антимикробные пептиды Способы действия, с помощью которых антимикробные пептиды убивают бактерии, разнообразны и включают разрушение мембран, нарушение метаболизма и нацеливание на цитоплазматические компоненты. В отличие от многих традиционных антибиотиков эти пептиды, по-видимому, обладают бактерицидным действием, а не бактериостатическим .
Defensins Дефенсины представляют собой антимикробный пептид; и являются важным компонентом практически всех врожденных защит хозяина от микробного вторжения. Дефенсины проникают через мембраны микробных клеток за счет электрического притяжения и образуют поры в мембране, обеспечивающие отток, что в конечном итоге приводит к лизису микроорганизмов.
Нейрональные пептиды Эти белки возбуждают нейроны, вызывают поведенческие реакции, являются мощными вазодилататорами и ответственны за сокращение многих типов гладких мышц .
Регуляторы апоптоза Члены семейства Bcl-2 регулируют проницаемость внешней мембраны митохондрий . Сам Bcl-2 подавляет апоптоз в различных типах клеток, включая лимфоциты и нейрональные клетки .

Смотрите также

использованная литература

Общие ссылки

внешние ссылки