Membranski protein

Membranski proteini su uobičajeni proteini koji su dio bioloških membrana ili su u interakciji s njima. Uključuju nekoliko širokih kategorija, ovisno o njihovom mjestu. Integralni membranski proteini su trajni dio ćelijske membrane i mogu prodrijeti kroz membranu (transmembranski) ili se povezati s jednom ili drugom stranom membrane (integralni monotop). Proteini periferne membrane su privremeno povezani sa ćelijskom membranom.

Membranski proteini su uobičajeni i medicinski važni – otprilike trećina svih ljudskih proteina su membranski proteini i oni su ciljevi za više od polovine svih lijekova.^[1] Bez obzira na to, u poređenju sa drugim klasama proteina, određivanje membranskih struktura proteina ostaje velikim dijelom izazov, zbog poteškoća u uspostavljanju eksperimentalnih uslova koji mogu izolirati ispravnu konformaciju proteina izoliranih iz svog prirodnog okruženja.

Funkcija

Membranski proteini obavljaju razne funkcije od vitalnog značaja za opstanak organizama:^[2]

Proteini membranskih receptora prenose signale između ćelijskog unutrašnjeg i vanjskogog okruženja.
Transportni protein pokreću molekule i ione kroz membranu. Mogu se kategorizirati prema bazi podataka klasifikacije transportera.
Membranski enzimi može imati mnogo aktivnosti, poput oksidoreduktaza, transferaza ili hidrolaza.^[3]
Molekule ćelijske adhezije omogućavaju ćelijama da se međusobno identificiraju i komuniciraju. Naprimjer, proteini uključeni u imunski odgovor.

Lokalizacija proteina u membranama može se pouzdano predvidjeti primjenom analiza hidrofobnosti proteinskih sekvenci, tj. lokalizacije hidrofobnih aminokiselinskih sekvenci.

Integralni membranski proteini

Representacija transmembranskih proteina:
1. jednostavni transmembranski α-heliks (bitopski membranski protein)
2. politopski transmembra α-helksni protein
3. politopni β-list transmembranskog proteina
Membrana je svijetlosmeđa.

Integralni membranski proteini su trajno vezani za membranu. Takvi se proteini mogu odvojiti od bioloških membrana samo upotrebom deterdžentnog, nepolarnog rastvarača ili ponekad denaturacijskim sredstvima. Jedan od takvih primjera ovog tipa proteina koji još uvijek nije funkcionalno okarakteriziran je SMIM23. Mogu se klasificirati prema njihovom odnosu sa dvoslojem, kao:

Integralni politopijski proteini su transmembranski proteini koji se protežu preko membrane više puta. Ti proteini mogu imati različitu transmembranske topologiju.^[4]^[5] Ovi proteini imaju jednu od dvije strukturne arhitekture:
- Heliksni snop imaju proteini koji su prisutni u svim tipovima bioloških membrana;
- Beta bačva proteini, koji se nalaze samo u vanjskoj membrani Gram-negativnih bakterija i vanjskoj membrani mitohondrija i hloroplasta.^[6]
Bitopski proteini su transmembranski proteini koji se protežu preko membrane samo jednom. Transmembranski heliksi iz ovih proteina imaju značajno različitu distribuciju aminokiselina u transmembranskim heliksima od politopskih proteina.^[7]
Integralni monotopaski proteini su integralni membranski proteini koji su pričvršćeni samo na jednu stranu membrane i ne obuhvataju čitav put.

Periferni membranski proteini

Različiti tipovi interakcija između monotopnih membranskih proteina i ćelijske membrane:
1. interakcija amfipatskiim α-heliksom paralelno s membranskom ravninom (površina membranskog heliksa)
2. interakcija hidrofobna petlja
3. interakcija kovalentno vezanim membranskim lipidom ( lipidiranje)
4. elektrostatska ili ionska interakcija s membranskim lipidima (npr. kroz ion kalcija)

Periferni membranski proteinii privremeno su vezani ili za lipidni dvosloj ili za integralne proteine, kombinacijom hidrofobnih, elektrostatskih i drugih nekovalentnih interakcija. Periferni proteini se disociraju nakon tretmana polarnim reagensom, poput rastvora s povišenom pH ili visokom koncentracijom soli.

Integralni i periferni proteini mogu se posttranslacijski modificiraati, dodavanjem masne kiseline, diacilglicerola,^[8] prenil lanaca ili GPI (glikofosfatidilinozitola), koji se mogu usidriti u lipidnom dvosloju.

Polipeptidni toksini

Polipeptidni toksini i mnogi antibakterijski peptidi, poput kolicina ili hemolizine, te određeni proteini koji su uključeni u apoptozu, ponekad se smatraju zasebnom kategorijom. Ovi proteini su topivi u vodi, ali se mogu agregirati i povezati nepovratno sa lipidnim dvoslojem i postati reverzibilno ili nepovratno povezani s membranom.

U genomima

Membranski proteini, poput topljivih loptastih proteina, vlaknastih proteina i poremećenih proteina, su česti.^[9] Procjenjuje se da 20–30% svih gena u većini genomima kodira membranske proteine.^[10]^[11] Naprimjer, oko 1.000 od ~ 4.200 proteina E. coli smatraju se membranskim proteinima, od kojih je za 600 eksperimentalno potvrđeno da su u membrani.^[12] Smatra se da kod ljudi u potpunosti 30% genoma kodira membranske proteine.^[13]

U bolesti

Membranski proteini su ciljevi preko 50% svih savremenih farmaceutskih lijekova.^[1] Među ljudskim bolestima u koje su uključeni membranski proteini su bolesti srca, Alzheimerova bolest i cistična fibroza.^[13]

Prečišćavanje membranskih proteina

Iako membranski proteini imaju važnu ulogu u svim organizmima, njihovo prečišćavanje je povijesno i dalje predstavljalo ogroman izazov za naučnike o proteinima. U 2008. godini bilo je dostupno 150 jedinstvenih struktura membranskih proteina,^[14] a do 2019. samo je 50 ljudskih membranskih proteina imalo pojašnjene strukture.^[13] Nasuprot tome, približno 25% svih proteina su membranski proteini.^[15] Njihove hidrofobne površine otežavaju određivanje strukturnih i posebno funkcijskih karakteristika.^[13]^[16] Deterdženti se mogu koristiti za stvaranje membranskih proteina rastvorljivih u vodi, ali oni također mogu promijeniti strukturu i funkciju proteina.^[13] Izrada membranskih proteina rastvorljivih u vodi također može se postići inženjerstvom proteinske sekvence, zamjenom odabranih hidrofobnih aminokiselina hidrofilnim, vodeći veliku pažnju da se održi sekundarna struktura uz reviziju ukupnog naboja.

Afinitetna hromatografija jedno je od najboljih rješenja za pročišćavanje membranskih proteina. Aktivnost membranskih proteina vrlo brzo opada, za razliku od ostalih proteina. Dakle, afinitetna hromatografija omogućava brzo i specifično pročišćavanje membranskih proteina. Za prečišćavanje membranskih proteina često je korištena polihistidinska oznaka,^[17] kao i alternativna oznaka rho1D4.^[18]^[19]

Također pogledajte

Reference

^ ^a ^b Overington JP, Al-Lazikani B, Hopkins AL (decembar 2006). "How many drug targets are there?". Nature Reviews. Drug Discovery (Opinion). 5 (12): 993–6. doi:10.1038/nrd2199. PMID 17139284.
^ Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (august 2009). "Mapping the human membrane proteome: a majority of the human membrane proteins can be classified according to function and evolutionary origin". BMC Biology. 7: 50. doi:10.1186/1741-7007-7-50. PMC 2739160. PMID 19678920.
^ Lin Y, Fuerst O, Granell M, Leblanc G, Lórenz-Fonfría V, Padrós E (august 2013). "The substitution of Arg149 with Cys fixes the melibiose transporter in an inward-open conformation". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 1828 (8): 1690–9. doi:10.1016/j.bbamem.2013.03.003. PMID 23500619 – preko Elsevier Science Direct.
^ Gunnar vH (decembar 2006). "Membrane-protein topology". Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 7 (12): 909–18. doi:10.1038/nrm2063. PMID 17139331. Greška u vankuverskom stilu: initials u nazivu 1 (pomoć)
^ Gerald Karp (2009). Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments. John Wiley and Sons. str. 128–. ISBN 978-0-470-48337-4. Pristupljeno 13. 11. 2010 – preko Google Books.
^ Selkrig J, Leyton DL, Webb CT, Lithgow T (august 2014). "Assembly of β-barrel proteins into bacterial outer membranes". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research. 1843 (8): 1542–50. doi:10.1016/j.bbamcr.2013.10.009. PMID 24135059 – preko Elsevier Science Direct.
^ Baker JA, Wong WC, Eisenhaber B, Warwicker J, Eisenhaber F (juli 2017). "Charged residues next to transmembrane regions revisited: "Positive-inside rule" is complemented by the "negative inside depletion/outside enrichment rule"". BMC Biology. 15 (1): 66. doi:10.1186/s12915-017-0404-4. PMC 5525207. PMID 28738801.
^ Sun C, Benlekbir S, Venkatakrishnan P, Wang Y, Hong S, Hosler J, Tajkhorshid E, Rubinstein JL, Gennis RB (maj 2018). "Structure of the alternative complex III in a supercomplex with cytochrome oxidase". Nature. 557 (7703): 123–126. doi:10.1038/s41586-018-0061-y. PMC 6004266. PMID 29695868.
^ Andreeva A, Howorth D, Chothia C, Kulesha E, Murzin AG (januar 2014). "SCOP2 prototype: a new approach to protein structure mining". Nucleic Acids Research. 42 (Database issue): D310-4. doi:10.1093/nar/gkt1242. PMC 3964979. PMID 24293656.
^ Liszewski, Kathy (1. 10. 2015). "Dissecting the Structure of Membrane Proteins". Gen. Eng. Biotechnol. News (paper). 35 (17): 1, 14, 16–17. doi:10.1089/gen.35.17.02.
^ Krogh A, Larsson B, von Heijne G, Sonnhammer EL (januar 2001). "Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes" (PDF). Journal of Molecular Biology. 305 (3): 567–80. doi:10.1006/jmbi.2000.4315. PMID 11152613. Arhivirano s originala (PDF), 4. 8. 2020. Pristupljeno 20. 1. 2021 – preko Semantic Scholar.
^ Daley DO, Rapp M, Granseth E, Melén K, Drew D, von Heijne G (maj 2005). "Global topology analysis of the Escherichia coli inner membrane proteome" (PDF). Science (Report). 308 (5726): 1321–3. Bibcode:2005Sci...308.1321D. doi:10.1126/science.1109730. PMID 15919996 – preko Semantic Scholar.
^ ^a ^b ^c ^d ^e Martin, Joseph; Sawyer, Abigail (2019). "Elucidating the Structure of Membrane Proteins". Tech News. BioTechniques (Print issue). Future Science. 66 (4): 167–170. doi:10.2144/btn-2019-0030. PMID 30987442.
^ Carpenter EP, Beis K, Cameron AD, Iwata S (oktobar 2008). "Overcoming the challenges of membrane protein crystallography". Current Opinion in Structural Biology. 18 (5): 581–6. doi:10.1016/j.sbi.2008.07.001. PMC 2580798. PMID 18674618.
^ Krogh A, Larsson B, von Heijne G, Sonnhammer EL (januar 2001). "Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes" (PDF). Journal of Molecular Biology. 305 (3): 567–80. doi:10.1006/jmbi.2000.4315. PMID 11152613. Arhivirano s originala (PDF), 4. 8. 2020. Pristupljeno 20. 1. 2021 – preko Semantic Scholar.
^ Rawlings AE (juni 2016). "Membrane proteins: always an insoluble problem?". Biochemical Society Transactions. 44 (3): 790–5. doi:10.1042/BST20160025. PMC 4900757. PMID 27284043.
^ Hochuli E, Bannwarth W, Döbeli H, Gentz R, Stüber D (novembar 1988). "Genetic Approach to Facilitate Purification of Recombinant Proteins with a Novel Metal Chelate Adsorbent". Nature Biotechnology. 6 (11): 1321–1325. doi:10.1038/nbt1188-1321.
^ Locatelli-Hoops SC, Gorshkova I, Gawrisch K, Yeliseev AA (oktobar 2013). "Expression, surface immobilization, and characterization of functional recombinant cannabinoid receptor CB2". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. 1834 (10): 2045–56. doi:10.1016/j.bbapap.2013.06.003. PMC 3779079. PMID 23777860.
^ Cook BL, Steuerwald D, Kaiser L, Graveland-Bikker J, Vanberghem M, Berke AP, Herlihy K, Pick H, Vogel H, Zhang S (juli 2009). "Large-scale production and study of a synthetic G protein-coupled receptor: human olfactory receptor 17-4". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (29): 11925–30. Bibcode:2009PNAS..10611925C. doi:10.1073/pnas.0811089106. PMC 2715541. PMID 19581598.

Dopunska literatura

Johnson JE, Cornell RB (1999). "Amphitropic proteins: regulation by reversible membrane interactions (review)". Molecular Membrane Biology. 16 (3): 217–35. doi:10.1080/096876899294544. PMID 10503244.
Alenghat FJ, Golan DE (2013). "Membrane protein dynamics and functional implications in mammalian cells". Current Topics in Membranes. 72: 89–120. doi:10.1016/b978-0-12-417027-8.00003-9. ISBN 9780124170278. PMC 4193470. PMID 24210428.

Vanjski linkovi

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Membranski protein

Baze podataka

TCDB - Transporter Classification database, a comprehensive classification of transmembrane transporter proteins
Orientations of Proteins in Membranes (OPM) database 3D structures of integral membrane protein and peripheral membrane proteins arranged in the lipid bilayer
Protein Data Bank of Transmembrane Proteins 3D models of transmembrane proteins approximately arranged in the lipid bilayer.
TransportDB Genomics-oriented database of transporters from TIGR
Membrane PDB Arhivirano 3. 8. 2020. na Wayback Machine Database of 3D structures of integral membrane proteins and hydrophobic peptides with an emphasis on crystallization conditions
Mpstruc database Arhivirano 25. 12. 2013. na Wayback Machine - A curated list of selected transmembrane proteins from the Protein Data Bank
MemProtMD a database of membrane protein structures simulated by Coarse-grained modeling|coarse-grained molecular dynamics
Membranome databas provides information about bitopic proteins from several model organisms

[pmid17139284-1] Overington JP, Al-Lazikani B, Hopkins AL (decembar 2006). "How many drug targets are there?". Nature Reviews. Drug Discovery (Opinion). 5 (12): 993–6. doi:10.1038/nrd2199. PMID 17139284.

[2] Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (august 2009). "Mapping the human membrane proteome: a majority of the human membrane proteins can be classified according to function and evolutionary origin". BMC Biology. 7: 50. doi:10.1186/1741-7007-7-50. PMC 2739160. PMID 19678920.

[3] Lin Y, Fuerst O, Granell M, Leblanc G, Lórenz-Fonfría V, Padrós E (august 2013). "The substitution of Arg149 with Cys fixes the melibiose transporter in an inward-open conformation". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 1828 (8): 1690–9. doi:10.1016/j.bbamem.2013.03.003. PMID 23500619 – preko Elsevier Science Direct.

[4] Gunnar vH (decembar 2006). "Membrane-protein topology". Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 7 (12): 909–18. doi:10.1038/nrm2063. PMID 17139331. Greška u vankuverskom stilu: initials u nazivu 1 (pomoć)

[Karp2009-5] Gerald Karp (2009). Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments. John Wiley and Sons. str. 128–. ISBN 978-0-470-48337-4. Pristupljeno 13. 11. 2010 – preko Google Books.

[Selkrig2014-6] Selkrig J, Leyton DL, Webb CT, Lithgow T (august 2014). "Assembly of β-barrel proteins into bacterial outer membranes". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research. 1843 (8): 1542–50. doi:10.1016/j.bbamcr.2013.10.009. PMID 24135059 – preko Elsevier Science Direct.

[7] Baker JA, Wong WC, Eisenhaber B, Warwicker J, Eisenhaber F (juli 2017). "Charged residues next to transmembrane regions revisited: "Positive-inside rule" is complemented by the "negative inside depletion/outside enrichment rule"". BMC Biology. 15 (1): 66. doi:10.1186/s12915-017-0404-4. PMC 5525207. PMID 28738801.

[pmid29695868-8] Sun C, Benlekbir S, Venkatakrishnan P, Wang Y, Hong S, Hosler J, Tajkhorshid E, Rubinstein JL, Gennis RB (maj 2018). "Structure of the alternative complex III in a supercomplex with cytochrome oxidase". Nature. 557 (7703): 123–126. doi:10.1038/s41586-018-0061-y. PMC 6004266. PMID 29695868.

[9] Andreeva A, Howorth D, Chothia C, Kulesha E, Murzin AG (januar 2014). "SCOP2 prototype: a new approach to protein structure mining". Nucleic Acids Research. 42 (Database issue): D310-4. doi:10.1093/nar/gkt1242. PMC 3964979. PMID 24293656.

[:0-10] Liszewski, Kathy (1. 10. 2015). "Dissecting the Structure of Membrane Proteins". Gen. Eng. Biotechnol. News (paper). 35 (17): 1, 14, 16–17. doi:10.1089/gen.35.17.02.

[11] Krogh A, Larsson B, von Heijne G, Sonnhammer EL (januar 2001). "Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes" (PDF). Journal of Molecular Biology. 305 (3): 567–80. doi:10.1006/jmbi.2000.4315. PMID 11152613. Arhivirano s originala (PDF), 4. 8. 2020. Pristupljeno 20. 1. 2021 – preko Semantic Scholar.

[Daley-12] Daley DO, Rapp M, Granseth E, Melén K, Drew D, von Heijne G (maj 2005). "Global topology analysis of the Escherichia coli inner membrane proteome" (PDF). Science (Report). 308 (5726): 1321–3. Bibcode:2005Sci...308.1321D. doi:10.1126/science.1109730. PMID 15919996 – preko Semantic Scholar.

[:1-13] Martin, Joseph; Sawyer, Abigail (2019). "Elucidating the Structure of Membrane Proteins". Tech News. BioTechniques (Print issue). Future Science. 66 (4): 167–170. doi:10.2144/btn-2019-0030. PMID 30987442.

[14] Carpenter EP, Beis K, Cameron AD, Iwata S (oktobar 2008). "Overcoming the challenges of membrane protein crystallography". Current Opinion in Structural Biology. 18 (5): 581–6. doi:10.1016/j.sbi.2008.07.001. PMC 2580798. PMID 18674618.

[15] Krogh A, Larsson B, von Heijne G, Sonnhammer EL (januar 2001). "Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes" (PDF). Journal of Molecular Biology. 305 (3): 567–80. doi:10.1006/jmbi.2000.4315. PMID 11152613. Arhivirano s originala (PDF), 4. 8. 2020. Pristupljeno 20. 1. 2021 – preko Semantic Scholar.

[16] Rawlings AE (juni 2016). "Membrane proteins: always an insoluble problem?". Biochemical Society Transactions. 44 (3): 790–5. doi:10.1042/BST20160025. PMC 4900757. PMID 27284043.

[17] Hochuli E, Bannwarth W, Döbeli H, Gentz R, Stüber D (novembar 1988). "Genetic Approach to Facilitate Purification of Recombinant Proteins with a Novel Metal Chelate Adsorbent". Nature Biotechnology. 6 (11): 1321–1325. doi:10.1038/nbt1188-1321.

[18] Locatelli-Hoops SC, Gorshkova I, Gawrisch K, Yeliseev AA (oktobar 2013). "Expression, surface immobilization, and characterization of functional recombinant cannabinoid receptor CB2". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. 1834 (10): 2045–56. doi:10.1016/j.bbapap.2013.06.003. PMC 3779079. PMID 23777860.

[19] Cook BL, Steuerwald D, Kaiser L, Graveland-Bikker J, Vanberghem M, Berke AP, Herlihy K, Pick H, Vogel H, Zhang S (juli 2009). "Large-scale production and study of a synthetic G protein-coupled receptor: human olfactory receptor 17-4". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (29): 11925–30. Bibcode:2009PNAS..10611925C. doi:10.1073/pnas.0811089106. PMC 2715541. PMID 19581598.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]