Functie en structuur van transmembraaneiwitten: gedetailleerde feiten

by

Transmembraaneiwitten of integrale membraaneiwitten zijn ingebed in het celmembraan en overspannen het lipide dubbellaagsmembraan. 

Deze transmembraaneiwitten hebben over het algemeen drie verschillende domeinen: een cytosolisch domein (voor het verzenden van signalen naar het inwendige van de cel), een transmembraandomein en een exoplasmatisch domein dat buiten de cel hangt en als receptor fungeert. De chemische aard en structuur van deze domeinen lopen sterk uiteen.

Toch is het transmembraandomein in het algemeen samengesteld uit hydrofobe residuen die in het algemeen de configuratie aannemen van ofwel een alfa-helix of een beta-sheet bestaande uit meerdere beta-strengen.

Integrale eiwitten omvatten bijna 20-30% van het eiwitgehalte van een cel, en deze zijn stevig in het membraan gefixeerd, zodat onderzoekers vaak hun toevlucht moeten nemen tot strengere voorwaarden met chaotrope middelen zoals 6-8M ureum, thiocyanaat, lithiumperchloraat of guanidinium chloride om de hydrofobe interacties van deze eiwitten met het membraan te verstoren om hun extractie te vergemakkelijken. 

Functie van transmembraaneiwitten

Deze eiwitten vervullen verschillende fysiologische functies in een cel, variërend van junctie-eiwitten tot herkenning, transport, verankering en transductie. 

GPCR's functioneren in verschillende celsignaleringsroutes en zijn een van de meest kritische typen receptoren die betrokken zijn bij uitgebreide fysiologische processen, zoals activering van transcriptie van bepaalde genen als reactie op een ligand.

Bacteriorhodopsine is een multipass-eiwit dat door fotosynthetische bacteriën wordt gebruikt om licht op te vangen. Absorptie van foton induceert bepaalde conformationele veranderingen in het eiwit, waardoor het een protongradiënt kan genereren die uiteindelijk zal worden gebruikt om ATP te synthetiseren.

aquaporines

Verschillende soorten aquaporines transporteren moleculen zoals water, in water oplosbare moleculen en glycerol over de celmembraan.

Aquaporine 0 (een homotetrameer) komt het meest voor in de ooglens van zoogdieren.

Aquaglyceroporines zijn uniek in het transporteren van ongeladen moleculen zoals ureum en ammoniak door het membraan. 

Het buitenmembraan van gramnegatieve bacteriën zoals E. coli heeft verschillende porines om verschillende disacchariden (suiker) de cel in te transporteren. 

Ionenkanalen

Veel alfa-helix bevatten integrale eiwitten van ionkanalen zoals spanningsafhankelijke natriumionkanalen, die cruciaal zijn bij het genereren van zenuwimpulsen.

Immuuncelreceptoren

T-celreceptor bevat alfa-helix en is van cruciaal belang voor het goed functioneren van de T-celreacties bij immuniteit tegen een ziekte. Hetzelfde geldt voor de B-celreceptoren. 

Diverse enzymen in bacteriën zijn transmembraaneiwitten, zoals het methaanmono-oxygenase-enzym, dat de CH-binding van methaan kan oxideren. 

Eiwitten gericht op verschillende cel organellen, zoals degenen die gericht zijn op het endoplasmatisch reticulum en andere, hebben een enzym dat signaalpeptidepeptidase wordt genoemd in het celmembraan.

Dit enzym herkent het organel-specifieke signaalpeptide in een binnenkomende polypeptideketen en splitst het, zodat het functioneert in de juiste subcellulaire distributie van verschillende polypeptideketens.

Subcellulaire lokalisatie

Eiwitten gericht op verschillende celorganellen, zoals die gericht op de endoplasmatisch reticulum en anderen hebben een enzym genaamd signaalpeptide peptidase in het celmembraan.

Dit enzym herkent het organel-specifieke signaalpeptide in een binnenkomende polypeptideketen en splitst het, zodat het functioneert in de juiste subcellulaire distributie van verschillende polypeptideketens.

Fosfolipasen

Fosfolipase A1 in het buitenmembraan van gramnegatieve bacteriën is een type III transmembraaneiwit. Het speelt een rol bij verschillende cellulaire activiteiten, waaronder de secretie van toxische peptiden, om er maar een paar te noemen. 

Junction-eiwitten

Deze transmembraaneiwitten zijn een cruciaal onderdeel van celadhesie aan de extracellulaire matrix en vormen verschillende verbindingen zoals gaten en nauwe verbindingen tussen cellen.

Gap junctions maken directe communicatie tussen cellen mogelijk. Gap junctions zorgen voor de uitwisseling van kleine moleculen zoals ionen, suikers en aminozuren. Connexine is een gap junction-eiwit. 

Mobiele herkenning

Geglycosyleerde transmembraaneiwitten zijn betrokken bij celherkenning en een bekend voorbeeld is ABO-bloedgroeptypering. Deze oligosachariden bepalen de bloedgroep van een persoon en zijn klinisch vrij belangrijk. 

Glucose transport

Verschillende transmembraaneiwitten vormen verschillende dragers en gepoorte kanalen in het membraan om de diffusie van verschillende moleculen te vergemakkelijken. GLUT-1 of glucosetransporter 1 is zo'n integraal membraaneiwit.

Structuur van transmembraaneiwitten

Structureel is de alfa-helix de meest voorkomende structuur in het transmembraandomein van integrale eiwitten, en een gedeeltelijke reden voor het overwicht van deze alfa-helix over andere secundaire structuren is gunstige hydrofobe en van der Waals-interacties tussen lipiden van de dubbellaag en hydrofobe amino zuurresten en hydrofobe zijketens van aminozuren. 

functie van transmembraaneiwitten
Structuur van transmembraaneiwitten van Wikipedia

De topologie van de transmembraaneiwitten tegenover het cytosol en de extracellulaire matrix zijn verschillend en blijven hetzelfde gedurende de levensduur van dit eiwit. Perifere eiwitten vertonen flip-flopbewegingen in een lipidedubbellaag, maar dergelijke bewegingen zijn een groot nee voor de transmembraaneiwitten. 

Type I transmembraaneiwitten

Deze eiwitten overspannen het membraan eenmaal.

Het aantal domeinen, vooral het transmembraandomein, dat zorgt voor een stabiele opname van eiwit in het membraan, hangt sterk af van het type eiwitten. T

Het aantal varieert gewoonlijk van één transmembraandomein tot vele. Glycoforine A op het oppervlak van RBC's is een algemeen single-pass transmembraan-eiwit dat gewoonlijk type I-transmembraan-eiwit wordt genoemd.

Type II transmembraaneiwitten

In tegenstelling tot type I-eiwitten overspannen G-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR's) het membraan zeven keer (type II transmembraaneiwitten) en worden daarom ook serpentine-receptoren genoemd.

Aquaporines zijn een ander voorbeeld van alfa-helix-bevattende transmembraaneiwitten die zijn geassocieerd met het transport van water, glycerol en andere in water oplosbare stoffen in de cel. Hydrofobe zijketens van het helixdomein worden uitgesloten van het inwendige van de helix en vormen van der Waal-interacties met de acylketens van de lipiden van de dubbellaag.

De helix bevat echter niet puur hydrofobe/ongeladen aminozuren. Het bevat ook hydrofiele/geladen aminozuren, die betrokken zijn bij de vorming van waterstofbruggen met andere geladen aminozuren van de helix, waardoor de helix zelf wordt gestabiliseerd. 

Type II transmembraaneiwitten

Alfa-helix zou het transmembraanmotief in de meeste eiwitten kunnen domineren, maar dit is niet het enige motief dat in een integraal eiwit wordt aangetroffen. Meerdere bèta-strengen zijn verbonden door een haarspeldlus van een tonvormige structuur, een bèta-barrel genaamd, die een holte in het midden herbergt voor het transport van moleculen.

Het is een veel voorkomend secundair motief in het geval van verschillende porines. Deze bètavaten die transmembraaneiwitten bevatten, worden gewoonlijk type III transmembraaneiwitten genoemd. 

Structureel zijn deze porinen homotrimeren omdat ze zijn samengesteld uit drie identieke subeenheden, waarbij elke subeenheid 16 bèta-strengen heeft die een vat vormen. Het inwendige van deze porine is hydrofiel om het transport van hydrofiele stoffen in de cel mogelijk te maken; het buitenste deel van dit bèta-vat is echter hydrofoob en het interageert met lipiden van de dubbellaag en zorgt voor de stabiliteit van deze porie.

Het unieke aan deze beta-barrel-eiwitten is een afwisselende rangschikking van hydrofobe en hydrofiele aminozuren. Meer dan 50 van dergelijke eiwitten bevatten een bèta-vat en zijn afhankelijk van de oriëntatie van bèta-strengen. Deze behoren tot drie hoofdcategorieën: het Griekse sleutelmotief, het jelly roll-motief en het op-en-neer-motief. 

Type IV transmembraaneiwitten

Sommige transmembraaneiwitten hebben extra lipide-ankers voor verdere stabilisatie, en deze staan ​​bekend als ofwel type IV transmembraaneiwitten of lipide-verankerde eiwitten.

De gebruikelijke lipide-ankers omvatten myristinezuur, palmitinezuur, geprenyleerde acylketens en glycofosfatidylinositol (GPI).

Hiervan worden GPI-ankers gevonden aan de buitenkant van de cel, dat wil zeggen, de exoplasmatische kant van de lipidedubbellaag, maar de rest van deze ankers worden gevonden aan de binnenkant van het membraan, wat de endo-cytosolische folder van het celmembraan is. 

Het 5-koolstofhoudende isopreen is de voorloper voor het bouwen van prenylankers. Bacteriën missen GPI-verankerde eiwitten, maar in eukaryoten zoals mensen voeren ze een breed scala aan functies uit, zoals receptorafhankelijke signaaltransductie, cellulaire adhesie en zelfs enzymatische functies. 

Conclusie

De structuur van deze eiwitten varieert van single-pass tot multiple pass-eiwitten, waarbij de meeste een alfa-helix herbergen als de overheersende secundaire structuur. Deze eiwitten zijn betrokken bij diverse functies, van het dienen als kanaaleiwitten tot celsignalering.

Lees ook: