跨膜蛋白

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跨膜蛋白(transmembrane protein,TP)是一種貫穿生物膜兩端的蛋白。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並沉澱。大多數跨膜蛋白要用去污劑或非極性溶劑提取,少數貝塔-折筒狀蛋白也可以用某些變性劑提取。

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]

目錄

類型

跨膜蛋白有兩種基本類型:[2]

  1. α-螺旋:這種蛋白存在於細菌細胞的內膜或真核細胞的質膜,也有時存在於真核細胞的外膜。[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、以及粒線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,並且,其N-末端結構域在合成時瞄準於ER腔(內質網腔,並且,如果成熟形式是位於質膜上,則N-末端結構域則瞄準於細胞外間隙。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於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。

熱力學穩定性和摺疊

α-螺旋跨膜蛋白的穩定性

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摺疊(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「錯摺疊」,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摺疊,這些解使局部穩定性降低。。

恰當地定義「解摺疊態」也很重要。在去污劑膠束中的膜蛋白的「解摺疊態」不同於熱變性實驗中的「解摺疊態」。在去污劑中的狀態代表了摺疊的疏水α-螺旋和去污劑覆蓋的部分解摺疊片段。例如,在十二烷基磺酸鈉(SDS)膠束中的「解摺疊」的細菌視紫紅質有四個摺疊的跨膜α-螺旋,而其餘的蛋白則位於膠束-水界面並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於水溶性蛋白的穩定性(< 10 kcal/mol)。

α-螺旋跨膜蛋白的摺疊

α-螺旋跨膜蛋白在體外(in vitro)的再摺疊在技術上是困難的。有相對較少的成功再摺疊實驗的例子,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)中翻譯摺疊的。易位子通道對新生的跨膜α-螺旋提供了一種高度異質的環境。相對極性的兩性α-螺旋可以接受在易位子中的跨膜定向(儘管它可能是在膜表面或「在體外」解摺疊),因為它的極性殘基可以面對中心充水的易位子通道。這樣的機制對於將極性的α-螺旋結合到跨膜蛋白的結構中是必需的。如果蛋白保持解摺疊和附著在易位子上的時間太長,它會被專門的「質量控制」細胞體系所降解。

β-筒狀蛋白的穩定性和摺疊

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」的摺疊被水溶性分子伴侶如,蛋白Skp[1]所易化。

三維(3D)結構

光吸收驅動的轉運蛋白

氧化還原驅動的轉運蛋白

電化學勢驅動的轉運蛋白

P-P-鍵水解驅動的轉運蛋白

轉運子(單一轉運子,協同轉運子,反向轉運子)

阿拉發-螺旋通道包括離子通道

帶阿拉發-螺旋跨膜錨定的蛋白

酶類

帶阿拉發-螺旋跨膜錨定的蛋白

由單肽鏈組成的β-筒狀蛋白

[51]. 它們包括,:

注釋:nS分別代表貝塔摺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

參考文獻

  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. 

參見

Transporter Classification database

參考來源

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