Transmembraansed valgud

Transmembraansed valgud on integraalsed valgud, mis läbivad rakumembraani täies ulatuses. Nad koosnevad kolmest regioonist: rakuvälisest (ekstratsellulaarsest), membraanisisesest ja rakusisesest (intratsellulaarsest) domeenist. Neid valke saab üksteisest eristada struktuuri, N- ja C-terminaalsete otste positsiooni ja membraani läbimise viisi alusel.
Transmembraanseid valke iseloomustab kindel konformatsioon rakumembraani suhtes, mis sõltub valgu ülesandest ning sünteesi eripäradest. Nad võivad läbida membraani üks või mitu korda. Kuigi transmembraansed valgud ei muuda suunda, võivad nad pöörelda ümber oma telje, mis on kaksikmembraaniga risti (rotatsiooniline difusioon). Samuti võivad nad liikuda ka lateraalselt (lateraalne difusioon). Sellist nähtust täheldati esimesena inimese ja hiire heterokaarüonis.
Selleks, et hoida tasakaalu rakumembraaniga, on transmembraansed valgud amfipaatsed – omavad nii hüdrofoobseid kui ka hüdrofiilseid komponente. Hüdrofoobsed osad on kontaktis membraanisisese osaga ning hüdrofiilsed osad rakuvälisega.
Transmembraansed valgud on enamiku elusolenditele elutähtsad ainete transportijatena ja info edastajatena, olles asendamatud elemendid organismi arengus, hingamises, metabolismis, närvisüsteemi talitluses ja paljus muus. Transmembraansed valgud neureksiin(NRXN) ja neuroligiin(NLGN) moodustavad omavahel sideme, luues ja hoides parajat, sobivat vahemaad ka meie närvirakkude vahel peaajus, keemilistes sünapsides. Väga väike, kuid kindel kaugus kahe neuroni vahel on hädavajalik närviimpulsi virgatsainete abil toimuvaks edasikandumiseks läbi sünapsi pilu.

Ajalugu

Transmembraansed valgud on kergesti agregeeruvad ja denatureeruvad, enamjaolt kahemõõtmelised ja membraaniga tugevalt seotud, mistõttu on nende kristalliseerimine ja uurimine raskendatud. Märkimisväärsete avastuste tegemiseks on aga vaja tunda molekuli struktuuri piisavalt hästi.
1975. aastal sekveneeriti esimene integraalne valk, glükoforiin. Samal aastal suudeti esimest korda elektronmikroskoobi abil tuvastada transmembraanse valgu, bakterirodopsiini, alfaheeliksiline struktuur. See pani aluse paljudele uurimustele, mis keskendusid struktuuri ja funktsiooni vahelistele suhetele.
Suurem läbimurre toimus 1984. aastal, kui J. Deisenhofer, H. Michel ja R. Huber suutsid Jim Alleni töö põhjal kristalliseerida fotosünteesi reaktsioonitsentri Rhodobacter sphaeroides-e rakumembraanist. See võimaldas nende valkude struktuuri paremini mõista. Arvutiprogrammide abil üritati selgeks teha, milline osa valgust interakteerub membraanisisese osaga. Analüüsiti ka valgu aminohappelist koostist. Selle tulemusena saadi parem ülevaade valk-membraan interaktsioonidest.
Tänaseks on välja töötatud uusi uurimimismeetodeid, mis teevad valkude vaatlemise hõlpsamaks. Hinnangute kohaselt moodustavad transmembraansed valgud umbes veerandi meie genoomi kodeeritud valkudest, ravimite märklaudadeks on nendest aga üle poolte. Hoolimata sellest, on võrreldes lahustuvate valkudega neid uuritud vähe, mistõttu on tegu perspektiivika uurimisalaga.

Alfaheeliksiline ehitus

Alfaheeliksid on sekundaarsed struktuurid, mida iseloomustab paremalt poolt rullumine või spiraalne konformatsioon ning milles iga selgroo moodustav N-H rühm loovutab vesiniksideme C=O aminohappelisele rühmale.
Alfaheelikseid leidub nii bakterite kui ka eukarüootide sise- ja välismembraanides.
Alfaheeliks on kõige levinum valgustruktuur transmembraansetes valkudes. Taoline helikaalne struktuur tasakaalustab kõik vesiniksidemed molekulisiseselt ning ei tekita polaarseid rühmi, mis hüdrofoobse rakumembraaniga reageeriksid. Antud valgud võivad olla läbi membraani ankurdatud ühe või enama heeliksi abil. Tuntud on näiteks seitsmeheeliksiline rodopsiin või G-valguga seotud retseptorid.

Beetaheeliksiline ehitus

Beetasilindrite puhul on mitmed polüpeptiidide ahelad paigutunud beeta lehtedeks, mis on omakorda kokku rullunud, moodustades beetasilindri. Praeguseks on teada kaheksa kuni 22-ahelalised beetasilindrid, mis võivad olla nii monomeerid kui ka oligomeerid. Membraani läbiva beetasilindri valgud on vähem hüdrofoobsed kui alfaheeliksi valgud, mistõttu on mõlemal valgul välja arenenud erinevad pakkimismehhanismid ja membraani toimetamise viisid. Samuti erinevad ka nende funktsioonid ja põhilised esinemiskohad. Eelkõige on beetasilindrid levinud poriinides, mitokondrite ja kloroplastide membraanides ning paljudes bakterites. Lisaks ainete transpordile võivad beetasilindrid täita ka retseptori rolli, viia läbi aktiivset ioontransporti, toimida ankrutena või kaitsta ründajavalkude eest. Näiteks on E. coli OmpA valk kasutusel bakteriviiruse retseptorina. On olemas ka väikseid beetasilindreid, mis on täidetud aminohappeahela kõrvalharudega, mis võivad käituda kui ensüümid.

Topoloogiline jaotus

Transmembraanse valgu topoloogia kirjeldab valgu N- ja C-terminaalsete domeenide asetust läbi bioloogilise membraani. Kõik beetasilinder transmembraansed valgud on kirjeldatavad lihtsa sisse-välja topoloogiaga. See viitab nende ühisele evolutsioonilisele seotusele ning funktsioonidele.
Alfaheeliksilised transmembraansed valgud jaotuvad I, II, III ja IV tüüpi valkudeks. Esimesed kolm läbivad membraani kaksikkihti vaid ühe korra. I tüüpi transmembraansetel valkudel on sünteesi ajal N-terminaalne domeen suunatud endoplasmaatilise retiikulumi luumeni suunas. Nad kinnitatakse membraani külge ülekannet peatava ankurjärjestusega. II ja III tüüpi valgud kinnitatakse signaal-ankur järjestusega. II tüüpi valgul on endoplasmaatilise retiikulumi poole suunatud C-terminaalne domeen, III tüüpi valgul aga N-terminaalne domeen. IV tüüpi transmembraansed valgud läbivad membraani mitmeid kordi. Nad koosnevad IV-A ja IV-B subühikutest, mille N-terminaalsed domeenid osutavad eri suundadesse. Kõige kergem on nende valkude tüüpe määrata just translokatsiooni ajal ehk siis, kui neid membraani paigutatakse.
On olemas mitmeid andmebaase, mis aitavad määrata transmembraansete valkude tüüpe, nagu Uniprot, OPM, TOPDB ja TOPCONS.

Alfahelikaalsed kanalid ja ioonkanalid

Need valgud on laialt levinud nii kõrgemates eukarüootides kui ka bakterites. Reeglina ei vaja nad lisaenergiat, et aineid transportida. Alfahelikaalsed kanalid ja ioonkanalid koosnevad alfahelikaalsetest valkudest, kuid võivad sisaldada ka mõnda beetaahelat.
Siia rühma kuuluvad ligand-reguleeritud kanalid (atsetüülkoliini retseptor), depolarisatsioon-reguleeritud kanalid (kaltsiumi aktiveeritud kloriidi kanal), CorA metalliiooni transporterid jne.

Beetasilinderporiinid

Beetasilinderporiinid moodustavad membraani läbivaid poore, mis ei vaja energiat, et aineid läbi lasta. Koosnevad eksklusiivselt beetaahelatest, mis reeglina moodustavad beetasilindri. Esinevad peamiselt mitokondrite, plastiidide ja gramnegatiivsete bakterite membraanides.

Poore moodustavad toksiinid

Siia kuuluvad valgud ja peptiidid, mida toodab üks rakk, et sisestada need teise raku membraani. Poorid luuakse kas toksiliste vabade elektrolüütide abiga või rakku tapva või üle võtva valgu abil.

Mitteribosomaalselt sünteesitud kanalid

Mitteribosomaalselt sünteesitud kanalid moodustuvad L- ja D-aminohapetest ja muudest väikestest molekulidest ning loovad oligomeerseid transmembraanseid ioonkanaleid. Neid kasutavad osad bakterid ja seened.

Uniporterid, sümporterid ja antiporterid

Need valgud võivad olla nii ioonkanalid kui ka kandjavalgud.
Uniporterid seonduvad ühe substraadimolekuliga korraga, transportides selle kontsentratsioonigradiendi suunas. Uniportereid võivad aktiveerida laeng, rõhk või ligandid. Eriti olulised on nad aktsioonipotentsiaali mehhanismis närvisüsteemis. Sümporterid lasevad läbi mitu molekuli korraga elektrokeemilise gradiendi suunas ning kontsentratsioonigradiendile vastu. Näiteks Na+/glükoosi sümporter võimaldab transportida glükoosi ka sinna, kus selle kontsentratsioon on kõrgem. Antiporter töötab analoogselt sümporterile, kuid transpordib eri aineid eri suundades.

Primaarsed aktiivsed transporterid

Primaarsed aktiivsed transporterid võimaldavad transportida aineid vastu kontsentratsioonigradienti. Nad saavad energia primaarsest energiaallikast (valgusenergia, keemiline energia, elektrienergia), mitte sekundaarsest ioongradiendist.

Difosfaatsideme hüdrolüüsist sõltuv transporter

Need transporterid hüdrolüüsivad energia saamiseks ATP või mõne teise nukleosiidtrifosfaadi molekuli.
Difosaatsideme hüdrolüüsist sõltuv transporter on üks kõige levinumatest transporteritest. Näiteks Ca2+ ATPaas, mis aitab väljutada Ca2+ pärast lihase kontrakteerumist.

Oksüdoreduktsioonist sõltuv transporter

Oksüdoreduktsioonist sõltuvad transporterid saavad oma energia redutseeritud substraadilt oksüdeeritule liikuvast elektronide voost.

Valgusenergiast sõltuvad transporterid

Valgusenergiast sõltuvad transporterid kasutavad energiaallikana valgusenergiat. Siia hulka kuuluvad fotosünteesi reaktsioonitsenter ning seene ja arhe rodopsiinid.

Dekarboksülatsioonist sõltuvad transporterid

Dekarboksülatsioonist sõltuvad transporterid on prokarüootidele omased transporterid, mis saavad oma energia teatud substraatide dekarboksülatsioonist.