Funkcja i struktura białek transbłonowych: szczegółowe fakty

by

Białka transbłonowe lub integralne białka błonowe są osadzone w błonie komórkowej i obejmują dwuwarstwową błonę lipidową. 

Te białka transbłonowe mają na ogół trzy różne domeny: domenę cytozolową (do przekazywania sygnałów do wnętrza komórki), domenę transbłonową i domenę egzoplazmatyczną, która wisi na zewnątrz komórki, działając jako receptor. Charakter chemiczny i struktura tych domen są bardzo zróżnicowane.

Mimo to, ogólnie rzecz biorąc, domena transbłonowa składa się z reszt hydrofobowych, które ogólnie przyjmują konfigurację alfa helisy lub beta-kartki złożonej z wielu beta-nici.

Białka integralne stanowią prawie 20-30% zawartości białka w komórce i są one ściśle związane z błoną, tak że naukowcy często muszą uciekać się do bardziej rygorystycznych warunków z udziałem czynników chaotropowych, takich jak mocznik 6-8M, tiocyjanian, nadchloran litu lub guanidynia chlorek w celu przerwania hydrofobowych oddziaływań tych białek z membraną w celu ułatwienia ich ekstrakcji. 

Funkcja białek transbłonowych

Białka te pełnią różne funkcje fizjologiczne w komórce, od białek łączących po rozpoznawanie, transport, zakotwiczenie i transdukcję. 

GPCR działają w różnych komórkowych szlakach sygnałowych i są jednym z najważniejszych typów receptorów zaangażowanych w rozległe procesy fizjologiczne, takie jak aktywacja transkrypcji niektórych genów w odpowiedzi na ligand.

Bacteriorodopsyna to wieloprzebiegowe białko wykorzystywane przez bakterie fotosyntetyczne do wychwytywania światła. Absorpcja fotonu indukuje pewne zmiany konformacyjne w białku, które pozwalają mu generować gradient protonów, który zostanie ostatecznie wykorzystany do syntezy ATP.

Akwaporyny

Różne rodzaje akwaporyn transportują cząsteczki, takie jak woda, cząsteczki rozpuszczalne w wodzie i glicerol przez całą Błona komórkowa.

Akwaporyna 0 (homotetramer) występuje najliczniej w soczewce oka ssaków.

Aqua-gliceroporyny są unikalne w transporcie nienaładowanych cząsteczek, takich jak mocznik i amoniak, przez błonę. 

Zewnętrzna błona bakterii Gram-ujemnych, takich jak E. coli, ma różne pory, które transportują różne disacharydy (cukier) do komórki. 

Kanały jonowe

Wiele alfa-helis zawierają integralne białka z kanałów jonowych, takich jak kanały jonów sodowych bramkowanych napięciem, które są kluczowe w wytwarzaniu impulsów nerwowych.

Receptory komórek odpornościowych

Receptor limfocytów T zawiera alfa-helisę i ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania odpowiedzi limfocytów T w zakresie odporności na chorobę. To samo dotyczy receptorów komórek B. 

Różne enzymy w bakteriach są białkami transbłonowymi, takimi jak enzym monooksygenazy metanowej, który może utleniać wiązanie CH metanu. 

Białka skierowane do różnych organelli komórkowych, takie jak te skierowane do retikulum endoplazmatycznego i inne, mają w błonie komórkowej enzym zwany peptydazą sygnałową.

Enzym ten rozpoznaje peptyd sygnałowy specyficzny dla organelli w nadchodzącym łańcuchu polipeptydowym i rozszczepia go, dzięki czemu działa w prawidłowej subkomórkowej dystrybucji różnych łańcuchów polipeptydowych.

Lokalizacja subkomórkowa

Białka skierowane do różnych organelli komórkowych, takie jak te skierowane do retikulum endoplazmatyczne a inne mają enzym zwany peptydazą sygnałową w błonie komórkowej.

Enzym ten rozpoznaje peptyd sygnałowy specyficzny dla organelli w nadchodzącym łańcuchu polipeptydowym i rozszczepia go, dzięki czemu działa w prawidłowej subkomórkowej dystrybucji różnych łańcuchów polipeptydowych.

Fosfolipazy

Fosfolipaza A1 w błonie zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych jest białkiem transbłonowym typu III. Odgrywa rolę w różnych aktywnościach komórkowych, wśród których jednym z nich jest wydzielanie toksycznych peptydów. 

Białka połączeniowe

Te białka transbłonowe są kluczowym elementem adhezji komórek do macierzy zewnątrzkomórkowej i tworzą różne połączenia, takie jak szczeliny i połączenia ścisłe między komórkami.

Połączenia szczelinowe umożliwiają bezpośrednią komunikację między komórkami. Połączenia szczelinowe umożliwiają wymianę małych cząsteczek, takich jak jony, cukry i aminokwasy. Connexin jest białkiem łączącym szczelinę. 

Rozpoznawanie komórkowe

Glikozylowane białka transbłonowe biorą udział w rozpoznawaniu komórek, a typowym przykładem jest typowanie grup krwi ABO. Te oligosacharydy określają grupę krwi danej osoby i są dość ważne klinicznie. 

Transport glukozy

Różne białka transbłonowe tworzą różne nośniki i bramkowane kanały w błonie, aby ułatwić dyfuzję różnych cząsteczek. GLUT-1 lub transporter glukozy 1 jest jednym z takich integralnych białek błonowych.

Struktura białek transbłonowych

Strukturalnie alfa helisa jest najpowszechniejszą strukturą w domenie transbłonowej białek integralnych, a częściowym powodem przewagi tej alfa-helisy nad innymi strukturami drugorzędowymi są korzystne oddziaływania hydrofobowe i van der Waalsa między lipidami dwuwarstwy i hydrofobową grupą aminową reszty kwasowe i hydrofobowe łańcuchy boczne aminokwasów. 

funkcja białek transbłonowych
Struktura białek transbłonowych z Wikipedia

Topologia białek transbłonowych skierowanych do cytozolu i macierzy zewnątrzkomórkowej jest inna i pozostaje taka sama przez cały okres życia tego białka. Białka obwodowe wykazują ruchy typu flip-flop w dwuwarstwie lipidowej, ale takie ruchy są dużym nie dla białek transbłonowych. 

Białka transbłonowe typu I

Białka te raz obejmują błonę.

Liczba domen, zwłaszcza domeny transbłonowej, która zapewnia stabilne wyleganie białka w błonie, zależy w dużej mierze od rodzaju białka. T

Liczba zwykle waha się od jednej domeny transbłonowej do wielu. Glikoforyna A na powierzchni krwinek czerwonych jest powszechnym białkiem transbłonowym pojedynczego przejścia, powszechnie nazywanym białkiem transbłonowym typu I.

Białka transbłonowe typu II

W przeciwieństwie do białek typu I, receptory sprzężone z białkiem G (GPCR) obejmują błonę siedem razy (białka transbłonowe typu II) i dlatego są również nazywane receptorami serpentynowymi.

Akwaporyny są kolejnym przykładem alfa-helisy zawierającej białka transbłonowe związane z transportem wody, glicerolu i innych rozpuszczalnych w wodzie substancji do komórki. Hydrofobowe łańcuchy boczne domeny helisy są wyłączone z wnętrza helisy i tworzą interakcje van der Waala z łańcuchami acylowymi lipidów dwuwarstwy.

Jednakże helisa nie zawiera wyłącznie aminokwasów hydrofobowych/nienaładowanych. Zawiera także hydrofilowe/naładowane aminokwasy, które biorą udział w tworzeniu wiązań wodorowych z innymi naładowanymi aminokwasami helisy, pomagając w ten sposób w stabilizacji samej helisy. 

Białka transbłonowe typu II

Alfa helisa może dominować nad motywem transbłonowym w większości białek, ale nie jest to jedyny motyw występujący w integralnym białku. Wiele nici beta jest połączonych pętlą spinki do włosów ze struktury w kształcie beczki zwanej beczką beta, która mieści w środku wnękę do transportu cząsteczek.

Jest to powszechny motyw wtórny w przypadku różnych poryn. Te beczki beta zawierające białka transbłonowe są powszechnie nazywane białkami transbłonowymi typu III. 

Strukturalnie te poryny są homotrimerami, ponieważ składają się z trzech identycznych podjednostek, przy czym każda podjednostka ma 16 beta-nić tworzących beczułkę. Wnętrze tej pory jest hydrofilowe, aby umożliwić transport substancji hydrofilowych do wnętrza komórki; jednak zewnętrzna część tej beczki beta jest hydrofobowa i współdziała z lipidami dwuwarstwy zapewniającymi stabilność tego poru.

Unikalną cechą tych białek beta-beczkowych jest naprzemienny układ aminokwasów hydrofobowych i hydrofilowych. Ponad 50 takich białka zawierają beczki beta i zależą od orientacji nici beta. Należą one do trzech głównych kategorii: motyw greckiego klucza, motyw galaretki i motyw góra-dół. 

Białka transbłonowe typu IV

Niektóre białka transbłonowe mają dodatkowe kotwice lipidowe dla dalszej stabilizacji i są one znane jako białka transbłonowe typu IV lub białka zakotwiczone w lipidach.

Typowe kotwice lipidowe obejmują kwas mirystynowy, kwas palmitynowy, prenylowane łańcuchy acylowe i glikofosfatydyloinozytol (GPI).

Wśród nich kotwice GPI znajdują się na zewnątrz komórki, to znaczy po egzoplazmatycznej stronie dwuwarstwy lipidowej, ale pozostałe kotwice znajdują się po wewnętrznej stronie błony, która jest endocytozolowym płatkiem błony komórkowej. 

Izopren zawierający węgiel 5- jest prekursorem do budowy kotew prenylowych. Bakterie nie mają białek zakotwiczonych w GPI, ale u eukariontów, takich jak ludzie, pełnią one szeroki zakres funkcji, takich jak transdukcja sygnału zależna od receptora, adhezja komórkowa, a nawet funkcje enzymatyczne. 

Wnioski

Struktura tych białek waha się od białek pojedynczego przejścia do wielu przejść, przy czym większość z nich zawiera helisę alfa jako dominującą strukturę drugorzędową. Białka te biorą udział w różnych funkcjach, od służenia jako białka kanałowe po sygnalizację komórkową.

Przeczytaj także: