معلومة

كيف تجد بروتينات الغشاء مواقعها المستهدفة؟

كيف تجد بروتينات الغشاء مواقعها المستهدفة؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

قد يُطرح السؤال عن أي نوع من البروتينات "المرتبطة" ، لكني أود حصره في بروتينات الغشاء.

بافتراض أن بروتينات الغشاء (أو أجزائها الرئيسية) لا تتشكل (أو لا تتشكل) فى الموقع ولكن على مسافة معينة من الغشاء ، أتساءل عن الآليات التي ينتقلون بها من موقع التوليد إلى وجهتهم النهائية داخل الغشاء (الداخلي أو الخارجي).

لا تشكل البروتينات التي يتم توزيعها بالتساوي تقريبًا (أو بشكل عشوائي) فوق الغشاء مشكلة مفاهيمية كبيرة: فقد تكون قد اختفت تمامًا. عن طريق الانتشار، ربما من العديد من مواقع الجيل ، موزعة بالتساوي تقريبًا (أو بشكل عشوائي) داخل الخلية.

ولكن ماذا عن التوزيعات غير المتكافئة ، حيث تكون بعض البروتينات أكثر كثافة وغير عشوائية (مهمة وعملية) في بعض مواقع الغشاء أكثر من غيرها ، على سبيل المثال

  • المستقبلات في كثافات ما بعد المشبكي

  • نا+ القنوات في مواقع البدء المحتملة للعمل مثل تراب محور عصبي أو الجزء الأولي للمحور

  • نا+ القنوات في عقد رانفييه؟

ما هي الآليات (القوى أو الإشارات أو الهياكل) التي تقودها هذه البروتينات إلى أهدافها؟

ربما يعتمد الأمر ، وهناك آليات مختلفة. هذه التي توصلت إليها (من خلال التفكير في المبادئ الأولى):

  • التوزيع غير المتكافئ لمواقع التوليد داخل الخلية (بسبب ماذا؟)

  • التوزيع غير المتكافئ لأصول جذب الإشارات داخل الغشاء (بسبب ماذا؟)

  • بعض القوى أو الإشارات "الجاذبة للذات" (تؤدي إلى التراكم من خلال ردود الفعل الإيجابية)

  • أنابيب مجهرية

ما هي الآلية - ربما - الغالبة؟


أسئلة ذات صلة:

  • دورة حياة البروتينات

  • مسارات القنوات الأيونية الترابطية

  • توزيع نقاط الاشتباك العصبي في الخلايا العصبية CA1

  • توزيع السنبلة الشجرية المولدة للقنوات الأيونية على الشجرة التغصنية

  • الخرائط المرئية للغشاء العصبي

  • توزيع مضخات الصوديوم والبوتاسيوم


هذا سؤال عظيم. ستكون الإجابة الشاملة خارج نطاق الإجابة في منتدى مثل هذا. سألخص أفضل ما يمكنني هنا ، ولكن إذا كنت مهتمًا حقًا بهذا ، فعليك إلقاء نظرة على بعض الأعمال التي قام بها راندي شيكمان وتوم رابوبورت ، اللذان قاما بالكثير من العمل الرائد في هذا المجال ولديهما أوراق من أكثر من اثنين عقود مضت على مواقع معاملهم. سأتحدث عن بروتينات الغشاء بشكل عام ، لكنني لست متأكدًا من حالة المجال لقنوات Na + على وجه التحديد ، لذلك لا يمكنني التعليق كثيرًا على هذه الحالة بالذات. لا تزال العديد من تفاصيل العمليات التي سأذكرها مجالات بحث نشط ، لذلك سأحاول التمسك بشكل أساسي بما تم وصفه جيدًا (على حد علمي).

لإعادة صياغة المشكلة ، يتم تصنيع البروتينات بشكل عام في تجويف الشبكة الإندوبلازمية ، وهي بيئة مائية تشبه العصارة الخلوية بعدة طرق (ولكن ليس كلها). ومع ذلك ، فإن بروتينات الغشاء ، غير المستقرة في البيئات المائية ، يجب أن:

1) ابحث عن طريق من تجويف ER إلى غشاء.
2) انتقل من ER إلى الغشاء الصحيح حتى يتمكنوا من أداء وظائفهم الخلوية.

سنبدأ بالخطوة 1 ، لكن مفتاح كلاهما هو جانب مهم ولكنه غالبًا ما لا يحظى بالتقدير الكافي في بيولوجيا البروتين يسمى ببتيد الإشارة. ببتيد الإشارة هو ببساطة تسلسل N- طرفي من الأحماض الأمينية التي تسبق ما نعتقد عادة أنه بداية لبروتين ناضج. إنه قصير نسبيًا ، وعادةً ما يصل طوله إلى 30 حمضًا أمينيًا فقط. يتم تقطيعه من البروتين الناضج بواسطة البروتياز بمجرد أن يتم طي البروتين وفي الغشاء. حتى ذلك الوقت ، يعمل ببتيد الإشارة كعلامة جزيئية تشير إلى المكان الذي يجب أن يتجه فيه البروتين الناشئ وكيف ينبغي التعامل معه. ليس من المستغرب أن هناك العديد من ببتيدات الإشارة المختلفة التي تخدم وظائف متعددة ، ولا تستخدم فقط لبروتينات الغشاء.

لنفترض أننا في تجويف ER ، ولدينا بعض تشفير mRNA لبروتين غشائي مخصص لغشاء البلازما. الأحماض الأمينية الأولى التي ستظهر من الريبوسوم هي تسلسل الإشارة ، وفي هذه الحالة تسلسل إشارة محدد يشير إلى أن هذا بروتين غشاء بلازما. بمجرد ظهور تسلسل الإشارة من الريبوسوم ، يتم التعرف عليه بواسطة مركب بروتين نووي (أي مركب من الحمض النووي الريبي والبروتين) يسمى جسيم التعرف على الإشارة. بمجرد أن يرتبط SRP بببتيد الإشارة ، تتوقف الترجمة ، وينتقل المجمع بأكمله إلى غشاء ER ، حيث يشكل معقدًا مع مركب بروتين كبير آخر يسمى الترانكون. لا يمكنني الخوض في تعقيدات هذه المجمعات ووظائفها في هذه الإجابة وحدها ، لكن الوصف البسيط هو أن الترانكونون يحتوي على ATPase الذي يمكنه إدخال بروتين الغشاء في غشاء ER أثناء ترجمته ، بالاتجاه الصحيح. يوفر التحلل المائي لـ ATP الطاقة لتحريك سلسلة البولي ببتيد الناشئة إلى الغشاء الطارد للماء ، حيث تساعده المرافقون على الانثناء. هذه العملية مدفوعة جزئيًا بالتعرف على مناطق الغشاء الكارهة للماء للبروتينات بواسطة الترانكون. يمكنه أيضًا نقل البروتينات القابلة للذوبان في العصارة الخلوية عبر الغشاء من خلال آلية مماثلة.

الآن بعد أن تم نقل البروتين ، فإن الببتيداز سوف يشق تسلسل الإشارة بعيدًا عن البروتين. من هنا ، سوف تتولى إشارات الفرز. بشكل عام ، هذه أشكال متسلسلة بسيطة في مجال الغشاء الأول والتي تعمل بشكل مشابه لتسلسل الإشارة ، لكنها غير مشقوقة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون إشارات الفرز عبارة عن امتدادات من الببتيد في جميع أنحاء البروتين أيضًا ، في بعض الحالات.

سيتم التعرف على أشكال التسلسل هذه بواسطة آلية تهريب الخلايا. بدون الخوض في الكثير من التفاصيل ، سيتم تجميع البروتينات في حويصلات ، ونقلها إلى عضيات أخرى. عادةً ما تكون المحطة الأولى للبروتينات هي جهاز جولجي ، حيث تحدث عادةً العديد من التعديلات اللاحقة للترجمة ، مثل الارتباط بالجليكوزيل. أنا عالم كيمياء حيوية ولست عالم أحياء خلوية ، لذا فأنا لست الأكثر تأهيلًا للدخول في تفاصيل الاتجار تحت الخلوي. يكفي القول ، بمجرد الانتهاء من معالجة البروتين في الجولجي ، سيتم تهريبه إلى عضيات أخرى ، مثل غشاء البلازما باستخدام نقل الحويصلات كما كان من قبل. من وجهة نظري ، سيتم تصنيف البروتين في الحويصلات المناسبة بناءً على إشارات الفرز الخاصة به ، بالإضافة إلى علامات أخرى (في بعض الحالات ، يمكن أن تؤثر بعض التعديلات اللاحقة للترجمة على بروتينات معينة على تهريبها). تتعرف الحويصلات على غشاء الوجهة المناسب جزئيًا عن طريق التركيب الدهني لهذا الغشاء. على سبيل المثال ، يكون للفوسفوينوزيتيدات تأثير كبير على تهريب الأغشية ، ويمكن تمييز العديد من الأغشية من خلال توقيعها على الفوسفوينوزيتيد.

على أي حال ، هذه نظرة عامة واسعة جدًا على إجابة سؤالك. أنا آسف لأنني لا أستطيع التعليق كثيرًا على تعقيدات الاتجار الخلوي ، فأنا لا أمتلك الخبرة الكافية لتصفح هذه الأدبيات بسرعة كافية للإجابة على سؤالك في إطار زمني معقول. آمل أن يكون هذا مفيدًا في توجيهك إلى الاتجاه الصحيح ، ونتمنى لك التوفيق!


هل النقل النشط إجابة؟ من خلال إشارات خاصة وببتيدات تفاعلية داخل البروتين ، يمكن توجيه البروتينات إلى مواقع فرعية مختلفة ، إذا كنت مهتمًا بكيفية تراكم قنوات الصوديوم في AIS ، فاقرأ على سبيل المثال Gasser et al. 2012 ، هذه ورقة لطيفة جدًا تُظهر أن شكل ربط ankyrin كافٍ لتجميع قنوات Na + في AIS.


الملخص

يعد تحديد أهداف الأدوية الجديدة أحد التحديات الرئيسية في البروتينات. لقد عززت الأساليب الحسابية التي تم تطويرها خلال العقد الماضي عملية تصميم الدواء من حيث الوقت والجودة. المهمة الرئيسية هي تصميم المركبات الانتقائية ، التي تربط الأهداف بشكل أكثر تحديدًا ، اعتمادًا على طريقة العمل المطلوبة لعقار معين. هذا يجعل من الضروري إنشاء مركبات ، والتي إما تظهر وظائفها على بروتين واحد لاستبعاد التفاعل التبادلي غير المرغوب فيه أو لاستخدام التأثير الإيجابي للأدوية الأقل انتقائية التي تستهدف العديد من البروتينات وبالتالي تظهر وظائفها على فئات البروتين الكاملة. تشمل الجوانب الرئيسية في تخصيص التفاعلات بين الروابط والأهداف المفترضة تكوين الأحماض الأمينية لموقع الربط ، والحفظ التطوري والتشابه في تسلسل وهيكل الأهداف المعروفة. يمكن أن تكون أوجه التشابه أو الاختلافات داخل عائلات البروتين المصنفة هي المفتاح لوظائفها وتعطي تلميحات أولية لتصميم الأدوية الوظيفية. بموجب هذا ، يفوق التصنيف المعتمد على الموقع التصنيفات القائمة على التسلسل نظرًا لأن مواقع الربط المماثلة يمكن العثور عليها أيضًا في البروتينات البعيدة. بروتينات الغشاء "أهداف صعبة" ، بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية الخاصة والافتقار العام للمعلومات الهيكلية. هنا ، نصف التطورات الحديثة في طرق النمذجة المخصصة لبروتينات الغشاء.

يتم تطوير واصفات مختلفة للتشابه بين المركبات والتشابه بين مواقع الربط وتوضيح الجوانب المهمة مثل الديناميات أو الانتروبيا. أهمية تصميم الدواء الحسابي أمر لا جدال فيه. ومع ذلك ، فإن عملية التصميم معقدة بسبب زيادة التعقيد ، مما يؤكد أهمية المعرفة الدقيقة حول الفئة (الفئات) المستهدفة المستهدفة وخاصة مواقع الربط الخاصة بهم. يتمثل أحد الأهداف الرئيسية من خلال النظر في الموضوعات المسماة في التنبؤ بالآثار الجانبية المفترضة والوظائف الخاطئة (التأثيرات غير المستهدفة) للأدوية الجديدة ، الأمر الذي يتطلب نظرة شاملة (بيولوجيا الأنظمة) حول علاقات مسار الهدف الدوائي. في ما يلي ، نقدم ملخصًا موجزًا ​​عن المناقشة الأخيرة حول التفاعلات الدوائية المستهدفة مع التركيز على بروتينات الغشاء.


محتويات

تؤدي بروتينات الغشاء مجموعة متنوعة من الوظائف الحيوية لبقاء الكائنات الحية: [2]

    تنقل البروتينات الإشارات بين البيئات الداخلية والخارجية للخلية. تحرك الجزيئات والأيونات عبر الغشاء. يمكن تصنيفها وفقًا لقاعدة بيانات تصنيف الناقل.
  • قد يكون للأنزيمات الغشائية العديد من الأنشطة ، مثل أوكسيريدوكتاز أو ترانسفيراز أو هيدرولاز. [3] السماح للخلايا بالتعرف على بعضها البعض والتفاعل. على سبيل المثال ، البروتينات المشاركة في الاستجابة المناعية

يمكن توقع توطين البروتينات في الأغشية بشكل موثوق باستخدام تحليلات الكراهية للماء لتسلسل البروتين ، أي توطين متواليات الأحماض الأمينية الكارهة للماء.

تحرير بروتينات الغشاء المتكامل

ترتبط بروتينات الغشاء المتكامل بشكل دائم بالغشاء. يمكن فصل هذه البروتينات عن الأغشية البيولوجية فقط باستخدام المنظفات ، أو المذيبات غير القطبية ، أو في بعض الأحيان عوامل تغيير الطبيعة. أحد الأمثلة على هذا النوع من البروتين الذي لم يتم توصيفه وظيفيًا بعد هو SMIM23. يمكن تصنيفها وفقًا لعلاقتها بالطبقة الثنائية:

    هي بروتينات عبر الغشاء تمتد عبر الغشاء أكثر من مرة. قد يكون لهذه البروتينات طوبولوجيا غشائية مختلفة. [4] [5] تحتوي هذه البروتينات على واحد من بنيتين هيكليتين:
      البروتينات الموجودة في جميع أنواع بروتينات الأغشية البيولوجية ، والتي توجد فقط في الأغشية الخارجية للبكتيريا سالبة الجرام ، والأغشية الخارجية للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. [6]

    تحرير بروتينات الغشاء المحيطي

    ترتبط بروتينات الغشاء المحيطي مؤقتًا إما بطبقة ثنائية الدهون أو ببروتينات متكاملة عن طريق مزيج من التفاعلات الكارهة للماء والكهرباء الساكنة والتفاعلات غير التساهمية الأخرى. تنفصل البروتينات المحيطية بعد العلاج باستخدام كاشف قطبي ، مثل محلول بدرجة حموضة مرتفعة أو تركيزات ملح عالية.

    يمكن تعديل البروتينات المتكاملة والطرفية لاحقًا ، مع إضافة الأحماض الدهنية ، أو سلاسل diacylglycerol [8] أو سلاسل prenyl ، أو GPI (glycosylphosphatidylinositol) ، والتي يمكن تثبيتها في طبقة ثنائية الدهون.

    تحرير السموم عديد الببتيد

    تعتبر السموم متعددة الببتيد والعديد من الببتيدات المضادة للبكتيريا ، مثل الكوليسين أو الهيموليزين ، وبعض البروتينات المشاركة في موت الخلايا المبرمج ، في بعض الأحيان فئة منفصلة. هذه البروتينات قابلة للذوبان في الماء ولكن يمكن أن تتجمع وترتبط بشكل لا رجعة فيه مع طبقة ثنائية الدهون وتصبح مرتبطة بالغشاء بشكل عكسي أو لا رجعة فيه.

    بروتينات الغشاء ، مثل البروتينات الكروية القابلة للذوبان ، والبروتينات الليفية ، والبروتينات المضطربة ، شائعة. [9] تشير التقديرات إلى أن 20-30٪ من جميع الجينات في معظم الجينومات تكوّد لبروتينات الغشاء. [10] [11] على سبيل المثال ، حوالي 1000 من

    4200 بروتين من بكتريا قولونية يُعتقد أنها بروتينات غشائية ، تم التحقق تجريبيًا من أن 600 منها موجودة في الغشاء. [12] في البشر ، يشير التفكير الحالي إلى أن 30٪ من الجينوم يشفر بروتينات الغشاء. [13]

    بروتينات الغشاء هي أهداف أكثر من 50٪ من جميع الأدوية الطبية الحديثة. [1] من بين الأمراض البشرية التي تورطت فيها البروتينات الغشائية أمراض القلب والزهايمر والتليف الكيسي. [13]

    على الرغم من أن بروتينات الغشاء تلعب دورًا مهمًا في جميع الكائنات الحية ، إلا أن تنقيتها كانت تاريخيًا ولا تزال تمثل تحديًا كبيرًا لعلماء البروتين. في عام 2008 ، تم توفير 150 بنية فريدة من البروتينات الغشائية ، [14] وبحلول عام 2019 تم توضيح هياكل 50 فقط من بروتينات الغشاء البشري. [13] على النقيض من ذلك ، فإن ما يقرب من 25٪ من جميع البروتينات عبارة عن بروتينات غشائية. [15] تجعل أسطحها الكارهة للماء من الصعب التوصيف الهيكلي والوظيفي بشكل خاص. [13] [16] يمكن استخدام المنظفات لجعل بروتينات الغشاء قابلة للذوبان في الماء ، ولكنها يمكن أن تغير أيضًا بنية البروتين ووظيفته. [13] يمكن أيضًا جعل البروتينات الغشائية قابلة للذوبان في الماء من خلال هندسة تسلسل البروتين ، واستبدال الأحماض الأمينية الكارهة للماء بأخرى محبة للماء ، مع الحرص الشديد على الحفاظ على البنية الثانوية أثناء مراجعة الشحنة الكلية. [13]

    يعتبر كروماتوغرافيا التقارب أحد أفضل الحلول لتنقية بروتينات الغشاء. يتناقص نشاط بروتينات الغشاء بسرعة كبيرة على عكس البروتينات الأخرى. لذلك يوفر كروماتوغرافيا التقارب تنقية سريعة ومحددة لبروتينات الغشاء. تعد علامة متعدد الهيستدين علامة شائعة الاستخدام لتنقية البروتين الغشائي ، [17] كما تم استخدام علامة rho1D4 البديلة بنجاح. [18] [19]


    استهداف البروتين

    يشير استهداف البروتين إلى الطرق التي تستخدمها الخلايا لإيصال البروتينات إلى الموقع المناسب بعد التوليف. تلعب البروتينات دورًا رئيسيًا في معظم العمليات الخلوية ولكن يجب أن تكون موجودة بشكل صحيح لتؤدي وظائفها. إن معرفة كيفية استهداف البروتينات المُصنَّعة حديثًا داخل الخلايا أمر ضروري لفهم وظيفة البروتين.

    يتم تصنيع البروتينات إما في العصارة الخلوية أو على الشبكة الأندوبلازمية . عندما يتم تصنيعه في العصارة الخلوية مجانًا الريبوسومات ، تنتشر معظم البروتينات بحرية حتى ترتبط ببروتين معين المادة المتفاعلة أو التجمع في مجمع أكبر. عادة ما يكون انتشار البروتين في العصارة الخلوية سريعًا ، لذا فإن البروتين غير المرتبط قادر على الانتشار عبر الخلية في بضع ثوانٍ فقط.

    تتمثل إحدى الطرق التي يتم بها استهداف بروتينات العصارة الخلوية داخل الخلايا في تكوين مجموعات جزيئية كبيرة. يمكن أن توجد العديد من البروتينات إما مونومرات ، والتي تنتشر بحرية من خلال السيتوبلازم ، أو مثل البوليمرات ، والتي تشكل هياكل واسعة النطاق يتم توزيعها ديناميكيًا على مواقع مميزة في الخلية. بروتينات الهيكل الخلوي الأكتين والتوبولين ، على سبيل المثال ، لها زوج من مكمل مواقع الارتباط الذاتي على أسطحها والتي تسمح لها بالبلمرة إلى خيوط حلزونية طويلة تمتد عبر الخلية. هذه الخيوط تشكل الهيكل الخلوي من الخلية ، والتي تعيد تنظيمها باستمرار مع تغير شكل الخلية وانقسامها والاستجابة لبيئتها.

    غالبًا ما تؤدي التغييرات التوافقية في البروتين إلى تغييرات في البروتين & # x0027s التقارب نحو ركيزة معينة. يمكن أن تلعب هذه العملية دورًا مهمًا في تنظيم توطين البروتين داخل الخلايا. مثال على هذا النوع من التنظيم هو البروتين الفسفرة ، أو إضافة مجموعة الفوسفات. هذا يمكن أن يغير بشكل كبير تقارب البروتين & # x0027s للركيزة وبالتالي يمكن أن يؤدي إلى تغييرات سريعة في موقع البروتين & # x0027s. هذا النوع من تنظيم توطين البروتين أمر بالغ الأهمية لتمكين الخلايا من تنسيق أنشطتها في ظل ظروف نمو مختلفة وأثناء انقسام الخلية.

    تستهدف بعض البروتينات السيتوبلازمية موقعًا معينًا في الخلية لأنها تحتوي على محدد حمض أميني التسلسل الذي يجعلهم يرتبطون بالمستقبلات الموجودة في ذلك الموقع. مثال على تسلسل الاستهداف هذا هو ما يسمى بإشارة التوطين النووي (NLS) ، والتي تتكون من جزأين قصيرين من أساسي الأحماض الأمينية مقسومة على منطقة فاصل الأحماض الأمينية 10 & # x201311. يسمح هذا التسلسل من الأحماض الأمينية للبروتين الذي يمتلكه بالارتباط بمستقبلات التوطين النووي الموجودة في نواة . بمجرد أن يرتبط بروتين يحتوي على إشارة NLS بمستقبل نووي ، لم يعد قادرًا على الانتشار بحرية ويصبح & # x0022localized & # x0022 إلى النواة.

    يتم تضمين العديد من البروتينات داخل الأغشية أو مرتبطة بها. في الخلايا حقيقية النواة تشكل الأغشية حدود مجموعة متنوعة من الأجزاء المميزة ، بما في ذلك النواة ، الميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية (ER) ومركب جولجي. يتم تصنيع بعض البروتينات في العصارة الخلوية ثم يتم تعديلها باستخدام a دهون & # x0022anchor ، & # x0022 والارتباط بالأغشية هو ببساطة مسألة التضمين في الطبقة الدهنية الخارجية للغشاء. يتم توطين جزيئات الإشارات ، مثل بروتين Ras المرتبط بـ GTP ، في الأغشية بهذه الطريقة.

    تتطلب جميع البروتينات الأخرى التي تستهدف الأغشية داخل الخلايا إشارات الفرز التي توجه نقلها من العصارة الخلوية. على سبيل المثال ، تحتوي البروتينات التي تستهدف الميتوكوندريا على تسلسل ببتيد محدد من 20 & # x201380 من الأحماض الأمينية التي تتوسط استيرادها. تم العثور على هذا التسلسل عند الطرف الأميني للبروتين وبعد الاستيراد تتم إزالته بسرعة بواسطة البروتيز.

    يتم استهداف البروتينات المترجمة داخل تلك الأغشية المشاركة في الالتقام الخلوي والإخراج الخلوي أولاً إلى ER ، ثم تستخدم مسارات نقل الأغشية للوصول إلى الأجزاء الأخرى. يبدأ استهداف البروتينات إلى ER قبل بولي ببتيد يتم تصنيع السلسلة بالكامل. هذا على عكس استيراد البروتينات إلى الميتوكوندريا ، والبلاستيدات الخضراء ، والبيروكسيسومات ، والتي تحدث بعد اكتمال التوليف. يقوم ببتيد إشارة ER ، المترجمة عند الطرف الأميني لهذه البروتينات ، بتوجيه الريبوسوم للارتباط بغشاء ER قبل أن تتم ترجمة البروتين بالكامل. يتم توجيه ببتيد إشارة ER إلى غشاء ER بواسطة جسيم التعرف على الإشارة (SRP) ، والذي يرتبط بببتيد الإشارة ، ومستقبل SRP في أغشية ER.

    من بروتينات ER ، استخدم مجموعة متنوعة من الآليات للوصول إلى وجهات نهائية مختلفة في الخلية. البروتينات الموجهة لـ المغلف النووي ببساطة تنتشر هناك وتلتصق ، لأن الغلاف النووي في استمرارية مباشرة مع ER. للوصول إلى مجمع جولجي ، وغشاء البلازما ، والداخلية ، والليزوزومات ، يجب أن تدخل البروتينات إلى مسار إفرازي واستخدام مسارات تهريب الأغشية. بالنسبة لبروتينات الغشاء ، يُعتقد أن الدخول إلى المسار الإفرازي يتطلب تركيزها وفرزها في مواقع خروج ER. على النقيض من ذلك ، فإن البروتينات القابلة للذوبان في تجويف ER (الفضاء الداخلي) تتحرك للخارج عن طريق عملية التدفق بالجملة. بعد مغادرة ER ، تفرز الخلية في النهاية معظم البروتينات القابلة للذوبان. يتم توجيه العديد من بروتينات الغشاء إلى بروتينات محددة العضيات ضمن المسارات الإفرازية والبطانية لأنها تحتوي على إشارات فرز محددة في ذيولها السيتوبلازمية ، والتي تعمل مثل الرموز البريدية. بدلاً من ذلك ، قد يكون الفرز بسبب خصائص مجال الغشاء البروتيني & # x0027s ، وهي منطقة من البروتين تعطي تقاربها لبيئات دهنية مختلفة مميزة للعضيات المختلفة.


    محتويات

    في عام 1970 ، أجرى جونتر بلوبيل تجارب على نقل البروتينات عبر الأغشية. بلوبيل ، الذي كان حينها أستاذًا مساعدًا في جامعة روكفلر ، بنى على عمل زميله جورج باليد. [5] أظهر باليد سابقًا أن البروتينات غير المفرزة تُرجمت بواسطة الريبوسومات الحرة في العصارة الخلوية ، بينما تُترجم البروتينات المُفرزة (والبروتينات المستهدفة بشكل عام) بواسطة الريبوسومات المرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية. [5] افترضت التفسيرات المرشحة في ذلك الوقت وجود اختلاف في المعالجة بين الريبوسومات الحرة والريبوزومات المرتبطة بـ ER ، لكن Blobel افترض أن استهداف البروتين يعتمد على الخصائص المتأصلة في البروتينات ، بدلاً من الاختلاف في الريبوسومات. دعمًا لفرضيته ، اكتشف بلوبيل أن العديد من البروتينات لها تسلسل قصير من الأحماض الأمينية في أحد طرفيها يعمل مثل رمز بريدي يحدد وجهة داخل الخلايا أو خارج الخلية. [2] وصف هذه التسلسلات القصيرة (بشكل عام من 13 إلى 36 من بقايا الأحماض الأمينية) [1] كببتيدات إشارة أو تسلسل إشارات وحصل على جائزة نوبل عام 1999 في علم وظائف الأعضاء عن نتائجه. [6]

    تعمل ببتيدات الإشارة كإشارات استهداف ، مما يتيح لآلات النقل الخلوي توجيه البروتينات إلى مواقع محددة داخل الخلايا أو خارج الخلية. في حين لم يتم تحديد تسلسل إجماعي لببتيدات الإشارة ، إلا أن العديد منها يمتلك بنية ثلاثية مميزة: [1]

    1. منطقة محبة للماء موجبة الشحنة بالقرب من المحطة N.
    2. نطاق من 10 إلى 15 من الأحماض الأمينية الكارهة للماء بالقرب من منتصف إشارة الببتيد.
    3. منطقة قطبية قليلاً بالقرب من الطرف C ، تفضل عادةً الأحماض الأمينية ذات السلاسل الجانبية الأصغر في المواضع التي تقترب من موقع الانقسام.

    بعد وصول البروتين إلى وجهته ، يتم شق ببتيد الإشارة بشكل عام بواسطة إشارة ببتيداز. [1] وبالتالي ، فإن معظم البروتينات الناضجة لا تحتوي على ببتيدات إشارة. بينما توجد معظم ببتيدات الإشارة في الطرف N ، يقع تسلسل الاستهداف في البيروكسيسومات على امتداد الطرف C. [7] على عكس ببتيدات الإشارة ، تتكون بقع الإشارة من بقايا الأحماض الأمينية التي تكون متقطعة في التسلسل الأولي ولكنها تصبح وظيفية عندما يجمعها الطي معًا على سطح البروتين. [8] على عكس معظم تسلسلات الإشارات ، لا يتم قطع بقع الإشارة بعد اكتمال الفرز. [9] بالإضافة إلى تسلسل الإشارات الجوهرية ، يمكن أن تؤدي تعديلات البروتين مثل الجليكوزيلات أيضًا إلى استهداف مناطق خلوية معينة داخل الخلايا أو خارجها.

    نظرًا لأن ترجمة mRNA إلى بروتين بواسطة الريبوسوم تحدث داخل العصارة الخلوية ، يجب نقل البروتينات الموجهة للإفراز أو عضية معينة. [10] يمكن أن تحدث هذه العملية أثناء الترجمة ، والمعروفة باسم النقل المشترك للترجمة ، أو بعد اكتمال الترجمة ، والمعروفة باسم النقل بعد الترجمة. [11]

    تحرير الترجمة المشتركة

    يتم نقل معظم البروتينات الإفرازية والغشائية بشكل مشترك. تستخدم البروتينات الموجودة في الشبكة الإندوبلازمية (ER) أو الجولجي أو الإندوسومات أيضًا مسار الانتقال المشترك. تبدأ هذه العملية أثناء تصنيع البروتين على الريبوسوم ، عندما يتعرف جسيم التعرف على الإشارة (SRP) على ببتيد إشارة N-terminal للبروتين الناشئ. [12] يوقف ارتباط SRP التخليق مؤقتًا بينما يتم نقل مركب بروتين الريبوسوم إلى مستقبل SRP على ER في حقيقيات النوى ، وغشاء البلازما في بدائيات النوى. [13] هناك ، يتم إدخال البروتين الناشئ في الترانكون ، وهي قناة موصلة للبروتين مرتبطة بالغشاء تتكون من مجمع الانتقال Sec61 في حقيقيات النوى ، ومجمع SecYEG المتماثل في بدائيات النوى. [14] في البروتينات الإفرازية وبروتينات الغشاء من النوع الأول ، يتم قطع تسلسل الإشارة فورًا من عديد الببتيد الناشئ بمجرد نقله إلى غشاء ER (حقيقيات النوى) أو غشاء البلازما (بدائيات النوى) عن طريق ببتيداز الإشارة. لا يتم قطع تسلسل الإشارة لبروتينات الغشاء من النوع الثاني وبعض بروتينات الغشاء متعدد التنظير وبالتالي يشار إليها باسم تسلسل مرساة الإشارة. داخل ER ، يتم تغطية البروتين أولاً بواسطة بروتين مساعد لحمايته من التركيز العالي للبروتينات الأخرى في ER ، مما يمنحه الوقت للانطواء بشكل صحيح. بمجرد طيها ، يتم تعديل البروتين حسب الحاجة (على سبيل المثال ، عن طريق الارتباط بالجليكوزيل) ، ثم يتم نقله إلى Golgi لمزيد من المعالجة ويذهب إلى عضياته المستهدفة أو يتم الاحتفاظ به في ER بواسطة آليات الاحتفاظ بالـ ER.

    تمر سلسلة الأحماض الأمينية لبروتينات الغشاء ، والتي غالبًا ما تكون مستقبلات عبر الغشاء ، عبر غشاء مرة أو عدة مرات. يتم إدخال هذه البروتينات في الغشاء عن طريق النقل ، حتى تنقطع العملية عن طريق تسلسل إيقاف نقل ، يُسمى أيضًا مرساة الغشاء أو تسلسل مرساة الإشارة. [15] تتميز بروتينات الغشاء المعقدة هذه حاليًا باستخدام نفس نموذج الاستهداف الذي تم تطويره للبروتينات الإفرازية. ومع ذلك ، فإن العديد من البروتينات المعقدة متعددة الأغشية تحتوي على جوانب هيكلية لا تتناسب مع هذا النموذج. سبعة مستقبلات مقترنة بالبروتين G عبر الغشاء (والتي تمثل حوالي 5 ٪ من الجينات في البشر) لا تحتوي في الغالب على تسلسل إشارة أميني طرفي. على عكس البروتينات الإفرازية ، يعمل المجال الغشائي الأول كتسلسل إشارة أول ، والذي يستهدفها إلى غشاء ER. ينتج عن هذا أيضًا انتقال الطرف الأميني للبروتين إلى تجويف غشاء ER. هذا الإزاحة ، الذي تم إثباته باستخدام opsin في التجارب المخبرية ، [16] [17] يكسر النمط المعتاد للانتقال "co-translational" الذي كان دائمًا قائمًا لبروتينات الثدييات التي تستهدف ER. لا يزال يتعين توضيح قدر كبير من آليات طوبولوجيا الغشاء والطي.

    تحرير ما بعد الترجمة الترجمة

    على الرغم من أن معظم البروتينات الإفرازية يتم نقلها بشكل مشترك ، يتم ترجمة بعضها في العصارة الخلوية ثم يتم نقلها لاحقًا إلى غشاء ER / البلازما عن طريق نظام ما بعد الترجمة. في بدائيات النوى ، تتطلب هذه العملية عوامل مساعدة معينة مثل SecA و SecB ويتم تسهيلها بواسطة Sec62 و Sec63 ، وهما بروتينان مرتبطان بالغشاء. [18] مركب Sec63 ، المضمن في غشاء ER ، يتسبب في التحلل المائي لـ ATP ، مما يسمح لبروتينات chaperone بالارتباط بسلسلة ببتيد مكشوفة وتنزلق البولي ببتيد في تجويف ER. مرة واحدة في التجويف ، يمكن طي سلسلة البولي ببتيد بشكل صحيح. تحدث هذه العملية فقط في البروتينات غير المطوية الموجودة في العصارة الخلوية. [19]

    بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم البروتينات التي تستهدف جهات خلوية أخرى ، مثل الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء أو البيروكسيسومات ، مسارات متخصصة لما بعد الترجمة. يتم أيضًا نقل البروتينات المستهدفة للنواة بعد الترجمة من خلال إضافة إشارة توطين نووية (NLS) تعزز المرور عبر الغلاف النووي عبر المسام النووية. [20]

    تحرير الميتوكوندريا

    يتم تصنيع معظم بروتينات الميتوكوندريا على شكل سلائف خلوية تحتوي على إشارات امتصاص الببتيد. تقدم مرافق العصارة الخلوية البروتينات الأولية إلى المستقبلات المرتبطة بالقناة في غشاء الميتوكوندريا. يرتبط البروتين المسبق الذي يستهدف الميتوكوندريا بالمستقبلات ومسام الاستيراد العامة (GIP) ، والمعروفة مجتمعة باسم ترانسيلوكاز الغشاء الخارجي (TOM) ، في الغشاء الخارجي. ثم يتم نقله من خلال TOM مثل حلقات دبوس الشعر. يتم نقل البروتين المسبق عبر الفضاء بين الغشاء بواسطة TIMs الصغيرة (التي تعمل أيضًا كمرافق جزيئي) إلى TIM23 أو TIM22 (غلاف الغشاء الداخلي) في الغشاء الداخلي. داخل المصفوفة يتم قطع تسلسل الاستهداف بواسطة mtHsp70.

    تُعرف ثلاثة مستقبلات للغشاء الخارجي للميتوكوندريا:

    1. توم 70: يرتبط بببتيدات الاستهداف الداخلي ويعمل كنقطة لرسو السفن لمرافقي العصارة الخلوية.
    2. توم 20: يربط التكليفات.
    3. توم 22: يربط كلاً من ببتيدات التواجد والاستهداف الداخلي.

    قناة TOM (TOM40) هي قناة موصلية عالية محددة الكاتيونات بوزن جزيئي 410 كيلو دالتون وقطر مسام يبلغ 21 درجة.

    يتم ترجمة presequence translocase23 (TIM23) إلى الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ويعمل كبروتين مكون للمسام يربط البروتينات الأولية مع نهايتها N. يعمل TIM23 كمترجم للبروتينات الأولية لمصفوفة الميتوكوندريا ، والغشاء الداخلي للميتوكوندريا وكذلك للمساحة بين الغشاء. يرتبط TIM50 بـ TIM23 في الجانب الداخلي للميتوكوندريا ووجد أنه يربط التوافقات. يرتبط TIM44 بجانب المصفوفة ووجد ارتباطًا بـ mtHsp70.
    يربط presequence translocase22 (TIM22) البروتينات المسبقة المرتبطة حصريًا بغشاء الميتوكوندريا الداخلي.

    تسلسل استهداف مصفوفة الميتوكوندريا غنية بالأحماض الأمينية موجبة الشحنة والأحماض الهيدروكسيلية.

    تستهدف البروتينات المقصورات تحت الميتوكوندريا بإشارات متعددة وعدة مسارات.

    غالبًا ما يتطلب استهداف الغشاء الخارجي والفضاء بين الغشاء والغشاء الداخلي تسلسل إشارة آخر بالإضافة إلى تسلسل استهداف المصفوفة.

    تحرير البلاستيدات الخضراء

    قد يحتوي البروتين المسبق للبلاستيدات الخضراء على تسلسل استيراد اللحمي أو تسلسل استهداف اللحمية والثيلاكويد. يتم نقل غالبية البروتينات الأولية من خلال مجمعات Toc و Tic الموجودة داخل غلاف البلاستيدات الخضراء. في السدى ، يتم قطع تسلسل استيراد اللحمية وطيها وكذلك يستمر الفرز داخل البلاستيدات الخضراء إلى الثايلاكويدات. عادة ما تفتقر البروتينات التي تستهدف غلاف البلاستيدات الخضراء إلى تسلسل الفرز القابل للانقسام.

    تحرير كل من البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا

    هناك حاجة إلى العديد من البروتينات في كل من الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. [21] بشكل عام ، يكون الببتيد مزدوج الاستهداف ذا طابع وسيط للنوعين المحددين. تحتوي الببتيدات المستهدفة لهذه البروتينات على نسبة عالية من الأحماض الأمينية الأساسية والطارئة للماء ، وهي نسبة منخفضة من الأحماض الأمينية سالبة الشحنة. لديهم محتوى أقل من الألانين ومحتوى أعلى من الليوسين والفينيل ألانين. تحتوي البروتينات المزدوجة المستهدفة على ببتيد استهداف مسعور أكثر من كل من الميتوكوندريا والبلاستيك الأخضر. ومع ذلك ، من الممل التنبؤ بما إذا كان الببتيد مستهدفًا مزدوجًا أم لا بناءً على خصائصه الفيزيائية والكيميائية.

    تحرير البيروكسيسومات

    يتم ترميز جميع بروتينات البيروكسيسومال بواسطة الجينات النووية. [22] يوجد حتى الآن نوعان من إشارات استهداف البيروكسيسوم المعروفة (PTS): [23]

    1. إشارة استهداف بيروكسيسوم 1 (PTS1): ثلاثي الببتيد ذو الطرف C مع تسلسل إجماعي (S / A / C) - (K / R / H) - (L / A). أكثر أنواع PTS1 شيوعًا هي سيرين ليسين ليوسين (SKL). تمتلك معظم بروتينات المصفوفة البيروكسيسومية إشارة من النوع PTS1.
    2. إشارة استهداف البيروكسيسوم 2 (PTS2): نوناببتيد يقع بالقرب من الطرف N مع تسلسل إجماع (R / K) - (L / V / I) -XXXXX- (H / Q) - (L / A / F) (حيث يمكن أن يكون X أي حمض أميني ).

    هناك أيضًا بروتينات لا تمتلك أيًا من هذه الإشارات. قد يعتمد نقلها على ما يسمى بآلية "عودة الظهر": ترتبط هذه البروتينات ببروتينات المصفوفة التي تمتلك PTS1 ويتم نقلها إلى مصفوفة بيروكسيسومال معًا. [24]

    يعتبر نقل البروتين معيبًا في الأمراض الوراثية التالية:

    كما نوقش أعلاه (انظر نقل البروتين) ، فإن معظم البروتينات المرتبطة بغشاء بدائية النواة والبروتينات الإفرازية تستهدف غشاء البلازما إما عن طريق مسار الترجمة المشترك الذي يستخدم SRP البكتيري أو مسار ما بعد الترجمة الذي يتطلب SecA و SecB. في غشاء البلازما ، يقوم هذان المساران بتوصيل البروتينات إلى SecYEG translocon من أجل الانتقال. قد يكون للبكتيريا غشاء بلازما واحد (بكتيريا موجبة الجرام) ، أو غشاء داخلي بالإضافة إلى غشاء خارجي مفصول بواسطة المحيط (بكتيريا سالبة الجرام). إلى جانب غشاء البلازما ، تفتقر غالبية بدائيات النوى إلى عضيات مرتبطة بالغشاء كما هو موجود في حقيقيات النوى ، ولكنها قد تجمع البروتينات على أنواع مختلفة من الشوائب مثل حويصلات الغاز وحبيبات التخزين.

    تحرير البكتيريا سالبة الجرام

    In gram-negative bacteria proteins may be incorporated into the plasma membrane, the outer membrane, the periplasm or secreted into the environment. Systems for secreting proteins across the bacterial outer membrane may be quite complex and play key roles in pathogenesis. These systems may be described as type I secretion, type II secretion, etc.

    Gram-positive bacteria Edit

    In most gram-positive bacteria, certain proteins are targeted for export across the plasma membrane and subsequent covalent attachment to the bacterial cell wall. A specialized enzyme, sortase, cleaves the target protein at a characteristic recognition site near the protein C-terminus, such as an LPXTG motif (where X can be any amino acid), then transfers the protein onto the cell wall. Several analogous systems are found that likewise feature a signature motif on the extracytoplasmic face, a C-terminal transmembrane domain, and cluster of basic residues on the cytosolic face at the protein's extreme C-terminus. The PEP-CTERM/exosortase system, found in many Gram-negative bacteria, seems to be related to extracellular polymeric substance production. The PGF-CTERM/archaeosortase A system in archaea is related to S-layer production. The GlyGly-CTERM/rhombosortase system, found in the Shewanella, Vibrio, and a few other genera, seems involved in the release of proteases, nucleases, and other enzymes.


    Study challenging interactions with membrane proteins to improve drug design

    Figuring out the role a membrane protein plays in a cellular process requires understanding how it interacts with its ligands. This knowledge also helps in designing drugs that target these processes. The characterization of the interactions with ligands during drug discovery and development with label-free assays and in solution allows researchers to unravel molecular mechanisms and improve drug design.

    Improve drug design to target membrane proteins

    The human PepT1 transporter plays an important role in drug uptake and transport — which makes it a promising pharmacological target. Using DtpA — a bacterial homolog — this team measured the binding of peptides and drugs to DtpA with label-free MST. The data helped them model and improve drug design for the human transporter. Additionally, they looked at how nanobodies stabilized the transporter for crystallization and structure determination with label-free nanoDSF.

    Identify key ligand binding sites in solution

    The NRT1.1 proton-coupled transporter is responsible for nitrogen assimilation and nitrate transport in plants. In nature, it switches between low and high affinity nitrate binding states in response to falling nitrate levels via a process of phosphorylation. To understand this mechanism, researchers used MST to determine how nitrate binding to GFP-fused NRT1.1 in detergent was affected by phosphorylation and point mutations. In combination with crystallography data, they revealed a key amino acid residue for nitrate binding and showed how phosphorylation of the transporter allows it to switch binding states.


    Membrane Protein Overview

    Membrane proteins represent about a third of the proteins in living organisms. Based on their structure, there are main three types of membrane proteins: the first one is integral membrane protein that is permanently anchored or part of the membrane, the second type is peripheral membrane protein that is only temporarily attached to the lipid bilayer or to other integral proteins, and the third one is lipid-anchored proteins (Fig. 1). Here we only describe the first two types of membrane protein.

    Fig. 1 Structural classification of membrane proteins

    According to their their relationship with the bilayer, integral membrane protein can be classified two primary types: integral polytopic proteins and Integral monotopic proteins. Integral polytopic proteins are also known as “transmembrane proteins” which can span across the membrane at least once (Fig. 2). These integral membrane proteins may have different transmembrane topology which refers to orientations (locations of N- and C-termini) of membrane-spanning segments with respect to the inner or outer sides of the biological membrane occupied by the protein. The first three types in the Fig. 2 are common forms in integral membrane proteins, such as, transmembrane α-helix protein, transmembrane α-helical protein and transmembrane β-sheet protein.

    Integral monotopic proteins are one type of integral membrane proteins that are attached to only one side of the membrane and do not span the whole way across. There are 4 types of interaction between Integral monotopic membrane protein and cell membranes: by an amphipathicα-helix paralle, by a hydrophobic loop, by a covalently bound membrane lipid and electrostatic or ionic interaction with membrane lipids (No. 4, 5, 6,7 of Fig. 2). Integral membrane proteins can be separated from the biological membranes only using detergents, nonpolar solvents, or sometimes denaturing agents. Peripheral proteins dissociate following treatment with a polar reagent, such as a solution with an elevated pH or high salt concentrations.

    Fig. 2 Seven types of Integral Membrane protein Structure

    The membrane is represented in yellow. 1. A single transmembrane α-helix (bitopic membrane protein). 2. A polytopic transmembrane α-helical protein. 3. A polytopic transmembrane β-sheet protein. 4. Interaction by an amphipathic α-helix parallel to the membrane plane (in-plane membrane helix). 5. Interaction by a hydrophobic loop. 6. Interaction by a covalently bound membrane lipid. 7. Ionic or electrostatic interactions with membrane lipids.

    Function of Membrane Proteins

    Membrane proteins play crucial roles in all organisms, where they serve as, such as membrane receptors, ion channels , GPCR (G protein–coupled receptors) and various kinds of نقل البروتينات . Membrane receptors that embedded in the cell membranes, which can transmit signals between the cell’s internal and external environments. Membrane transport protein (or transporter) is a kind of membrane protein that involved in the movement of ions, small molecules, or macromolecules across a biological membrane. About membrane transport protein, there is a detailed classification called Transporter Classification Database (or TCDB) approved by International Union of Biochemistry and Molecular Biology. Ion channels are one of most important type of membrane transport proteins. The functions of ion channel include establishing a resting membrane potential, shaping action potentials and other electrical signals by gating the flow of ions across the cell membrane, controlling the flow of ions across secretory and epithelial cells, and regulating cell volume. Some enzymes are also membranes proteins, for example oxidoreductase, transferase or hydrolase. Cell adhesion molecules that located on the cell surface involved in binding with other cells or with the extracellular matrix (ECM), allow cells to identify each other and interact. For example, proteins including Ig ( immunoglobulin ) superfamily involved in immune response. The following figure 3 summarizes membrane protein functions for easy to understand.

    Fig. 3 Membrane proteins functions

    Owing to their central role in basically all physiological processes, membrane proteins constitute around 60% of approved drug targets, and, therefore, their experimentally determined three – dimensional structures are eagerly sought to assist in structure – based drug design. Despite significant and considerable recent improvements, the expression of functionally folded membrane proteins in sufficient amounts for functional and structural studies is still a challenging task. Compared with soluble cytoplasmic proteins, a variety of difficulties in expression of membrane proteins. 1. Membrane proteins are not just released into the cytosol but must rather be targeted and translocated to their final destinations in membranes. In particular in eukaryotic cells, there is need a more complicated biological process requires sophisticated recognition and sorting mechanisms. 2. Copy number and capacity of prokaryotic and eukaryotic expression systems are limited because of translocation machineries, and translocation can be selective only for distinct groups of membrane proteins. 3. For structural and functional studies or other purposes, it is have to extract membrane protein from cellular after expression, followed by transfer into artificial and defined hydrophobic environments like micelles or liposomes. In this procedure, it is highly critical as membranes have to be disintegrated by relatively harsh detergents which can result in conformational aberrations or in unfolding of membrane proteins. It is therefore not surprising that the structural information obtained from membrane proteins with some 150 unique structures and only

    7% entries in the Protein Data Bank is lacking far behind the data obtained from soluble proteins.

    Core factors that determine the yield, integrity, activity and stability of synthesized membrane proteins mainly are the availability of highly processive transcription and translation machineries, suitable folding environments, the lipid composition of cellular membranes, the presence of efficient targeting systems and appropriate pathways for posttranslational modifications (PTMs). Expression of membrane proteins in expression systems/cellular background as closely related to their origin as possible may be the most reasonable strategy. However, the efficiency and workload of the individual expression systems are quite different, and preparative amounts of membrane proteins are often only obtained with bacterial, yeast or cell-free systems (Fig. 4).

    Fig. 4 Process design of membrane protein expression systems.

    Overview of protocol development for the most popular membrane protein expression systems. Basic optimization parameters characteristic for the individual expression systems are illustrated, and the most critical parts are indicated. Some optimization parameters are not considered: vector or target design, e.g. fusion technologies or modifications of the expression cassettes. Grey bars illustrate the success in obtaining membrane protein structures after using the individual expression systems, while white bars correspond to those membrane protein structures obtained only after recombinant expression. (F. Junge et al.)

    Although choosing an appropriate expression system need to consider many factors which may increase the complexity and time-consuming of research project, Creative Biolabs can provide comprehensive membrane protein production service which can help you decide optimization parameter and systems for your targeted experiments.

    Membrane Protein Antibody

    Membrane proteins represent the vast majority of clinical drug targets and are a focus of pharmaceutical and biotechnological interests. Despite significant and considerable recent improvements, the expression of functionally folded membrane proteins in sufficient amounts for functional and structural studies is still a challenging task. However, there are still many strategies for preparing membrane proteins that have been developed by Specialists from Creative Biolabs. من ناحية anti-membrane protein antibody discovery and production , Creative Biolabs is able to provide various methods from immune antibody library construction by phage display to native antibody discovery by antigen-specific B lymphocytes cytometry technology. If you are interested in discovering novel membrane protein antibodies, please feel free to contact us for more details.


    الملخص

    Cellular organelles in the exocytic and endocytic pathways have a distinctive spatial distribution and communicate through an elaborate system of vesiculo-tubular transport. Rab proteins and their effectors coordinate consecutive stages of transport, such as vesicle formation, vesicle and organelle motility, and tethering of vesicles to their target compartment. These molecules are highly compartmentalized in organelle membranes, making them excellent candidates for determining transport specificity and organelle identity.


    Mapping the folding process of a single membrane protein

    Proteins are huge molecules containing hundreds to thousands of atoms that adopt a unique three dimensional structure, placing chemical groups in just the right place to catalyze reactions or build cellular structures. How all those atoms manage to find the right location -- the so-called folding problem -- has fascinated molecular biologists since the first structures were seen in the 1950s. Moreover, folding has important medical implications because most genetic defects cause protein misfolding.

    About a third of all proteins float around in the cell membrane where they ensure the right chemicals get in the cell in the right amounts. Membrane proteins also provide key information links between the cell and its environment. Indeed, most drugs target membrane proteins. Nevertheless, the folding of membrane proteins has been particularly difficult to study and has rarely been studied in natural environments, leaving the folding process for a large fraction of the protein universe still largely cloaked in mystery.

    في العدد الأخير من بيولوجيا الطبيعة الكيميائية, published on October 19, 2015, a research team led by Tae-Young Yoon of the Department of Physics at the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) and James U. Bowie of the Department of Chemistry and Biochemistry at the University of California, Los Angeles (UCLA), report a new method for manipulating the folding of membrane proteins in a membrane environment using a tool called a magnetic tweezer.

    Researchers first attach long DNA handles to the ends of the protein. One handle is attached to a glass surface and the other to a magnetic bead. Using a magnet, they can essentially grab the protein and pull on it, inducing it to unfold. By playing with the bead attached to the protein, they can force the protein to unfold or allow it to refold, and watch all this happening by 3D-tracking of the magnetic bead. With this novel strategy, they were able to quantitatively map the folding energy landscape, the folding kinetic rate, and folding intermediates of a membrane protein in a membrane environment for the first time.

    "I have been dreaming about this experiment for a decade. To see it work so well is really gratifying," said Dr. Bowie.

    One of the major surprises in the study was that essentially all the atoms of the protein jump into the correct structure together. The researchers expected that the protein structure would come together in a more piecemeal fashion, with different parts of the structure forming separately, but that was not the case. It is possible that nature evolved such a smooth, highly cooperative folding process to prevent partially folded forms that could get into trouble in the crowded cell membrane. On the other hand, the cooperative folding seen here might not apply to other membrane proteins.

    "We need to look at more proteins. The technique developed here may allow us to do just that," said Dr. Yoon.

    The single molecule mechanical manipulation technique could enable detailed folding studies of many other membrane proteins. A major barrier to the study of membrane proteins previously is that the proteins tend to stick together and get tangled up, as computer cords lying at your feet tend to do. With the tweezer technique used in this work, the protein cords are held apart from other cords so they can't get knotted up. It is hoped that the new approach will open up an important part of the protein universe to scrutiny, including many proteins that become misfolded in disease states.

    The title of the research paper is "Mapping the energy landscape for second-stage folding of a single membrane protein."


    6 Important Types of Membrane Proteins (With Diagram)

    Some of the most important types of membrane proteins are as follows:

    1. Peripheral (Extrinsic) Proteins 2. Integral (Intrinsic) Proteins 3. Asymmetric Distribution of Membrane Proteins 4. Mobility of Membrane Proteins 5. Enzymatic Properties of Membrane Proteins 6. Isolation and Characterization of Membrane Proteins.

    1. Peripheral (Extrinsic) Proteins:

    Peripheral or extrinsic membrane proteins are gener­ally loosely attached to the membrane and are more readily removed than are the integral proteins. Peripheral proteins are rich in amino acids with hydrophilic side chains that permit interaction with the surrounding water and with the polar surface of the lipid bilayer. Peripheral proteins on the cell’s exterior membrane surface often contain chains of sugars (i.e., they are glycoproteins).

    2. Integral (Intrinsic) Proteins:

    Integral or intrinsic membrane proteins contain both hydrophilic and hydrophobic regions. The hydrophilic portions of the protein interact with the polar heads of the lipid molecules at each surface of the bimolecular leaflet.

    Portions of integral proteins that project be­yond the surface of the lipid bilayer are also rich in hy­drophilic amino acids. Amino acids in that part of the protein projecting from the outer membrane surface may be linked to chains of sugars. Parts of the protein that are buried in the hydrophobic portion of the lipid bilayer are rich in amino acids with hydrophobic side chains.

    These side chains are believed to form hydro­phobic bonds with the hydrocarbon tails of the mem­brane phospholipids. It is speculated that within the hydrophobic interior of the membrane, the secondary structure of integral proteins is alpha helix and/or beta sheet (Fig. 15-12).

    In the alpha helix conforma­tion, amino and carboxyl groups along a stretch of the polypeptide’s backbone form hydrogen bonds with one another in the beta sheet, hydrogen bonds are formed between amino and carboxyl groups in stretches of polypeptide that lie parallel to one another.

    In the absence of such hydrogen bonding, these amino and carboxyl groups would have polar proper­ties, their hydrophilic nature being incompatible with the membrane’s hydrophobic interior. Alpha amino and carboxyl groups that are not “neutralized” by hy­drogen bonding would be expected only in those parts of the integral protein that extend into the aqueous milieu on either side of the membrane.

    Integral Proteins That Span the Membrane:

    M. Bretscher first demonstrated the existence of inte­gral proteins that span the entire membrane. In a se­ries of elegant experiments, Bretscher showed that radioactive ligands specific for membrane proteins of the erythrocyte were bound in smaller quantities to intact cells than to disrupted cells. Disruption of the cells was shown to expose portions of the membrane proteins previously facing the cell interior, thereby al­lowing additional radioactive ligand to associate with the protein.

    T. L. Steck developed a technique for converting fragments of disrupted erythrocyte membranes into small vesicles that were either “right-side-out” (i.e., the external face of the membrane also formed the ex­ternal face of the vesicle) or “inside-out” (Fig. 15-13).

    When proteolytic enzymes were added to separate suspensions of each type of vesicle, certain of their membrane proteins were found to be equally suscepti­ble to digestion and could therefore be enzymatically attacked from either membrane surface. These pro­teins clearly spanned the membrane. Other proteins were susceptible to enzymatic digestion only when present in right-side-out or inside-out vesicles, indicat­ing their differential distribution in the membrane’s outer and inner surfaces.

    Integral proteins that span the entire membrane contain two outer regions that are hydrophilic (i.e., one at each surface of the membrane) the central re­gion is hydrophobic (Fig. 15-12). Carbohydrate asso­ciated with the hydrophilic region facing the cell’s sur­roundings is believed to play a role in maintaining the orientation of the protein within the membrane. The hydrophilic sugars, together with the hydrophilic side chains of amino acids in the out: region of the pro­tein, effectively prevent reorientation of the protein in the direction of the hydrocarbon core of the lipid bi­layer.

    3. Asymmetric Distribution of Membrane Proteins:

    The outer and inner regions of the plasma membrane do not contain either the same types or equal amounts of the various peripheral and integral proteins. For ex­ample, the outer half of the erythrocyte membrane contains far less protein than does the inner, half.

    In addition, various membrane proteins may be present in significantly different quantities the membranes of some cells contain a hundred times as many molecules of one protein species as another. Moreover, regard­less of absolute quantity, all copies of a given mem­brane protein species have exactly the same orienta­tion in the membrane.

    The differential distribution of proteins in the various regions of the plasma mem­brane within a single cell was described earlier in con­nection with liver parenchymal cells and intestinal epithelium. This irregular distribution of membrane proteins is known as membrane asymmetry. Not only are the proteins of plasma membranes asymmetri­cally distributed but so too are the proteins of the mem­branes of the endoplasmic reticulum and vesicular or­ganelles (e.g., mitochondria).

    4. Mobility of Membrane Proteins:

    When cells are grown in culture, there is an occasional fusion of one cell with another to form a larger cell. The frequency of cell fusion can be greatly increased by adding Sendai virus to the cell culture. In the pres­ence of this virus, even different strains of cells can be induced to fuse, producing hybrid cells or heterokaryons. D. Frye and M. Edidin utilized this phenom­enon to demonstrate that membrane proteins may not maintain fixed positions in the membrane but may move about laterally through the bilayer.

    Frye and Edidin induced the fusion of human and mouse cells to form heterokaryons and, using fluorescent antibody labels, followed the distribution of human and mouse membrane proteins in the heterokaryon during the time interval that followed fusion.

    At the onset of fu­sion, human and mouse membrane proteins were re­spectively restricted to their “halves” of the hybrid cell, but in less than an hour both protein types be­came uniformly distributed through the membrane (Fig. 15-14). The distribution of the membrane pro­teins was not dependent on the availability of ATP and was not prevented by metabolic inhibitors, indicating that lateral movement of proteins in the membrane oc­curred by diffusion.

    Although some membrane proteins are capable of lateral diffusion, many are not. G. Nicolson and others have obtained evidence suggesting that many integral proteins are restrained within the membrane by a pro­tein network lying just under the membrane’s inner surface (Fig. 15-9). In many cells, this network is as­sociated with a system of cytoplasmic filaments and microtubules that radiate through the cytosol forming a cytoskeleton.

    5. Enzymatic Properties of Membrane Proteins:

    Membrane proteins have been shown to possess enzy­matic activity. Table 15-1 lists some of the enzymes that are now recognized as constituents of the plasma membrane of various cells. To this list of proteins must be added receptor proteins (such as the insulin- binding sites of the liver plasma membrane) and struc­tural or non-enzymatic proteins.

    Ectoenzymes and Endoenzymes:

    Enzymes disposed in the plasma membrane may be characterized accord­ing to the membrane face containing the enzymatic activity. Accordingly, ectoenzymes are those enzymes whose catalytic activity is associated with the exterior surface of the plasma membrane the activity of plasma membrane endoenzymes is associated with the interior of the cell. Many (perhaps all) plasma membrane ectoenzymes are glycoproteins.

    6. Isolation and Characterization of Membrane Proteins:

    Because of the relative ease with which they may be purified, the plasma membranes of erythrocytes pro­vided much of the early information on the chemistry of proteins (and lipids) present in membranes. Now, however, plasma membranes can be obtained from many cell types in a reasonably uncontaminated state using various forms of density gradient centrifugation.

    Nonetheless, the individual protein constituents of the membrane are not so easily extricated for indi­vidual study because of their high degree of insolubil­ity. Varying degrees of success in extracting proteins from the plasma membrane have been achieved using organic detergents (especially sodium dodecyl sulfate, SDS) and concentrated solutions of urea, n-butanol, and ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA).

    These chemicals have a disaggregating effect on membranes and cause the release of many of the membrane pro­teins by dissociating the bonds that link the proteins together or to other membrane constituents. Often, the removal of these agents from a preparation of sol- ubilized membrane proteins is quickly followed by the reassociation or reaggregation of the proteins to form an intractable matrix.

    Once solubilized, the membrane proteins can be sep­arated into discrete classes using electrophoresis, chromatography, or other procedures. This generally demands that the dissociating agents be present in the separating medium (e.g., the electrophoresis gel, the column eluent, etc.) other­wise, application of the membrane extract to the me­dium is followed by membrane protein reaggregation into insoluble complexes that will not separate into distinct fractions.

    For example, the separation of liver plasma membrane proteins is achieved only if the electrophoresis gel contains SDS. The solubility problem has been one of the greatest barriers to progress in isolating and fully characterizing the proteins of membranes.

    Some of the plasma membrane enzymes listed in Table 15-1 have not actually been isolated from the membrane, as removal and isolation of the enzyme is not a prerequisite for establishing its presence. In­stead, the enzyme activity can be measured directly in the (un-solubilized) membrane preparation.


    شاهد الفيديو: #29 سبب فقدان المناعة المكتسبة فيروس السيدا VIH (قد 2022).


تعليقات:

  1. Ralph

    هذه الفكرة ستكون مفيدة.

  2. Ghalib

    وركضت في هذا. يمكننا التواصل حول هذا الموضوع.هنا أو في PM.

  3. Farnley

    لا تقرأ الكتب ...

  4. Nigor

    وأين فيك المنطق؟



اكتب رسالة