Membránový proteín

Membránové proteíny sú skupina proteínov, ktoré sú asociované s biologickou membránou. Asociácia s membránou môže byť priama alebo môže byť sprostredkovaná lipidáciou, čiže posttranslačnou modifikáciou, pri ktorej je na molekulu proteínu kovalentne pripojená lipidová skupina. Viac ako 20 % génov v ľudskom genóme kóduje práve membránové proteíny, ktoré v organizme zohrávajú nenahraditeľné úlohy - tvoria receptory, ktoré sú na počiatku bunkovej signalizácie, napomáhajú v medzibunkovom kontakte, vytvárajú kanály a prenášače pre ióny a rôzne nízkomolekulárne látky a regulujú tak vstup a výstup látok z a do buniek.
Integrálne membránové proteíny.
Integrálne membránové proteíny sú najhojnejším typom membránových proteínov. S lipidovou dvojvrstvou sú asociované tak, že ich polypeptidový reťazec cez ňu prechádza minimálne jedenkrát. Ich orientácia v membráne nie je náhodná - jeden proteín je orientovaný v membráne vždy rovnako. V membráne sú integrované na základe fyzikálnochemických vlastností domény, ktorá prechádza cez membránu. Tzv. transmembránová doména sa vyznačuje tým, že ju tvoria predovšetkým hydrofóbne aminokyseliny, vďaka čomu je táto časť membránového proteínu z fyzikálneho hľadiska rozpustená v lipidovej dvojvrstve. Transmembránová doména väčšinou tvorí sekundárnu štruktúru, najčastejšie α-hélix a menej často β-skladaný list. Ak sa v transmembránovej doméne vyskytujú hydrofilné aminokyseliny, zväčša majú nejakú špeciálnu funkciu - buď prenášajú signál alebo sprostredkujú kontakt s ďalšími transmembránovými úsekmi toho istého alebo iného proteínu.
Medzi membránovými proteínmi je možné nájsť niekoľko často opakovaných súvislostí. Na hranici lipidovej dvojvrstvy a vody sa často vyskytujú aminokyseliny tyrozín a tryptofán, ktoré sú schopné interagovať ako s hydrofóbnou, tak aj s hydrofilnou fázou. Pozitívne nabité aminokyseliny (lyzín, histidín a arginín) majú tendenciu vyskytovať sa častejšie na cytosólovej strane. Ak je transmembránová doména tvorená β-skladaným listom, skoro nikdy sa nejedná o planárne β-listy a omnoho častejšia je štruktúra tzv. β-barelu, ktoré umožňujú tvorbu maximálneho množstva vodíkových mostíkov medzi jednotlivými aminokyselinami.
Podľa orientácie a podľa toho, koľkokrát prechádza polypeptidový reťazec lipidovou dvojvrstvou, sa integrálne membránové proteíny klasifikujú do viacerých skupín, označených rímskymi číslami. Väčšina integrálnych membránových proteínov prechádza membránu iba jedenkrát a má N-koniec na vonkajšej strane membrány, orientovaný von z bunky (typ I). Opačne orientované proteíny majú na vonkajšej strane C-koniec (typ II). Polypeptidový reťazec niektorých proteínov prechádza membránou viackrát (typ III), z toho pri niekoľkých proteínoch sú transmembránové domény viacerých polypeptidových reťazcov asociované, čím tvoria kanál (typ IV). Transmembránové proteíny typu V sú zakotvené v membráne pomocou lipidácie a niekoľko proteínov využíva kombináciu typu V a jedného z typov I-IV (typ VI).
Predikcia transmembránovej domény.
To, či sa jedná o integrálny membránový proteín, je možné zistiť na základe jeho sekvencie. Ak sa v sekvencii proteínu nachádza viac ako 20 za sebou nasledujúcich hydrofóbnych aminokyselín, skoro stopercentne sa jedná o integrálny membránový proteín. 20 hydrofóbnych aminokyselín je minimálny dostatočný počet aminokyselín, ktorých reťazec je dostatočne dlhý na prekonanie hrúbky membránovej dvojvrstvy vo forme α-hélixu. Pre presnejšiu predikciu transmembránovej domény sa používa tzv. hydropatický index. Ten sa určuje tak, že pre každú aminokyselinu sa individuálne spočíta hydropatický index, čo je voľná energia, ktorá je uvoľnená pri prechode danej aminokyseliny a určeného počtu (7-20) okolitých aminokyselín z hydrofilného do hydrofóbneho prostredia. Tieto indexy sa vynášajú do tzv. hydropatického grafu, z ktorého sa dá jednoducho zistiť počet aminokyselín v transmembránovej doméne a jej dĺžka. Nevýhodou hydropatických grafov je, že nedokážu presne predpovedať výskyt transmembránového β-barelu. V štruktúre β-skladaného listu je totiž polypeptidový reťazec viac natiahnutý a na jeho prechod postačuje 7-9 aminokyselín. Navyše, hydrofóbna je s určitosťou len každá druhá (zväčša aromatická) aminokyselina - ostatné aminokyseliny môžu, ale nemusia byť hydrofóbne. Predikcia β-barelových štruktúr teda nevyužíva hydropatické grafy, ale sekvencie už vyriešených štruktúr β-barelov.
Periférne membránové proteíny.
Periférne membránové proteíny sú také proteíny, ktoré asociujú s biologickou membránou elektrostatickými interakciami a vodíkovými mostíkmi tvorenými medzi hydrofilnými aminokyselinami proteínu a polárnymi skupinami membránových lipidov. Na rozdiel od integrovaných proteínov môžu byť z membrány uvoľnené miernymi reagentmi (napr. karbonátom pri vysokom pH).
Amfitropické proteíny.
Amfitrofické proteíny sú také proteíny, ktoré sa v bunke nachádzajú aj v cytosole a aj na membráne. Ich asociácia s membránou je daná nekovalentnými interakciami alebo lipidáciou. Prítomnosť týchto proteínov na membráne je často regulovaná - napríklad ich fosforylácia alebo naviazane ligandu na ne môže spôsobiť ich konformačnú zmenu, vďaka ktorej sa odhalujú predtým skryté aminokyseliny, ktoré interagujú s membránou.
Lipidované proteíny.
Typ V a VI integrálnych membránových proteínov vyžaduje ich kovalentnú modifikáciu, tzv. lipidáciu. Ide o kovalentné pripojenie hydrofóbnej molekuly na aminokyselinový zvyšok proteínu, ktorý umožňuje jeho zakotvenie v membráne. Môže ísť o pripojenie palmitoylovej skupiny na cysteín (prípadne serín) proteínu (palmitoylácia), myristylu na N-koniec glycínu (N-myristylácia), farnezylovej alebo geranylgeranylovej skupiny na C-terminálny cysteín (farnezylácia) alebo tzv. GPI (glykofosfatidylinozitolovej) kotvy na C-koniec proteínu. Tento typ integrácie proteínu do membrány je omnoho slabší a na rozdiel od ostatných typov je integrácia často reverzibilná. Zakotvenie na membráne je väčšinou posilnené viacnásobnou lipidáciou a interakciou kladne nabitých aminokyselín so záporne nabitými fosfátmi na vonkajšej strane biologickej membrány. Lipidácia môže zohrávať rolu v cielení proteínov na určené miesta. Proteíny zakotvené pomocou GPI kotvy sa nachádzajú výlučne na vonkajšej strane bunky, pričom ak je daná bunka polarizovaná, tak skoro výlučne na jej apikálnej membráne. Naopak, farnezylované proteíny sa vždy nachádzajú na vnútornej strane membrány.