Perifert membranprotein - Peripheral membrane protein

Perifere membranproteiner er membranproteiner, der kun midlertidigt klæber til den biologiske membran, som de er forbundet med. Disse proteiner vedhæfter integrale membranproteiner eller trænger ind i de perifere områder af lipid -dobbeltlaget . De regulerende proteinunderenheder i mange ionkanaler og transmembranreceptorer kan f.eks. Defineres som perifere membranproteiner. I modsætning til integrale membranproteiner har perifere membranproteiner en tendens til at opsamle i den vandopløselige komponent eller fraktion af alle de proteiner, der ekstraheres under en proteinrensningsprocedure . Proteiner med GPI -ankre er en undtagelse fra denne regel og kan have rensningsegenskaber, der ligner dem for integrerede membranproteiner.

Den reversible fastgørelse af proteiner til biologiske membraner har vist sig at regulere cellesignalering og mange andre vigtige cellulære hændelser gennem en række forskellige mekanismer. For eksempel den tætte forbindelse mellem mange enzymer kan og biologiske membraner bringe dem i tæt nærhed med deres lipid substrat (s). Membranbinding kan også fremme omlejring, dissociation eller konformationsændringer inden for mange proteinstrukturdomæner, hvilket resulterer i en aktivering af deres biologiske aktivitet . Desuden er placeringen af ​​mange proteiner lokaliseret til enten de indre eller ydre overflader eller foldere af deres residente membran. Dette letter samlingen af ​​multiproteinkomplekser ved at øge sandsynligheden for passende protein-protein-interaktioner .

Skematisk fremstilling af de forskellige former for interaktion mellem monotopiske membranproteiner og cellemembranen : 1. interaktion med en amfipatisk α-helix parallelt med membranplanet (membranhelix i planet) 2. interaktion med en hydrofob sløjfe 3. interaktion med en kovalent bundet membranlipid ( lipidering ) 4. elektrostatiske eller ioniske interaktioner med membranlipider ( f.eks. gennem en calciumion)

Binding til lipid -dobbeltlaget

PH -domæne for phospholipase C delta 1. Mellemplan af lipid -dobbeltlaget - sorte prikker. Grænse for kulbrintekerneregionen - blå prikker (intracellulær side). Lag af lipidphosphater - gule prikker.

Perifere membranproteiner kan interagere med andre proteiner eller direkte med lipid -dobbeltlaget . I sidstnævnte tilfælde er de derefter kendt som amfitropiske proteiner. Nogle proteiner, såsom G-proteiner og visse proteinkinaser , interagerer samtidigt med transmembrane proteiner og lipid-dobbeltlaget. Nogle polypeptid- hormoner , antimikrobielle peptider og nervegifte akkumuleres ved membranens overflade før lokalisering og interagere med deres celleoverfladereceptoren mål, som i sig selv kan være perifere membranproteiner.

Den phospholipid dobbeltlag , der dannes celleoverflademembranen består af en hydrofob indre kerneområde indlagt mellem to områder af hydrofilicitet , en på den indre overflade og en ved den ydre overflade af cellemembranen (se lipiddobbeltlag artikel til et mere detaljeret strukturel beskrivelse af cellemembranen). De indre og ydre overflader eller grænsefladeområder af modelphospholipid -dobbeltlag har vist sig at have en tykkelse på omkring 8 til 10 Å , selvom dette kan være bredere i biologiske membraner, der omfatter store mængder gangliosider eller lipopolysaccharider . Det hydrofobe indre kerneområde for typiske biologiske membraner kan have en tykkelse på omkring 27 til 32 Å, estimeret ved lille vinkel røntgenstråling (SAXS) . Grænseområdet mellem den hydrofobe indre kerne og de hydrofile grænsefladeområder er meget snæver, omkring 3 Å, (se lipid dobbeltlagsartikel for en beskrivelse af dens kemiske bestanddele). Flytning udad væk fra den hydrofobe kerne region og ind grænseflademiddel hydrofile område, den effektive koncentration af vand ændrer sig hurtigt på tværs af denne grænselag, fra næsten nul til en koncentration på omkring 2 M . Fosfatgrupperne i phospholipid -dobbeltlag er fuldstændigt hydreret eller mættet med vand og ligger omkring 5 Å uden for grænsen af ​​det hydrofobe kerneområde.

Nogle vandopløselige proteiner forbinder lipid-dobbeltlag irreversibelt og kan danne transmembrane alfa-spiralformede eller beta-tønde kanaler. Sådanne transformationer forekommer i poredannende toksiner, såsom colicin A, alfa-hæmolysin og andre. De kan også forekomme i BcL-2-lignende protein , i nogle amfifile antimikrobielle peptider og i visse annekser . Disse proteiner beskrives sædvanligvis som perifere, da en af ​​deres konformationstilstande er vandopløselig eller kun er løst forbundet med en membran.

Membranbindingsmekanismer

Bee gift phospholipase A2 (1poc). Mellemplan af lipid -dobbeltlaget - sorte prikker. Grænse for kulbrintekerneregionen - røde prikker (ekstracellulær side). Lag af lipidphosphater - gule prikker.

Sammenslutningen af ​​et protein med et lipid -dobbeltlag kan involvere betydelige ændringer inden for et tertiært struktur af et protein. Disse kan omfatte foldning af områder af proteinstrukturen, der tidligere var udfoldet eller et omarrangement i foldningen eller en genfoldning af den membranassocierede del af proteinerne. Det kan også involvere dannelse eller dissociation af proteinkvaterære strukturer eller oligomere komplekser og specifik binding af ioner , ligander eller regulatoriske lipider .

Typiske amfitropiske proteiner skal interagere stærkt med lipid -dobbeltlaget for at udføre deres biologiske funktioner. Disse omfatter enzymatisk behandling af lipider og andre hydrofobe stoffer, membranforankring og binding og overførsel af små upolare forbindelser mellem forskellige cellemembraner. Disse proteiner kan forankres til dobbeltlaget som følge af hydrofobe interaktioner mellem dobbeltlaget og udsatte ikke-polære rester på overfladen af ​​et protein, ved specifikke ikke-kovalente bindingsinteraktioner med regulatoriske lipider eller gennem deres binding til kovalent bundne lipidankre .

Det er blevet vist, at membranbindingsaffiniteterne for mange perifere proteiner afhænger af den specifikke lipidsammensætning af membranen, som de er forbundet med.

Ikke-specifik hydrofob forening

Amfitropiske proteiner forbinder lipid -dobbeltlag via forskellige hydrofobe ankerstrukturer. Såsom amfifile a-helixer , udsatte ikke-polære sløjfer, post-translationelt acylerede eller lipiderede aminosyrerester eller acylkæder af specifikt bundne regulatoriske lipider, såsom phosphatidylinositolfosfater . Hydrofobe interaktioner har vist sig at være vigtige, selv for stærkt kationiske peptider og proteiner, såsom det polybasiske domæne af MARCKS -proteinet eller histactophilin, når deres naturlige hydrofobe ankre er til stede.

Kovalent bundne lipidankre

Lipid forankrede proteiner er kovalent bundet til forskellige fedtsyre acyl kæder på cytoplasmatiske side af cellemembranen via palmitoylering , myristoylering , eller prenylering . På cellemembranens eksoplasmiske flade er lipidforankrede proteiner kovalent knyttet til lipiderne glycosylphosphatidylinositol (GPI) og kolesterol . Proteinassociation med membraner ved brug af acylerede rester er en reversibel proces , da acylkæden kan begraves i et proteins hydrofobe bindingslomme efter dissociation fra membranen. Denne proces sker inden for beta-underenheder af G-proteiner . Måske på grund af dette yderligere behov for strukturel fleksibilitet er lipidankre normalt bundet til de meget fleksible segmenter af proteiner tertiær struktur, der ikke er godt løst ved proteinkrystallografiske undersøgelser .

Specifik protein -lipidbinding

P40phox PX domæne for NADPH oxidase Mellemplan af lipid dobbeltlaget - sorte prikker. Grænse for kulbrintekerneregionen - blå prikker (intracellulær side). Lag af lipidphosphater - gule prikker.

Nogle cytosoliske proteiner rekrutteres til forskellige cellemembraner ved at genkende visse typer lipider, der findes i en given membran. Binding af et protein til et specifikt lipid sker via specifikke membranmålrettede strukturelle domæner, der forekommer i proteinet og har specifikke bindingslommer til lipidhovedgrupperne i lipiderne, hvortil de binder. Dette er et typisk biokemisk protein- ligand interaktion og stabiliseres ved dannelse af intermolekylære hydrogenbindinger , van der Waals-interaktioner og hydrofobe interaktioner mellem proteinet og lipid ligand . Sådanne komplekser stabiliseres også ved dannelsen af ​​ioniske broer mellem aspartat- eller glutamatresterne af proteinet og lipidphosphater via mellemliggende calciumioner (Ca 2+ ). Sådanne ioniske broer kan forekomme og er stabile, når ioner (såsom Ca2 + ) allerede er bundet til et protein i opløsning, inden lipidbinding. Dannelsen af ​​ioniske broer ses i protein -lipid -interaktionen mellem både proteiner af C2 -type og annexiner .

Elektrostatiske interaktioner mellem protein og lipid

Ethvert positivt ladet protein vil blive tiltrukket af en negativt ladet membran ved uspecifikke elektrostatiske interaktioner. Imidlertid er ikke alle perifere peptider og proteiner kationiske, og kun visse sider af membranen er negativt ladede. Disse omfatter den cytoplasmatiske side af plasmamembraner , den ydre folder af ydre bakteriemembraner og mitokondriemembraner . Derfor spiller elektrostatiske interaktioner en vigtig rolle i membranmålretning af elektronbærere såsom cytochrom c , kationiske toksiner såsom charybdotoxin og specifikke membranmålrettede domæner, såsom nogle PH-domæner , C1-domæner og C2-domæner .

Elektrostatiske interaktioner er stærkt afhængige af opløsningens ionstyrke . Disse interaktioner er relativt svage ved den fysiologiske ionstyrke ( 0,14 M NaCl ): ~ 3 til 4 kcal/mol for små kationiske proteiner, såsom cytochrom c , charybdotoxin eller hisactophilin .

Rumlig position i membranen

Orienteringer og indtrængningsdybder af mange amphitropic proteiner og peptider i membraner er undersøgt ved anvendelse af steddirigeret spin-mærkning , kemisk mærkning, måling af membran bindingsaffiniteter af protein mutanter , fluorescens spektroskopi, opløsning eller faststof- NMR-spektroskopi , ATR FTIR spektroskopi , X- stråle- eller neutrondiffraktion og beregningsmetoder.

To forskellige membranassociationsmåder for proteiner er blevet identificeret. Typiske vandopløselige proteiner har ingen udsatte ikke-polære rester eller andre hydrofobe ankre. Derfor forbliver de fuldstændigt i vandig opløsning og trænger ikke ind i lipid -dobbeltlaget, hvilket ville være energisk dyrt. Sådanne proteiner interagerer kun elektrostatisk med dobbeltlag, f.eks. Interagerer ribonuklease og poly-lysin med membraner i denne tilstand. Imidlertid har typiske amfitropiske proteiner forskellige hydrofobe ankre, der trænger ind i grænsefladeområdet og når membranets carbonhydridinteriør. Sådanne proteiner "deformerer" lipid-dobbeltlaget og reducerer temperaturen af ​​lipidvæske-gelovergang. Bindingen er normalt en stærkt eksoterm reaktion. Forening af amfifile α-helixer med membraner sker på samme måde. Egentligt ustrukturerede eller udfoldede peptider med upolære rester eller lipidankre kan også trænge ind i membranens grænsefladeområde og nå carbonhydridkernen, især når sådanne peptider er kationiske og interagerer med negativt ladede membraner.

Kategorier

Enzymer

Perifere enzymer deltager i metabolismen af forskellige membrankomponenter, såsom lipider ( phospholipaser og cholesteroloxidaser ), cellevægs -oligosaccharider ( glycosyltransferase og transglycosidaser ) eller proteiner ( signalpeptidase og palmitoylproteintioesteraser ). Lipaser kan også fordøje lipider, der danner miceller eller upolare dråber i vand.

Klasse Fungere Fysiologi Struktur
Alpha/beta hydrolase fold Katalyserer hydrolysen af kemiske bindinger. Indbefatter bakteriel , fungal , gastriske og pancreatiske lipaser , palmitoyl- protein thioesteraser , cutinase , og cholinesteraser
Phospholipase A2 (sekretorisk og cytosolisk) Hydrolyse af sn-2 fedtsyrebinding af phospholipider . Lipidfordøjelse, membranforstyrrelse og lipidsignalering .
Phospholipase C Hydrolyserer PIP2, et phosphatidylinositol , til to andet besked, inositoltriphosphat og diacylglycerol . Lipidsignalering
Kolesteroloxidaser Oxiderer og isomeriserer kolesterol til cholest-4-en-3-one. Tømmer cellemembraner for kolesterol, der bruges i bakteriel patogenese .
Carotenoid oxygenase Kløver carotenoider . Carotenoider fungerer i både planter og dyr som hormoner (inkluderer A -vitamin hos mennesker), pigmenter , smagsstoffer , blomsterdufte og forsvarsforbindelser.
Lipoxygenaser Jern holdig enzymer, der katalyserer den dioxygenation af polyumættede fedtsyrer . Hos dyr er lipoxygenaser involveret i syntesen af inflammatoriske mediatorer kendt som leukotriener .
Alpha toksiner Spalte phospholipider i cellemembranen, svarende til Phospholipase C. Bakteriel patogenese, især af Clostridium perfringens .
Sphingomyelinase C En phosphodiesterase , spalter phosphodiesterbindinger. Behandling af lipider såsom sphingomyelin .
Glycosyltransferaser : MurG og transglycosidaser Katalyserer overførslen af ​​sukkerdele fra aktiverede donormolekyler til specifikke acceptormolekyler og danner glycosidbindinger . Biosyntese af disaccharider , oligosaccharider og polysaccharider (glycoconjugates), MurG er involveret i bakteriel peptidoglycan biosyntese.
Ferrochelatase Konverterer protoporphyrin IX til hæm . Involveret i porphyrin metabolisme, protoporphyriner anvendes til at styrke æggeskaller .
Myotubularin-relateret proteinfamilie Lipid phosphatase der dephosphorylerer PtdIns3P og Ptdlns (3,5) P2 . Påkrævet for differentiering af muskelceller .
Dihydroorotat dehydrogenaser Oxidation af dihydroorotat (DHO) til orotat. Biosyntese af pyrimidin -nukleotider i prokaryote og eukaryote celler.
Glykolatoxidase Katalyserer oxidationen af α- hydroxysyrer til de tilsvarende α- ketosyrer . I grønne planter deltager enzymet i fotorespiration . Hos dyr deltager enzymet i produktionen af oxalat .

Membranmålrettede domæner (“lipidklemmer”)

C1-domæne for PKC-delta (1ptr) Mellemplan af lipid-dobbeltlaget-sorte prikker. Grænse for kulbrintekerneregionen - blå prikker (cytoplasmatisk side). Lag af lipidphosphater - gule prikker.

Membranmålrettede domæner associerer specifikt med hovedgrupper af deres lipidligander indlejret i membranen. Disse lipidligander er til stede i forskellige koncentrationer i forskellige typer biologiske membraner (f.eks. Findes PtdIns3P hovedsageligt i membraner fra tidlige endosomer , PtdIns (3,5) P2 i sene endosomer og PtdIns4P i Golgi ). Derfor er hvert domæne målrettet mod en bestemt membran.

Strukturelle domæner

Strukturelle domæner formidler vedhæftning af andre proteiner til membraner. Deres binding til membraner kan medieres af calciumioner (Ca 2+ ), der danner broer mellem de sure proteinerester og fosfatgrupper af lipider, som i annexiner eller GLA -domæner.

Klasse Fungere Fysiologi Struktur
Annexins Calciumafhængig intracellulær membran/ phospholipidbinding . Funktioner omfatter blærehandel , membransmeltning og dannelse af ionkanaler .
Synapsin I Dækker synaptiske vesikler og binder sig til flere cytoskeletale elementer. Funktioner i reguleringen af neurotransmitterfrigivelse .
Synuclein Ukendt mobilfunktion. Tænkte at spille en rolle i reguleringen af ​​stabiliteten og/eller omsætningen af plasmamembranen . Forbundet med både Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom .
GLA-domæner i koagulationssystemet Gamma-carboxyglutamat (GLA) domæner er ansvarlige for højaffinitetsbindingen af ​​calciumioner. Involveret i funktion af koagulationsfaktorer i blodkoagulationskaskaden.
Spectrin og α- actinin -2 Findes i flere cytoskeletale og mikrofilamentproteiner . Vedligeholdelse af plasmamembranintegritet og cytoskeletal struktur.

Transportører af små hydrofobe molekyler

Disse perifere proteiner fungerer som bærere af ikke-polære forbindelser mellem forskellige typer cellemembraner eller mellem membraner og cytosoliske proteinkomplekser. De transporterede stoffer er phosphatidylinositol, tocopherol, gangliosider, glycolipider, sterolderivater, retinol, fedtsyrer, vand, makromolekyler, røde blodlegemer, phospholipider og nukleotider.

Elektronbærere

Disse proteiner er involveret i elektrontransportkæder . De inkluderer cytochrom c , cupredoxiner , højt potentiale jernprotein , adrenodoxin reduktase, nogle flavoproteiner og andre.

Polypeptidhormoner, toksiner og antimikrobielle peptider

Mange hormoner, toksiner , hæmmere eller antimikrobielle peptider interagerer specifikt med transmembrane proteinkomplekser . De kan også akkumulere ved lipid -dobbeltlagsoverfladen, før de binder deres proteindoel. Sådanne polypeptidligander er ofte positivt ladede og interagerer elektrostatisk med anioniske membraner.

Nogle vandopløselige proteiner og peptider kan også danne transmembrankanaler . De gennemgår normalt oligomerisering , betydelige konformationsændringer og associeres med membraner irreversibelt. 3D-struktur af en sådan transmembrankanal, a-hæmolysin , er blevet bestemt. I andre tilfælde repræsenterer den eksperimentelle struktur en vandopløselig konformation, der interagerer med lipid-dobbeltlaget perifert, selvom nogle af de kanaldannende peptider er temmelig hydrofobe og derfor blev undersøgt ved NMR-spektroskopi i organiske opløsningsmidler eller i nærvær af miceller .

Klasse Proteiner Fysiologi
Gift giftstoffer Kendte typer af biotoksiner omfatter neurotoksiner , cytotoksiner , hæmotoksiner og nekrotoksiner . Biotoksiner har to primære funktioner: predation ( slange , skorpion og keglesnegletoksiner ) og forsvar ( honningbier og myretoksiner ).
Søanemone toksiner Hæmning af natrium- og kaliumkanaler og dannelse af membranporer er de primære handlinger for over 40 kendte havanemonpeptid toksiner. Søanemoner er kødædende dyr og bruger toksiner i predation og forsvar; anemontoksin har lignende toksicitet som de mest giftige kemiske krigsførelsesmidler fra organophosphat .
Bakterielle toksiner Mikrobielle toksiner er de primære virulensfaktorer for en række patogene bakterier. Nogle toksiner er poredannende toksiner, der lyserer cellemembraner. Andre toksiner hæmmer proteinsyntese eller aktiverer anden messenger -veje, der forårsager dramatiske ændringer i signaltransduktionsveje, der er kritiske for at opretholde en række cellulære funktioner. Adskillige bakterielle toksiner kan virke direkte på immunsystemet , ved at fungere som superantigener og forårsager massiv T-celle proliferation , som overextends immunsystemet. Botulinumtoksin er et neurotoksin, der forhindrer neurosekretoriske vesikler i at lægge til/fusionere med nervesynapsen plasmamembranen og hæmme frigivelse af neurotransmitter .
Fungal toksiner Disse peptider er kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​en usædvanlig aminosyre, α-aminoisobutyric acid , og udviser antibiotiske og svampedræbende egenskaber på grund af deres membrankanaldannende aktiviteter.
Antimikrobielle peptider De virkningsmåder, hvormed antimikrobielle peptider dræber bakterier, er varierede og omfatter forstyrrelse af membraner, forstyrrelse af metabolisme og målretning af cytoplasmiske komponenter. I modsætning til mange konventionelle antibiotika ser disse peptider ud til at være bakteriocide i stedet for bakteriostatiske .
Defensins Defensiner er en type antimikrobielt peptid; og er en vigtig komponent i stort set alle medfødte værtsforsvar mod mikrobiel invasion. Defensiner trænger ind i mikrobielle cellemembraner ved hjælp af elektrisk tiltrækning og danner en pore i membranen, der tillader udstrømning, hvilket i sidste ende fører til lyse af mikroorganismer.
Neuronale peptider Disse proteiner ophidser neuroner, fremkalder adfærdsmæssige reaktioner, er kraftige vasodilatatorer og er ansvarlige for sammentrækning i mange typer glatte muskler .
apoptose regulatorer Medlemmer af Bcl-2-familien styrer den mitokondriale ydre membranpermeabilitet. Bcl-2 undertrykker selv apoptose i en række celletyper, herunder lymfocytter og neuronale celler .

Se også

Referencer

Generelle referencer

eksterne links