跨膜蛋白

跨膜蛋白(transmembrane protein,TP)是一種貫穿生物膜(細胞膜)兩端的蛋白。許多跨膜蛋白的功能是作為通道或“裝載碼頭”來實施拒絕或允許某種特定的物質跨過生物膜的運輸、進入細胞,同時,也使要廢棄的副產品運出細胞。當對某種分子做出相應時,這些“負責運載”的跨膜蛋白通過特定的摺疊和彎曲方式,實現該分子的跨過生物膜的運輸。

“跨膜蛋白”是一種跨越整個生物膜一次或多次的蛋白。跨膜蛋白在水中凝聚并沉淀。大多數跨膜蛋白要用去污劑或非極性溶劑提取,少數貝塔-折筒狀蛋白也可用某些變性劑提取。

Schematic representation of transmembrane proteins: 1.一種單次跨膜α-螺旋(單次跨膜蛋白) 2.一種多次跨膜α-螺旋蛋白 3.一種多次跨膜β-折片蛋白
淺棕色部分代表膜

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

類型编辑

跨膜蛋白有兩種基本類型:[2]

  1. α-螺旋:這種蛋白存在于細菌細胞的內膜或真核細胞的質膜,也有時存在于真核細胞的外膜。[3]這是跨膜蛋白的主要類型。據估計在人體內所有蛋白質的27%是α-螺旋膜蛋白。[4]
  2. β-筒狀蛋白。到目前為止,這類蛋白僅在革蘭氏陰性細菌的外膜、革蘭氏陽性細菌的細胞壁、以及線粒體和染色質的外膜上發現。所有的β-筒狀跨膜蛋白都有最簡單的上-和-下拓撲學結構,這可以反映出他們共同的進化起源和相似的摺疊機制。另一種分類是根據其N- 和C-末端結構域的位置。I、II、III型為一次跨膜蛋白,而IV型是多次跨膜蛋白。I型跨膜蛋白用停止-傳輸錨定序列錨定到脂質膜上,并且,其N-末端結構域在合成時瞄準于ER腔(內質網腔,并且,如果成熟形式是位于質膜上,則N-末端結構域則瞄準于細胞外間隙。II型和III型用信號錨定序列錨定。II型用其C-末端結構域瞄準ER腔,而III型有其N-末端結構域瞄準ER腔。IV型有兩個亞型-IV-A和IV-b。IV-A用其N-末端結構域瞄準細胞質,而IV-B則用其N-末端瞄準腔。[5]劃分成四種類型的意義特別顯示于轉運和內質網束縛的翻譯時。此時,蛋白必須根據類型決定其通過內質網膜的方向。

熱力學穩定性和折疊编辑

α-螺旋跨膜蛋白的穩定性编辑

從熱變性研究判定α-螺旋跨膜蛋白通常是穩定的,因為在膜內它們不完全解折疊(在非極性介質中的完全展開需要斷裂太多的α-螺旋H-鍵)。另一方面,這些蛋白很容易“錯折疊”,因為在膜中的非天然聚集轉化成熔球態,形成非天然的雙硫鍵,或者外周區域和不規則環的解折疊,這些解使局部穩定性降低。。

恰當地定義“解折疊態”也很重要。在去污劑膠束中的膜蛋白的“解折疊態”不同于熱變性實驗中的“解折疊態”。在去污劑中的狀態代表了折疊的疏水α-螺旋和去污劑覆蓋的部分解折疊片段。例如,在十二烷基磺酸鈉(SDS)膠束中的“解折疊”的細菌視紫紅質有四個折疊的跨膜α-螺旋,而其余的蛋白則位于膠束-水界面并且可取不同的非天然的兩性分子的結構類型。在這樣的去污劑失活的和天然態之間的自由能差相似于水溶性蛋白的穩定性(< 10 kcal/mol)。

α-螺旋跨膜蛋白的折疊编辑

α-螺旋跨膜蛋白在體外(in vitro)的再折疊在技術上是困難的。有相對較少的成功再折疊實驗的例子,比如像對細菌視紫紅質的實驗。在體內(in vivo)通常所有這樣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-筒狀蛋白的穩定性和折疊编辑

根據化學變性研究,β-筒狀蛋白的穩定性與水溶性蛋白的穩定性相似。它們“在體內”的折疊被水溶性分子伴侣如,蛋白Skp[1]所易化。

三維(3D)結構编辑

 
已知跨膜蛋白的三維(3D)結構年增加量

光吸收驅動的轉運蛋白编辑

  • 像細菌視紫紅質那樣的蛋白包括視紫紅質(也參見opsin)[6]
  • 細菌光合反應中心以及光合系統I和II[7]
  • 來自于細菌和葉綠體中的捕光復合物[8]

氧化還原驅動的轉運蛋白编辑

  • 跨膜細胞色素b樣蛋白[9]:輔酶Q-細胞色素c還原酶(細胞色素bc1);細胞色素b6f復合物;甲酸脫氫酶、呼吸硝酸還原酶;琥珀酸-輔酶Q還原酶(延胡索酸還原酶);和琥珀酸脫氫酶。見電子傳輸鏈。
  • 來自細菌和線粒體的細胞色素c氧化酶[10]

電化學勢驅動的轉運蛋白编辑

P-P-鍵水解驅動的轉運蛋白编辑

轉運子(單一轉運子,協同轉運子,反向轉運子)编辑

阿拉發-螺旋通道包括離子通道编辑

帶阿拉發-螺旋跨膜錨定的蛋白编辑

酶類编辑

帶阿拉發-螺旋跨膜錨定的蛋白编辑

由單肽鏈組成的β-筒狀蛋白编辑

  • 來自于八個貝塔-折疊鏈并且剪切次數(shear number)為10的貝塔筒狀蛋白(n=8, S=10

[51] 页面存档备份,存于互联网档案馆. 它們包括,:

注釋:nS分別代表貝塔折疊鏈的數目和剪切次數[12] of the beta-barrel

由幾個肽鏈組成的β-筒狀蛋白编辑

參考文獻编辑

  1. ^ Steven R. Goodman. Medical cell biology. Academic Press. 2008: 37– [24 November 2010]. ISBN 9780123704580. (原始内容存档于2014-01-12). 
  2. ^ Jin Xiong. Essential bioinformatics. Cambridge University Press. 2006: 208– [13 November 2010]. ISBN 9780521840989. 
  3. ^ alpha-helical proteins in outer membranes include Stannin and certain lipoproteins 页面存档备份,存于互联网档案馆, 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 [2011-11-14]. PMC 2739160. PMID 19678920. doi:10.1186/1741-7007-7-50. (原始内容存档于2015-11-24). 
  5. ^ Harvey Lodish etc.; Molecular Cell Biology, Sixth edition, p.546
  6. ^ OPM database Rhodopsin-like proteins. [2011-11-15]. (原始内容存档于2011-09-29). 
  7. ^ OPM database Photosynthetic reaction centers and photosystems. [2011-11-15]. (原始内容存档于2017-10-13). 
  8. ^ OPM database Light-harvesting complexes. [2011-11-15]. (原始内容存档于2011-09-29). 
  9. ^ OPM database Transmembrane cytochrome b like. [2011-11-15]. (原始内容存档于2011-09-29). 
  10. ^ OPM database Cytochrome c oxidases. [2011-11-15]. (原始内容存档于2011-09-29). 
  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. PMID 12459591. doi:10.1126/science.1076535. 
  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 [2011-11-18]. PMID 8126726. doi:10.1016/0022-2836(94)90064-7. (原始内容存档于2019-09-15). 

參見编辑

Transporter Classification database英语Transporter Classification database