Основные внутренние белки - Major intrinsic proteins

Основной внутренний белок
PDB 1fx8 EBI.jpg
Структура глицерин-проводящего канала.[1]
Идентификаторы
СимволMIP
PfamPF00230
ИнтерПроIPR000425
PROSITEPDOC00193
SCOP21fx8 / Объем / СУПФАМ
TCDB1.A.8
OPM суперсемейство7
Белок OPM1z98
CDDcd00333

Основные внутренние белки составляют большое суперсемейство трансмембранных белковых каналов, сгруппированных вместе на основе гомологии. Суперсемейство MIP включает три подсемейства: аквапорины, акваглицеропорины и S-аквапорины.[2]

  1. В аквапорины (AQP) селективны к воде.
  2. В акваглицеропорины проницаемы для воды, но также и для других небольших незаряженных молекул, таких как глицерин.
  3. Третье подсемейство с небольшими консервативными аминокислотными последовательностями вокруг блоков NPA включает 'супераквапорины '(S-аквапорины).

Опубликована филогения каналов семейства MIP насекомых.[3][4][5]

Семьи

Есть две семьи, которые принадлежат к MIP суперсемейство.

Основное семейство внутренних белков (TC # 1.A.8)

Семейство MIP большое и разнообразное, оно включает тысячи членов, которые образуют трансмембранные каналы. Эти белки каналов функционируют при транспортировке воды, небольших углеводы (например., глицерин ), мочевина, NH3, CO2, ЧАС2О2 и ионы энергонезависимыми механизмами. Например, канал глицерина, FPS1p из Saccharomyces cerevisiae опосредует поглощение арсенита и антимонита.[6] Ионная проницаемость, по-видимому, происходит по пути, отличному от того, который используется для транспорта вода / глицерин, и может включать канал на границе раздела 4 субъединиц, а не каналы через субъединицы.[7] Члены семейства MIP повсеместно обнаруживаются у бактерий, архей и эукариот. Филогенетическая кластеризация белков в первую очередь основана на типах организмов происхождения, но один или несколько кластеров наблюдаются для каждого филогенетического царства (растения, животные, дрожжи, бактерии и археи).[8] MIPs подразделяются на пять подсемейств у высших растений, включая плазматические мембраны (PIPs), тонопласты (TIPs), NOD26-подобные (NIPs), малые базовые (SIP) и неклассифицированные внутренние белки X (XIP). Один из кластеров растений включает только белки тонопластов (TIP), а другой - плазматическая мембрана (PIP) белки.[9]

Основной внутренний белок

Основной внутренний белок (MIP) хрусталика глаза человека (Aqp0), в честь которого было названо семейство MIP, составляет около 60% белка в клетке хрусталика. В родном виде это аквапорин (AQP), но в процессе развития хрусталика он протеолитически укорачивается. Канал, в котором обычно находится 6-9 молекул воды, сужается, поэтому остаются только три, и они оказываются в замкнутой конформации.[10][11] Эти усеченные тетрамеры образуют межклеточные адгезивные соединения (голова к голове), давая кристаллический массив, который опосредует формирование линзы с плотно упакованными клетками, необходимыми для образования прозрачной линзы.[12] Липиды кристаллизуются вместе с белком.[13] Активность ионных каналов показана для аквапоринов 0, 1, и 6, Дрозофила 'Big Brain' (нагрудник)[14] и завод Нодулин-26.[15] Была рассмотрена роль аквапоринов в развитии рака у человека, а также пути их складывания.[16][17] AQP могут действовать как трансмембранные осмосенсоры в эритроцитах, секреторных гранулах и микроорганизмах.[18] Были рассмотрены белки суперсемейства MIP и варианты их фильтров селективности.[19]

Аквапорин

Известный в настоящее время аквапорины класть вместе, как это делают известные глицериновые помощники.[20] Считается, что белки семейства MIP образуют водные поры, которые избирательно обеспечивают пассивный перенос растворенного вещества (веществ) через мембрану с минимальным видимым распознаванием. Аквапорины избирательно переносят глицерин, а также воду, в то время как глицерин-фасилитаторы избирательно переносят глицерин, но не воду. Некоторые аквапорины могут переносить NH3 и CO2. Глицерин-фасилитаторы действуют как неспецифические каналы растворенных веществ и могут транспортировать глицерин, дигидроксиацетон, пропандиол, мочевину и другие небольшие нейтральные молекулы в физиологически важных процессах. Некоторые члены семейства, включая дрожжевой белок Fps1 (ТК № 1.A.8.5.1 ) и табак NtTIPa (ТК № 1.A.8.10.2 ) может переносить как воду, так и мелкие растворенные вещества.[20]

Примеры

Список почти 100 классифицированных в настоящее время членов семейства MIP можно найти в База данных классификации транспортеров. Некоторые из каналов семейства MIP включают:

  • Млекопитающее основной внутренний белок (МИП). MIP является основным компонентом щелевых переходов линзового волокна.
  • Млекопитающее аквапорины.[20] (ИнтерПро: IPR012269 Эти белки образуют водоспецифические каналы, которые обеспечивают плазматические мембраны эритроцитов, а также проксимальные почечные и собирающие канальцы с высокой проницаемостью для воды, тем самым позволяя воде двигаться в направлении осмотического градиента.
  • Нодулин-26 сои, основной компонент перибактероидной мембраны, индуцируемый во время клубеньков в корнях бобовых после Ризобий инфекция.
  • Внутренние белки тонопластов растений (TIP). Существуют различные изоформы TIP: альфа (семя), гамма, Rt (корень) и Wsi (вызванный водным стрессом). Эти белки могут способствовать диффузии воды, аминокислот и / или пептидов из внутренней части тонопласта в цитоплазму.
  • Бактериальный белок-помощник глицерина (ген glpF), который облегчает неспецифическое перемещение глицерина через цитоплазматическую мембрану.[21]
  • Сальмонелла тифимуриум посредник диффузии пропандиола (ген pduF).
  • Дрожжевой FPS1, белок-усилитель захвата / оттока глицерина.
  • Дрозофила нейрогенный белок «большой мозг» (нагрудник). Этот белок может опосредовать межклеточную коммуникацию; он может функционировать, позволяя транспортировать определенные молекулы и тем самым посылая сигнал экзодермальной клетке, чтобы она стала эпидермобластом вместо нейробласта.
  • Дрожжевой гипотетический белок YFL054c.
  • Гипотетический белок из области pepX Lactococcus lactis.

Структура

Каналы семейства MIP состоят из гомотетрамеров (например, GlpF из Кишечная палочка; ТК № 1.A.8.1.1, AqpZ г. Кишечная палочка; ТК № 1.A.8.3.1, и MIP или Aqp0 из Bos taurus; ТК № 1.A.8.8.1 ). Каждая субъединица охватывает мембрану шесть раз в виде предполагаемых α-спиралей. Полагают, что 6 доменов TMS возникли из генетического элемента, кодирующего три ключа, в результате тандемного события внутригенной дупликации. Таким образом, две половины белков имеют противоположную ориентацию в мембране. Хорошо консервативная область между ТМС 2 и 3 и ТМС 5 и 6 погружается в мембрану, каждая петля образует половину ТМС.[22][23] Обычным аминоацильным мотивом в этих переносчиках является мотив аспарагин-пролин-аланин (NPA). Аквапорины обычно имеют мотив NPA в обеих половинах, глицериновые фасилитаторы обычно имеют мотив NPA в первой части и мотив DPA во второй половине, а супер-аквапорины имеют плохо консервативные мотивы NPA в обеих половинах.[2]

Фасилитатор поглощения глицерина

Кристаллическая структура глицеринового ускорителя Кишечная палочка (ТК № 1.A.8.1.1 ) решена с разрешением 2.2 Å (PDB: 1FX8​).[24] Молекулы глицерина образуют единый файл внутри канала и проходят через узкий фильтр селективности. Два консервативных мотива D-P-A в петлях между TMS 2 и 3 и TMS 5 и 6 образуют интерфейс между двумя дублированными половинами каждой субъединицы. Таким образом, каждая половина белка образует 3,5 ТМС, окружающих канал. Структура объясняет, почему GlpF избирательно проницаем для углеводов с прямой цепью, и почему вода и ионы в значительной степени исключены. Аквапорин-1 (AQP1) и бактериальный глицерин-фасилитатор, GlpF может транспортировать O2, CO2, NH3, глицерин, мочевина и вода в различной степени. Для небольших растворенных веществ, проходящих через AQP1, существует антикорреляция между проницаемостью и гидрофобностью растворенных веществ.[25] Таким образом, AQP1 является селективным фильтром для небольших полярных растворенных веществ, тогда как GlpF очень проницаем для небольших растворенных веществ и менее проницаем для более крупных растворенных веществ.

Аквапорин-1

Аквапорин-1 (Aqp1) из красных кровяных телец человека был определен с помощью электронной кристаллографии с разрешением 3,8 Å (PDB: 1FQY​).[26] Водный путь выстлан консервативными гидрофобными остатками, которые обеспечивают быстрый перенос воды. Селективность по воде обусловлена ​​сужением внутреннего диаметра пор примерно до 3 Å на протяжении одного остатка, что внешне аналогично таковому в глицериновом ускорителе E. coli. Несколько других недавно разрешенных кристаллических структур доступны в RCSB, включая, помимо прочего: PDB: 4CSK​, 1H6I​, 1IH5​.

Аквапорин-З

AqpZ, гомотетрамер (tAqpZ) четырех водопроводящих каналов, которые способствуют быстрому перемещению воды через плазматическую мембрану Кишечная палочка, решена с разрешением 3,2 Å (PDB: 2ABM). Все выстилающие каналы остатки в четырех мономерных каналах ориентированы почти в идентичных положениях, за исключением самого узкого сужения канала, где боковая цепь консервативного Arg-189 принимает две различные ориентации. В одном из четырех мономеров гуанидиногруппа Arg-189 указывает на периплазматический вестибюль, открывая сужение для связывания молекулы воды через тридентатную Н-связь. В трех других мономерах гуанидиногруппа Arg-189 изгибается, образуя Н-связь с карбонильным кислородом Thr-183, перекрывающим канал. Следовательно, структура tAqpZ имеет две разные конформации Arg-189, которые обеспечивают проникновение воды через канал. Чередование двух конформаций Arg-189 нарушает непрерывный поток воды, таким образом регулируя вероятность открытия водной поры. Кроме того, разница в смещениях Arg-189 коррелирует с сильной электронной плотностью, обнаруженной между первыми трансмембранными спиралями двух открытых каналов, указывая на то, что наблюдаемые конформации Arg-189 стабилизируются за счет асимметричных взаимодействий субъединиц в tAqpZ.[27] Другие разрешенные кристаллические структуры для AqpZ включают: PDB: 3НК5 ​, 3NKC​, 1RC2​.

PIP1 и PIP2

Решены трехмерные структуры открытых и закрытых форм растительных аквапоринов PIP1 и PIP2 (PDB: 4JC6). В закрытой конформации петля D закрывает канал от цитоплазмы и тем самым закупоривает пору. В открытой конформации петля D смещена на величину до 16 Å, и это движение открывает гидрофобные ворота, блокирующие вход в канал из цитоплазмы. Эти результаты показывают молекулярный механизм стробирования, который, по-видимому, сохраняется во всех аквапоринах плазматической мембраны растений. У растений он регулирует потребление / отвод воды в зависимости от наличия воды и pH цитоплазмы во время аноксии.[28]

Белки человека, содержащие этот домен

AQP1,AQP2,AQP3,AQP4,AQP5,AQP6,AQP7,AQP8,AQP9,AQP10,MIP

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Fu D, Libson A, Miercke LJ и др. (Октябрь 2000 г.). «Структура глицеринпроводящего канала и основы его селективности». Наука. 290 (5491): 481–6. Bibcode:2000Sci ... 290..481F. Дои:10.1126 / science.290.5491.481. PMID  11039922.
  2. ^ а б Бенга, Георге (01.12.2012). «Об определении, номенклатуре и классификации белков водных каналов (аквапоринов и родственников)». Молекулярные аспекты медицины. 33 (5–6): 514–517. Дои:10.1016 / j.mam.2012.04.003. ISSN  1872-9452. PMID  22542572.
  3. ^ Рейзер Дж., Рейзер А., Сайер мл. М. Х. (1993). «Семейство интегральных белков мембранных каналов MIP: сравнение последовательностей, эволюционные отношения, реконструированный путь эволюции и предполагаемая функциональная дифференциация двух повторяющихся половин белков». Крит. Rev. Biochem. Мол. Биол. 28 (3): 235–257. Дои:10.3109/10409239309086796. PMID  8325040.
  4. ^ Пао GM, Джонсон К.Д., Криспилс MJ, Sweet G, Sandal NN, Wu LF, Saier Jr MH, Hofte H (1991). «Эволюция семейства интегральных мембранных транспортных белков MIP». Мол. Микробиол. 5 (1): 33–37. Дои:10.1111 / j.1365-2958.1991.tb01823.x. PMID  2014003.
  5. ^ Финн, Родерик Найджел; Шовинье, Франсуа; Ставанг, Джон Андерс; Беллес, Ксавье; Серда, Жоан (01.01.2015). «Переносчики глицерина у насекомых возникли в результате функциональной кооптации и замены генов». Nature Communications. 6: 7814. Bibcode:2015 НатКо ... 6.7814F. Дои:10.1038 / ncomms8814. ISSN  2041-1723. ЧВК  4518291. PMID  26183829.
  6. ^ Wysocki, R .; Chéry, C.C .; Wawrzycka, D .; Van Hulle, M .; Cornelis, R .; Thevelein, J.M .; Тамаш, М. Дж. (01.06.2001). «Канал глицерина Fps1p опосредует поглощение арсенита и антимонита в Saccharomyces cerevisiae». Молекулярная микробиология. 40 (6): 1391–1401. Дои:10.1046 / j.1365-2958.2001.02485.x. ISSN  0950-382X. PMID  11442837.
  7. ^ Сапаров, С. М .; Козоно, Д .; Rothe, U .; Agre, P .; Поль П. (24 августа 2001 г.). «Проникновение воды и ионов аквапорина-1 в плоские липидные бислои. Основные различия в структурных детерминантах и ​​стехиометрии». Журнал биологической химии. 276 (34): 31515–31520. Дои:10.1074 / jbc.M104267200. ISSN  0021-9258. PMID  11410596.
  8. ^ Парк, JH; Сайер, М. Х. младший (октябрь 1996 г.). «Филогенетическая характеристика семейства белков трансмембранного канала MIP». Журнал мембранной биологии. 153 (3): 171–180. Дои:10.1007 / s002329900120. PMID  8849412. S2CID  1559932.
  9. ^ Мартинс, Кристина де Паула Сантос; Педроса, Андреса Мунис; Ду, Дунлянь; Гонсалвеш, Луана Перейра; Ю, Цибинь; Гмиттер, Фредерик Г .; Коста, Марсио Жилберто Кардозу (01.01.2015). «Полногеномная характеристика и анализ экспрессии основных внутренних белков во время абиотических и биотических стрессов в сладком апельсине (Citrus sinensis L. Osb.)». PLOS ONE. 10 (9): e0138786. Bibcode:2015PLoSO..1038786D. Дои:10.1371 / journal.pone.0138786. ISSN  1932-6203. ЧВК  4580632. PMID  26397813.
  10. ^ Гонен, Тамир; Чэн, Ифань; Кистлер, Йорг; Вальц, Томас (2004-09-24). «Мембранные соединения аквапорина-0 образуются при протеолитическом расщеплении». Журнал молекулярной биологии. 342 (4): 1337–1345. CiteSeerX  10.1.1.389.4773. Дои:10.1016 / j.jmb.2004.07.076. ISSN  0022-2836. PMID  15351655.
  11. ^ Гонен, Тамир; Слиз, Петр; Кистлер, Йорг; Чэн, Ифань; Вальц, Томас (2004-05-13). «Мембранные стыки Аквапорин-0 раскрывают структуру закрытой водной поры». Природа. 429 (6988): 193–197. Bibcode:2004Натура.429..193G. Дои:10.1038 / природа02503. ISSN  1476-4687. PMID  15141214. S2CID  4351205.
  12. ^ Гонен, Тамир; Вальц, Томас (01.11.2006). «Структура аквапоринов». Ежеквартальные обзоры биофизики. 39 (4): 361–396. Дои:10.1017 / S0033583506004458. ISSN  0033-5835. PMID  17156589.
  13. ^ Гонен, Тамир; Чэн, Ифань; Слиз, Петр; Хироаки, Йоко; Фудзиёси, Ёсинори; Харрисон, Стивен С.; Вальц, Томас (2005-12-01). «Липидно-белковые взаимодействия в двухслойных двумерных кристаллах AQP0». Природа. 438 (7068): 633–638. Bibcode:2005Натура.438..633Г. Дои:10.1038 / природа04321. ISSN  1476-4687. ЧВК  1350984. PMID  16319884.
  14. ^ Rao, Y .; Bodmer, R .; Jan, L. Y .; Ян, Ю. Н. (1992-09-01). «Ген большого мозга дрозофилы контролирует количество нейрональных предшественников в периферической нервной системе». Развитие. 116 (1): 31–40. ISSN  0950-1991. PMID  1483394.
  15. ^ Yool, Андреа Дж .; Кэмпбелл, Юэн М. (2012-12-01). «Структура, функция и трансляционная значимость двойных водных и ионных каналов аквапоринов». Молекулярные аспекты медицины. 33 (5–6): 553–561. Дои:10.1016 / j.mam.2012.02.001. ISSN  1872-9452. ЧВК  3419283. PMID  22342689.
  16. ^ Парик, Гаутам; Кришнамурти, Вивеканандхан; Д'Сильва, Патрик (01.12.2013). «Молекулярные исследования, раскрывающие взаимодействие Tim23 и субъединиц канала пре-последовательности транслоказы». Молекулярная и клеточная биология. 33 (23): 4641–4659. Дои:10.1128 / MCB.00876-13. ISSN  1098-5549. ЧВК  3838011. PMID  24061477.
  17. ^ Кляйн, Норин; Нойман, Дженнифер; О'Нил, Джо Д.; Шнайдер, Дирк (01.02.2015). «Сворачивание и стабильность акваглицеропорина GlpF: последствия для заболеваний аква (глицеро) порина человека». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны. 1848 (2): 622–633. Дои:10.1016 / j.bbamem.2014.11.015. ISSN  0006-3002. PMID  25462169.
  18. ^ Hill, A.E .; Шахар-Хилл Ю. (01.08.2015). «Аквапорины - недостающие трансмембранные осмосенсоры?». Журнал мембранной биологии. 248 (4): 753–765. Дои:10.1007 / s00232-015-9790-0. ISSN  1432-1424. PMID  25791748. S2CID  563249.
  19. ^ Верма, Рави Кумар; Гупта, Анджали Бансал; Шанкарарамакришнан, Рамасуббу (01.01.2015). Основное суперсемейство внутренних белков: каналы с уникальными структурными особенностями и разнообразными фильтрами селективности. Методы в энзимологии. 557. С. 485–520. Дои:10.1016 / bs.mie.2014.12.006. ISBN  9780128021835. ISSN  1557-7988. PMID  25950979.
  20. ^ а б c Chrispeels MJ, Agre P (1994). «Аквапорины: белки водных каналов растительных и животных клеток». Trends Biochem. Наука. 19 (10): 421–425. Дои:10.1016/0968-0004(94)90091-4. PMID  7529436.
  21. ^ Heller, K. B .; Lin, E.C .; Уилсон, Т. Х. (1980-10-01). «Субстратная специфичность и транспортные свойства глицеринового посредника Escherichia coli». Журнал бактериологии. 144 (1): 274–278. Дои:10.1128 / JB.144.1.274-278.1980. ISSN  0021-9193. ЧВК  294637. PMID  6998951.
  22. ^ Вистоу Г.Дж., Пизано М.М., Чепелинский А.Б. (1991). «Тандемная последовательность повторяется в белках трансмембранного канала». Trends Biochem. Наука. 16 (5): 170–171. Дои:10.1016/0968-0004(91)90065-4. PMID  1715617.
  23. ^ Биз-Симс, Сара Э .; Ли, Чонмин; Левин, Дэвид Э. (01.12.2011). «Глицерин-фасилитатор дрожжей Fps1 действует как гомотетрамер». Дрожжи. 28 (12): 815–819. Дои:10.1002 / год.1908. ISSN  1097-0061. ЧВК  3230664. PMID  22030956.
  24. ^ Fu, D .; Libson, A .; Miercke, L.J .; Weitzman, C .; Nollert, P .; Krucinski, J .; Страуд, Р. М. (2000-10-20). «Структура глицеринпроводящего канала и основы его селективности». Наука. 290 (5491): 481–486. Bibcode:2000Sci ... 290..481F. Дои:10.1126 / science.290.5491.481. ISSN  0036-8075. PMID  11039922.
  25. ^ Hub, Jochen S .; де Гроот, Берт Л. (29 января 2008 г.). «Механизм селективности в аквапоринах и акваглицеропоринах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 105 (4): 1198–1203. Bibcode:2008PNAS..105.1198H. Дои:10.1073 / pnas.0707662104. ISSN  1091-6490. ЧВК  2234115. PMID  18202181.
  26. ^ Мурата, К .; Mitsuoka, K .; Hirai, T .; Walz, T .; Agre, P .; Heymann, J. B .; Энгель, А .; Фудзиёси, Ю. (2000-10-05). «Структурные детерминанты проникновения воды через аквапорин-1». Природа. 407 (6804): 599–605. Bibcode:2000Натура407..599М. Дои:10.1038/35036519. ISSN  0028-0836. PMID  11034202. S2CID  4402613.
  27. ^ Цзян, Цзяньшэн; Дэниелс, Бренда В .; Фу, Дакс (2006-01-06). «Кристаллическая структура тетрамера AqpZ выявляет две различные конформации Arg-189, связанные с проникновением воды через самое узкое сужение водопроводящего канала». Журнал биологической химии. 281 (1): 454–460. Дои:10.1074 / jbc.M508926200. ISSN  0021-9258. PMID  16239219.
  28. ^ Торнрот-Хорсфилд, Сюзанна; Ван, Йи; Хедфальк, Кристина; Йохансон, Урбан; Карлссон, Мария; Тайхоршид, Эмад; Neutze, Ричард; Челлбом, Пер (09.02.2006). «Структурный механизм аквапоринации растений». Природа. 439 (7077): 688–694. Bibcode:2006Натура 439..688Т. Дои:10.1038 / природа04316. ISSN  1476-4687. PMID  16340961. S2CID  4365486.