膜蛋白详细介绍
膜蛋白是与细胞区室或细胞器的细胞膜相关或附着的蛋白质。它们代表了最大和最重要的蛋白质类别之一,可以分为外周或整体。
在过去的几十年里,已知的人类蛋白质编码基因的数量总是略有变化,但近年来,绝对数量围绕着20.000个基因(Piovesan,Antonaros和Vitale)旋转。 这些蛋白质中约有三分之一是分泌蛋白或膜结合蛋白,虽然这是整个蛋白质组的重要组成部分,但其中只有少数在结构上是已知的。由于所有获批的疗法中约有一半靶向膜蛋白,解析这些治疗相关膜蛋白的结构非常有利于未来的药物设计。
膜蛋白质组和分泌组被认为是最大和最重要的蛋白质类别之一。膜蛋白被定义为与细胞膜或细胞内细胞器相关或附着的蛋白质。它们分为外周蛋白和整体蛋白。外周膜蛋白是 时间上 与脂质双层相关,但不能全部跨越膜。通过外周区域的穿孔或与整合膜蛋白偶联来实现对脂质双层的附着(参见 图3,B&C).这些完整的蛋白质嵌入,跨越整个脂质双层,并包含位于膜内的疏水性α-螺旋或β-桶结构。根据它们的细胞功能,它们可以进一步细分为受体或通道等组。
与亲水性细胞外和细胞内结构域一起,大多数膜蛋白表现出两亲性特征。两亲性特征还产生了一种特征,通过该特征通常可以识别完整的膜蛋白。这是由于它们的一级结构在其线性序列中含有19-23个疏水氨基酸,需要跨越膜的疏水内部。带有指向桶外部的疏水残基的β桶也可以作为膜蛋白的良好指标。
在许多生理和病理过程中,试剂、转录因子、蛋白质或离子需要通过膜屏障。如果成功,它们会触发信号通路,发送生长和凝血因子或传递无法穿过脂质双层的蛋白质信号,如细胞因子。因此,膜蛋白位于许多细胞过程的一个非常重要的交叉点。
为此,膜蛋白接管了许多关键功能,例如蛋白质和离子通过特殊通道的运输或许多生物体内的信号转导。它们还负责细胞间连接或细胞间识别,使细胞之间的快速通信和外来细胞的有效识别,这对免疫系统至关重要。
分类 和 功能
目前,TCDB(转运体分类数据库)列出了92个超家族,其中有1600多个转运蛋白家族。由于数量庞大,我们只想在下面对这些传输器类进行一个小的概述:
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ABC-转运车
ATP结合盒转运蛋白超家族是最大的基因家族之一。在大多数情况下,它们由多个亚基组成,分为疏水跨膜结构域和亲水膜相关ATP酶。作为分子泵,它们利用ATP水解的能量在细胞膜上移动各种溶质(Jones和George,2002)。
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离子通道
造孔蛋白促进离子流过细胞膜。根据类型进行细分,通过分类为门控机制,按离子类型或细胞定位进行细分。第一组中类型是电压门控离子通道,例如许多Na+, K+, 或 CA2+ 渠道。从生物学上讲,它们是神经系统的关键组成部分。同样,它们参与肌肉收缩或T细胞活化也同样重要。
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膜结合ATP酶
顾名思义,ATP酶超家族利用ATP来执行其功能。它们分为 F、V 和 P 型 ATP 酶。F型和V型ATP酶被归类为旋转ATP酶,而P型ATP酶利用ATP水解释放的自由能驱动其构象变化(Palmgren和Nissen,2011;Pizzagalli, Bensimon, and Superti-Furga, 2020)。一种ATP酶是Na+/K+-交换剂,根据其浓度梯度泵送钠和钾,以维持细胞膜电位。
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SLC-转运车
溶质载体蛋白是转运蛋白的超家族,通过膜转移多种溶质。这些包括糖、氨基酸、维生素或金属等分子(Hediger 等。, 2013).因此,它们是进入或离开细胞的主要调节剂之一,许多生理和细胞过程都依赖于它们(Pizzagalli、Bensimon 和 Superti-Furga,2020 年)。
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水道
水通道蛋白或水通道促进水流过膜。因此,它们在维持水平衡方面发挥着基本作用。
功能
但是,运输体类不仅表现出高度的多样性,而且不同类的功能也不可否认地复杂。但是,六个最重要的主要功能特别值得注意:
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酶活性 – 各种代谢途径的代谢物和底物的加工
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信号转导 – 化学信使与膜蛋白结合位点相互作用以发出信号
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传输(主动/被动) – 在不同的细胞膜上移动分子和其他物质
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细胞间识别 – 细胞之间的识别,即与免疫系统相关的细胞
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细胞间连接 – 不同的结点,如间隙或紧密结连接相邻的电池
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锚固/附件 – 对细胞骨架网络、蛋白质位置和某些形状的维持很重要
组成、结构和 配置
膜蛋白的组成和性情各不相同。因此,不同比例的α-螺旋或β-桶结构将导致这些蛋白质的不同配置。在结构上,膜蛋白通常是两亲性的,具有亲水和疏水部分。
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单主题 整体蛋白附着在膜双层的一侧。相互作用类型涉及例如平行于膜平面的两亲性α螺旋(参见 图11)或几个疏水环将蛋白质整体锚定。
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双位 整体蛋白仅跨越脂质双层一次。典型的双位结构由跨膜结构域和两个细胞结构域(额外和内部)组成。
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多主题 跨膜蛋白不止一次跨越脂质双层。跨膜结构域中α-螺旋和β-桶元素的不同组成是可能的(参见 图11 举两个例子)。
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脂质锚定 蛋白质共价附着在磷脂双层中的脂质上。相互作用可以通过与膜脂质的共价键(脂化)或与膜脂质的静电/离子相互作用发生。
正如尼科尔森在1972年提出的那样,细胞膜由一系列成分组成,标记为流体马赛克模型(尼科尔森,1972)。磷脂、胆固醇、膜蛋白和碳水化合物作为主要成分赋予膜流动性。整合蛋白仅松散地附着在周围环境中,允许在膜内轻微移动。
类型 膜传输过程
在细胞膜中,不同种类的通道、载体和泵能够通过脂质双层运输物质。其中许多是针对特定交互伙伴的高度专业化的,并且只允许某些传输。通常,可以将传输过程分为三个更广泛的类别:扩散、被动传输和主动传输。
简单扩散
例如,分子、离子或颗粒从较高浓度的区域沿其梯度向下移动到较低浓度的区域。运动一直持续到达到平衡。带电粒子可以向一个方向或另一个方向移动这种膜电位。
被动运输
较大分子(如糖或氨基酸)的简单扩散的类似物。膜转运蛋白使在正常条件下无法通过膜的底物沿着浓度梯度向下移动。
主动运输
主动运输是一种需要外部能量才能执行其机制的运输形式。这使得分子或离子能够相对于其浓度梯度或电势梯度传输。能量的形式可以是化学性质的(ATP)或电荷。也可以利用浓度梯度作为能量来源。
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主要主动传输
质子和无机离子通过利用ATP的能量在细胞膜中移动。Na-K泵是这种传输形式的一个例子,它传递三个带正电荷的钠离子和两个同样带正电荷的钾离子。
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二次主动传输
类似于被动载体蛋白同源蛋白和反转运蛋白,这次其中一个离子随着其浓度梯度移动,而第二个离子则与其相反移动。这可以在同一方向(Symport)或相反方向(Antiport)上实现。因此,电化学梯度是这里的驱动力。
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三级主动运输
对于这种类型,三个转运体需要串联运行。第一转运蛋白建立分子的电化学梯度 一个 (主要活动)。第二转运蛋白利用分子 一个 为分子建立有利的电化学梯度 B (辅助活动)。最后,转运蛋白三利用分子梯度 B 移动分子 C 反对其浓度梯度(Hamm,Alpern和Preisig,2008)。
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群体易位
这是一种特殊的细菌运输形式。要运输的基材在此过程中会发生化学变化。因此,不会产生浓度梯度。作为一种能量形式,可以使用ATP,但还有其他能量来源,如PEP(磷酸转移酶系统),也用于葡萄糖运输过程(见 图12、组易位)。
相关历史
自 1960 年代至 1970 年代现代分子膜生物学的早期开始以来,已经过去了 50 多年。诸如破译分子细胞膜结构或其潜在的一般机制之类的发现为现代医学中的许多重要见解和应用领域铺平了道路。同时,膜结合蛋白的表征面临着更大的障碍。因此,直到1978年,即流体镶嵌模型假设五年后,才成功表征了完整的膜蛋白。这是从红细胞细胞膜中获得的人糖蛋白(Singer,2004)。
自膜蛋白研究的早期以来,已经取得了许多里程碑。特别是在医学领域,所获得的知识已以各种方式用于改善和对抗许多临床状况。
挑战 和 展望 用于医药/工业
细胞膜是许多底物和药物的最终守门人。因此,高度特化的膜蛋白在几分之一秒内与大量物质相互作用,以确定哪些物质允许通过,哪些不允许。目前批准的所有药物中约有一半作用于这种蛋白质类型作为治疗靶点结构,以引起信号转导,触发级联反应或催化反应,以对抗各种临床条件(Baker,2010)。
尽管如此,由于其具有挑战性的增溶标准,人们对许多膜蛋白结构及其基本工作原理知之甚少。现代医学将极大地受益于对这种蛋白质类型的更深入理解。然而,最近,随着DeepMind的AlphaFold2等各种AI系统加入战斗,这个老问题再次加速。它们能够直接从其氨基酸序列预测3D蛋白质结构,并且精度不断提高。
同时,已经应用的实验方法,如 纳米盘系统,环烷烃改性 两栖动物或 阿斯蒂 共聚物也将进一步发展,推动我们的知识边界向前发展。
未来,人工智能和此类实验方法的交织将引入生物和医学研究的新时代,塑造数字生物学或生物医学计算等领域。新方法将更新我们的药物发现过程,极大地加速它们。无论我们追求什么路径,膜蛋白质组都将在其中发挥至关重要的作用。