Введение
Белок, пронизывающий биологическую мембрану.
Трансмембранный белок – это тип интегрального мембранного белка, который охватывает всю клеточную мембрану. Многие трансмембранные белки функционируют как ворота, обеспечивая транспорт специфических веществ через мембрану. Они часто претерпевают значительные конформационные изменения для перемещения вещества через мембрану. Обычно они обладают высокой гидрофобностью и агрегируют и осаждаются в воде. Для их извлечения требуются детергенты или неполярные растворители, хотя некоторые из них (бета-баррели) также могут быть извлечены с использованием денатурирующих агентов. Пептидная последовательность, пронизывающая мембрану, или трансмембранный сегмент, в основном гидрофобна и может быть визуализирована с помощью графика гидрофобности. В зависимости от числа трансмембранных сегментов, трансмембранные белки могут быть классифицированы как однократно проходящие через мембрану, или как многократно проходящие через мембрану. Некоторые другие интегральные мембранные белки называются монотопными, что означает, что они также постоянно прикреплены к мембране, но не пронизывают ее насквозь.
Классификация по структуре
Существует два основных типа трансмембранных белков: альфа-спиральные и бета-баррельные. Альфа-спиральные белки обнаружены во внутренних мембранах бактериальных клеток или плазматической мембране эукариотических клеток, а также иногда во внешней мембране бактерий. Это наиболее распространенная категория трансмембранных белков. По оценкам, у человека 27% всех белков являются альфа-спиральными мембранными белками. Бета-баррельные белки на данный момент встречаются только во внешних мембранах грамотрицательных бактерий, клеточных стенках грамположительных бактерий, внешних мембранах митохондрий и хлоропластов, либо могут выделяться в виде токсинов, формирующих поры. Все бета-баррельные трансмембранные белки имеют простейшую "вверх-вниз" топологию, что может отражать их общее эволюционное происхождение и схожий механизм сворачивания. Помимо белковых доменов, существуют необычные трансмембранные элементы, формируемые пептидами. Типичным примером является грамицидин А – пептид, образующий димерную трансмембранную β-спираль. Этот пептид секретируется грамположительными бактериями как антибиотик. Трансмембранная полипролиновая спираль II не была обнаружена в природных белках. Однако эта структура была экспериментально зафиксирована в специально сконструированных искусственных пептидах.
Классификация по топологии
Эта классификация относится к положению N- и C-концов белка на противоположных сторонах липидного бислоя. Типы I, II, III и IV представляют собой белки, проходящие через мембрану один раз. Трансмембранные белки типа I закрепляются в липидной мембране с помощью стоп-трансферной якорной последовательности, а их N-концевые домены направляются в просвет эндоплазматического ретикулума (ЭР) во время синтеза (и во внеклеточное пространство, если зрелые формы находятся на клеточных мембранах). Типы II и III закрепляются с помощью сигнальной якорной последовательности, при этом тип II направляет свой C-концевой домен в просвет ЭР, а тип III – свой N-концевой домен. Тип IV подразделяется на IV A, с N-концевыми доменами, направленными в цитозоль, и IV B, с N-концевым доменом, направленным в просвет. Значение разделения на четыре типа особенно проявляется во время транслокации и трансляции, связанной с ЭР, когда белок должен проходить через мембрану ЭР в направлении, зависящем от его типа.
3D структура
Структуры мембранных белков могут быть определены с помощью рентгеновской кристаллографии, электронной микроскопии или ЯМР-спектроскопии. Наиболее распространенными третичными структурами этих белков являются пучок трансмембранных спиралей и бета-баррель. Часть мембранных белков, прикрепленная к липидному бислою (см. кольцевую липидную оболочку), состоит в основном из гидрофобных аминокислот. Мембранные белки с гидрофобными поверхностями относительно гибки и экспрессируются на относительно низком уровне. Это создает трудности в получении достаточного количества белка и последующем выращивании кристаллов. Таким образом, несмотря на значительную функциональную важность мембранных белков, определение структур с атомным разрешением для этих белков сложнее, чем для глобулярных белков. По состоянию на январь 2013 года менее 0,1% определенных белковых структур приходилось на мембранные белки, хотя они составляют 20–30% от общего протеома. В связи с этой сложностью и важностью данного класса белков были разработаны методы предсказания структуры белков на основе гидропатических профилей, правила "положительно внутри" и других методов.
Стабильность альфа-хеликовых трансмембранных белков
Трансмембранные альфа-спиральные (α-спиральные) белки, судя по исследованиям термической денатурации, проявляют необычную стабильность, поскольку они не разворачиваются полностью внутри мембран (полное разворачивание потребовало бы разрыва слишком большого числа α-спиральных водородных связей в неполярной среде). С другой стороны, эти белки легко подвергаются неправильной укладке из-за неродственного агрегирования в мембранах, перехода в состояние «расплавленного глобула», образования неродственных дисульфидных связей или разворачивания периферических участков и нерегулярных петель, которые локально менее стабильны. Важно также правильно определить развернутое состояние. Развернутое состояние мембранных белков в мицеллах детергентов отличается от состояния, наблюдаемого в экспериментах по термической денатурации. Это состояние представляет собой комбинацию сложенных гидрофобных α-спиралей и частично развернутых сегментов, покрытых детергентом. Например, «развернутый» бактериородопсин в мицеллах SDS сохраняет четыре трансмембранные α-спирали в сложенном состоянии, в то время как остальная часть белка находится на водном интерфейсе мицеллы и может принимать различные типы неродственных амфифильных структур. Разница свободной энергии между такими состояниями, денатурированными детергентом и нативными, сопоставима со стабильностью водорастворимых белков (< 10 ккал/моль).
Сгибание α-спиральных трансмембранных белков
Пересборка α-спиральных трансмембранных белков in vitro технически сложна. Существует относительно немного примеров успешного пересбора, как в случае с бактериородопсином. In vivo все такие белки обычно сворачиваются ко-трансляционно внутри крупного трансмембранного транслокона. Канал транслокона обеспечивает высокогетерогенную среду для формирующихся трансмембранных α-спиралей. Относительно полярная амфифильная α-спираль может принять трансмембранную ориентацию в транслоконе (хотя in vitro она будет находиться на поверхности мембраны или оставаться развернутой), поскольку ее полярные остатки могут быть обращены к центральному водному каналу транслокона. Такой механизм необходим для включения полярных α-спиралей в структуру трансмембранных белков. Амфифильные спирали остаются прикрепленными к транслокону до полного синтеза и сворачивания белка. Если белок остается развернутым и прикрепленным к транслокону слишком долго, он подвергается деградации посредством специфических клеточных систем контроля качества.
Стабильность и сгибание бета-баррельных трансмембранных белков
Стабильность бета-баррельных (β-баррельных) трансмембранных белков сопоставима со стабильностью водорастворимых белков, что подтверждается исследованиями химической денатурации. Некоторые из них обладают высокой стабильностью даже в хаотропных агентах и при высоких температурах. Их сворачивание in vivo облегчается водорастворимыми шаперонами, такими как белок Skp. Предполагается, что бета-баррельные мембранные белки произошли от общего предка, несмотря на различное количество листов, которое могло быть добавлено или удвоено в ходе эволюции. Некоторые исследования демонстрируют высокую степень консервации последовательности аминокислот у разных организмов, а также наличие консервативных аминокислотных остатков, поддерживающих структуру и способствующих правильному сворачиванию.