Кіріспе

Биологиялық мембрана арқылы өтетін ақуыз. Трансмембраналық ақуыз – жасуша мембранасының бүкіл қалыңдығын қамтитын интегралды мембраналық ақуыздың бір түрі. Көптеген трансмембраналық ақуыздар мембрана арқылы белгілі бір заттардың тасымалдануына мүмкіндік беретін қақпа ретінде қызмет етеді. Олар көбінесе затты мембрана арқылы өткізу үшін маңызды конформациялық өзгерістерге ұшырайды. Әдетте, олар суға нашар ерігіш, суда жиналып, шөкпеге түседі. Оларды алу үшін жуғыш заттар немесе полярлы емес еріткіштер қажет, бірақ олардың кейбіреулерін (бета-цилиндрлерді) денатурациялайтын заттарды қолдану арқылы да алуға болады. Мембрана арқылы өтетін, немесе трансмембраналық сегмент деп аталатын пептидтік тізбек негізінен гидрофобты болып келеді және гидропатиялық график арқылы визуализациялануы мүмкін. Трансмембраналық сегменттердің санына байланысты трансмембраналық ақуыздар бір рет мембранадан өтетін немесе бірнеше рет мембранадан өтетін ақуыздар деп жіктеледі. Кейбір басқа интегралды мембраналық ақуыздар монотоптық деп аталады, яғни олар да мембранаға бекініп тұрады, бірақ онымен толық өтпейді.

Құрылымы бойынша жіктеу

Транмембраналық ақуыздардың екі негізгі түрі бар: альфа-спиральді және бета-баррельді. Альфа-спиральді ақуыздар бактериялық жасушалардың ішкі мембранасында немесе эукариоттық жасушалардың плазмалық мембранасында, кейде бактериялық сыртқы мембранада кездеседі. Бұл трансмембраналық ақуыздардың басты санаты. Адамдағы барлық ақуыздардың шамамен 27%-ы альфа-спиральді мембраналық ақуыздар болып бағаланады. Бета-баррельді ақуыздар қазірге дейін тек грам-теріс бактериялардың сыртқы мембраналарында, грам-оң бактериялардың жасуша қабырғаларында, митохондриялар мен хлоропластардың сыртқы мембраналарында табылған, немесе тесіктер құратын токсиндер ретінде шығарылады. Барлық бета-баррельді трансмембраналық ақуыздардың ең қарапайым жоғары-төмен топологиясы бар, бұл олардың ортақ эволюциялық тегі мен ұқсас бүктелу механизмінен туындаған болуы мүмкін. Ақуыз домендерінен басқа, пептидтерден құралған ерекше трансмембраналық элементтер де бар. Типтік мысал – грамицидин А, димерлі трансмембраналық β-спираль құрайтын пептид. Бұл пептид грам-оң бактериялармен антибиотик ретінде бөлінеді. Табиғи ақуыздарда трансмембраналық полипролин II спиралі туралы мәліметтер жоқ. Дегенмен, бұл құрылым арнайы жасалған жасанды пептидтерде тәжірибелік түрде байқалған.

Топология бойынша жіктеу

Бұл жіктеу липидтік екі қабаттың әртүрлі жақтарындағы N және C терминальдерінің орналасуына қатысты. I, II, III және IV типтер – бір рет өтетін молекулалар. I типті трансмембраналық ақуыздар липид мембранасына тоқтату трансферлік тізбекпен бекітіледі және олардың N терминалды домендері синтез кезінде эндоплазмалық ретикулумға (ER) бағытталады (және егер пісіп жетілген формалары жасушалық мембраналарда орналасқан болса, жасуша сырты кеңістігіне). II және III типтер сигнал тізбегімен бекітіледі, II типті C терминалды доменімен ER люменіне бағытталады, ал III типтегі N терминалды домендері ER люменіне бағытталады. IV тип IV А түріне – цитозолға бағытталған N терминалды домендері бар, және IV В түріне – N терминалды домені люменге бағытталған болып бөлінеді. Төрт типке бөлудің маңызы, әсіресе транслокация және ER-ге байланысты трансляция кезінде көрінеді, онда ақуыз ER мембранасынан түрге қарай бағытталған күйде өтуі керек.

3D құрылым

Мембраналық белоктардың құрылымын рентгендік кристаллография, электронды микроскопия немесе ЯМР спектроскопиясы арқылы анықтауға болады. Бұл белоктардың ең көп кездесетін үшіншілік құрылымдары – трансмембраналық спиральді жиынтық және бета-цилиндр. Липидтік екі қабатқа бекітілген мембраналық белоктардың бөлігі (түсті липидтік қабыққа қараңыз) көбінесе гидрофобты аминқышқылдарынан тұрады. Гидрофобты беттері бар мембраналық белоктар салыстырмалы түрде икемді және салыстырмалы түрде төмен деңгейде өрбуі мүмкін. Бұл жеткілікті мөлшерде белок алу және кристалл өсіруде қиындықтар тудырады. Сондықтан, мембраналық белоктардың маңызды функционалдық рөліне қарамастан, олардың атомдық деңгейдегі құрылымын анықтау, шар тәрізді белоктарға қарағанда қиынырақ. 2013 жылғы қаңтарға дейін анықталған белок құрылымдарының 0,1% азын мембраналық белоктар құрады, бірақ олардың жалпы протеомдағы үлесі 20-30% шамасында. Осы қиындықтар мен осы белоктар класының маңыздылығын ескере отырып, гидропатиялық графиктерге, «ішкі оң» қағидасына және басқа да әдістерге негізделген белок құрылымын болжау әдістері әзірленді.

Альфа-һелицидті трансмембраналық ақуыздардың тұрақтылығы

Трансмембраналық альфа-спиральді (α-спиральді) белоктар термиялық денатурация зерттеулеріне сүйенсек, ерекше тұрақты, себебі олар мембраналар ішінде толық ашылмайды (толық ашылуы поляр емес ортада тым көп α-спиральді H байланыстарын бұзуды қажет етеді). Дегенмен, бұл белоктар мембраналардағы бөгде агрегация, балқыған глобулалық күйге өту, бөгде дисульфидтік байланыстардың қалыптасуы немесе шеткі аймақтардың және жергілікті тұрақсыздыққа ие циклдардың ашылуы салдарынан оңай қате бүктеледі. Сондай-ақ, ашылған күйді дұрыс анықтау маңызды. Детергенттік мицеллалардағы мембраналық ақуыздардың ашылған күйі термиялық денатурациялау тәжірибелеріндегі күйден өзгеше. Бұл күй бүлінген гидрофобты α-спиральдар мен детергентпен жабылған жартылай бүлінген сегменттердің комбинациясын көрсетеді. Мысалы, SDS мицелласындағы "ашылған" бактериородопсиннің төрт трансмембраналық α-спиралі бүлінген, ал белоктың қалған бөлігі мицелланың су интерфейсінде орналасқан және әртүрлі бөгде амфифильді құрылымдарды қабылдауы мүмкін. Мұндай детергентпен денатурацияланған және табиғи күйлер арасындағы еркін энергия айырмашылығы суға ерігіш ақуыздардың тұрақтылығына ұқсас (< 10 ккал/моль).

α-һелицидті трансмембраналық ақуыздардың бүлінуі

Альфа спиральді трансмембраналық белоктарды in vitro жағдайында қайта бүктеу техникалық тұрғыдан қиын. Бактериородопсин мысалындағыдай, сәтті қайта бүктеу тәжірибелерінің саны салыстырмалы түрде аз. In vivo жағдайында, мұндай барлық белоктар әдетте үлкен трансмембраналық транслокон ішінде котрансляциялық түрде бүктеледі. Транслокон арнасы жаңа пайда болған трансмембраналық альфа спиральдер үшін өте әртүрлі ортаны қамтамасыз етеді. Полярлы амфифильді альфа спираль, өзінің полярлы қалдықтары транслоконның орталық, сумен толған арнасына қаратылуы мүмкін болғандықтан, транслокон ішінде трансмембраналық бағдар ала алады (дегенмен, in vitro жағдайында ол мембрана бетінде немесе бүлінбеген күйде болар еді). Мұндай механизм полярлы альфа спиральдерді трансмембраналық белоктардың құрылымына енгізу үшін қажет. Амфифильді спиральдер белок толығымен синтезделіп, бүктелуіне дейін транслоконға бекітіліп тұрады. Егер белок тым ұзақ уақыт бойы транслоконға жабысып қалса, онда ол арнайы "сапаны бақылау" жасушалық жүйелерімен ыдырайды.

Бета-барельді трансмембраналық ақуыздардың тұрақтылығы мен бүлінуі

Бета-бөшкелі (β-бөшкелі) трансмембраналық ақуыздардың тұрақтылығы химиялық денатурация зерттеулеріне сүйенгенде, суға ерігіш ақуыздардың тұрақтылығымен ұқсас. Олардың кейбіреулері тіпті хаотроптық заттар мен жоғары температурада да өте тұрақты болады. Олардың тірі организмде (in vivo) бүктелуіне Skp ақуызы сияқты суға ерігіш шаперондар көмектеседі. β-бөшкелі мембраналық ақуыздардың бір түбіртекten шыққандығы айтылады, тіпті эволюция барысында қосылған немесе екі еселенген әртүрлі қабаттар санына қарамастан. Кейбір зерттеулер әртүрлі организмдер арасындағы үлкен тізбек сақталуын, сондай-ақ құрылымды ұстап тұратын және бүктелуге көмектесетін сақталған аминқышқылдарын көрсетеді.