بروتين غشائي

البروتينات الغشائية هي بروتينات شائعة تُشكل جزءًا من الأغشية البيولوجية أو تتفاعل معها . تُصنف البروتينات الغشائية إلى عدة فئات رئيسية حسب موقعها. البروتينات الغشائية المتكاملة هي جزء دائم من غشاء الخلية ، ويمكنها إما اختراق الغشاء ( عبر الغشاء ) أو الارتباط بأحد جانبي الغشاء ( متكاملة أحادية الموضع ). أما البروتينات الغشائية الطرفية فهي مرتبطة بغشاء الخلية بشكل مؤقت.

تُعدّ البروتينات الغشائية شائعة وذات أهمية طبية بالغة، إذ تُشكّل حوالي ثلث البروتينات البشرية، وهي أهداف لأكثر من نصف الأدوية. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، بالمقارنة مع فئات البروتينات الأخرى، لا يزال تحديد بنية البروتينات الغشائية يُمثّل تحديًا كبيرًا، ويعود ذلك في جزء كبير منه إلى صعوبة تهيئة الظروف التجريبية التي تحافظ على التكوين الصحيح ( الطبيعي ) للبروتين بمعزل عن بيئته الطبيعية.

عند ترجمة البروتينات الغشائية من الحمض النووي الريبوزي (RNA)، فإنها تحتوي على تسلسلات بدء النقل وتسلسلات إيقاف النقل قبل حدوث تعديلاتها اللاحقة للترجمة . يُستخدم تسلسل بدء النقل لاستقطاب جسيم التعرف على الإشارة (SRP) ، الذي يوقف الترجمة حتى يرتبط بمستقبل SRP على سطح الطبقة الدهنية الثنائية. تُعدّ الترانسلوكونات قنوات في الغشاء تسمح بنقل البروتينات عبره، ويقوم الريبوسوم بتخليق عديد الببتيد مباشرةً من خلالها. يرتبط تسلسل بدء النقل بالترانسلوكون ويُفصل بعد الترجمة مع تسلسل إيقاف النقل. توجد مسارات معقدة أخرى عديدة لتضمين البروتينات، خاصة بالكائنات حقيقية النواة وبدائيات النواة على التوالي.

تؤدي البروتينات الغشائية مجموعة متنوعة من الوظائف الحيوية لبقاء الكائنات الحية: ^{[ 2 ]}

• تقوم بروتينات مستقبلات الغشاء بنقل الإشارات بين البيئة الداخلية والخارجية للخلية .
• تقوم البروتينات الناقلة بنقل الجزيئات والأيونات عبر الغشاء. ويمكن تصنيفها وفقًا لقاعدة بيانات تصنيف البروتينات الناقلة .
• قد تمتلك إنزيمات الغشاء العديد من الأنشطة، مثل الأكسدة والاختزال ، أو النقل ، أو التحلل المائي . ^{[ 3 ]}
• تسمح جزيئات الالتصاق الخلوي للخلايا بالتعرف على بعضها البعض والتفاعل. على سبيل المثال، البروتينات المشاركة في الاستجابة المناعية

يمكن التنبؤ بموقع البروتينات في الأغشية بشكل موثوق باستخدام تحليلات كراهية الماء لتسلسلات البروتين، أي تحديد موقع تسلسلات الأحماض الأمينية الكارهة للماء .

البروتينات الغشائية المتكاملة

ترتبط البروتينات الغشائية المتكاملة بالغشاء بشكل دائم. ولا يمكن فصل هذه البروتينات عن الأغشية البيولوجية إلا باستخدام المنظفات أو المذيبات غير القطبية ، أو أحيانًا باستخدام عوامل مُفسِّخة . ويمكن تصنيفها وفقًا لعلاقتها بالغشاء ثنائي الطبقة :

• البروتينات متعددة المواقع المتكاملة هي بروتينات غشائية تمتد عبر الغشاء أكثر من مرة. قد تمتلك هذه البروتينات طوبولوجيا غشائية مختلفة . ^{[ 4 ] [ 5 ]} تمتلك هذه البروتينات أحد نوعين من البنية التركيبية:
  • بروتينات حزمة الحلزون ، الموجودة في جميع أنواع الأغشية البيولوجية ؛
  • بروتينات بيتا البرميلية ، والتي توجد فقط في الأغشية الخارجية للبكتيريا سالبة الجرام ، والأغشية الخارجية للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء . ^{[ 6 ]}
• البروتينات ثنائية الموضع هي بروتينات غشائية تعبر الغشاء مرة واحدة فقط. وتختلف توزيعات الأحماض الأمينية في حلزونات هذه البروتينات الغشائية اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في حلزونات البروتينات متعددة الموضع. ^{[ 7 ]}
• البروتينات أحادية الموضع المتكاملة هي بروتينات غشائية متكاملة ترتبط بجانب واحد فقط من الغشاء ولا تمتد عبره بالكامل.

بروتينات الغشاء المحيطي

ترتبط البروتينات الغشائية الطرفية مؤقتًا إما بالطبقة الدهنية الثنائية أو بالبروتينات المتكاملة من خلال مزيج من التفاعلات الكارهة للماء ، والكهروستاتيكية ، وغيرها من التفاعلات غير التساهمية. وتنفصل هذه البروتينات الطرفية بعد معالجتها بكاشف قطبي، مثل محلول ذي درجة حموضة مرتفعة أو تركيزات ملحية عالية.

قد تخضع البروتينات المتكاملة والطرفية لتعديلات ما بعد الترجمة، مع إضافة الأحماض الدهنية ، أو ثنائي أسيل جليسرول ^{[ 8 ]} أو سلاسل برينيل ، أو GPI (جليكوزيل فوسفاتيديل إينوزيتول)، والتي قد تكون مثبتة في الطبقة الدهنية الثنائية.

تُعدّ البروتينات الغشائية، مثل البروتينات الكروية الذائبة والبروتينات الليفية والبروتينات غير المنتظمة ، شائعة. ^{[ 9 ]} ويُقدّر أن 20-30% من جميع الجينات في معظم الجينومات تُشفّر بروتينات غشائية. ^{[ 10 ] [ 11 ]} على سبيل المثال، يُعتقد أن حوالي 1000 من أصل 4200 بروتين تقريبًا في بكتيريا الإشريكية القولونية هي بروتينات غشائية، وقد تم التحقق تجريبيًا من أن 600 منها بروتينات غشائية. ^{[ 12 ]} وفي البشر، تشير الدراسات الحالية إلى أن 30% من الجينوم يُشفّر بروتينات غشائية. ^{[ 13 ]}

تُعدّ البروتينات الغشائية أهدافًا لأكثر من 50% من جميع الأدوية الطبية الحديثة . ^{[ 1 ]} ومن بين الأمراض البشرية التي ثبت تورط البروتينات الغشائية فيها أمراض القلب ، ومرض الزهايمر، والتليف الكيسي . ^{[ 13 ]}

على الرغم من الدور المهم الذي تلعبه البروتينات الغشائية في جميع الكائنات الحية، إلا أن تنقيتها لطالما شكلت، ولا تزال، تحديًا كبيرًا لعلماء البروتينات. ففي عام 2008، توفرت 150 بنية فريدة للبروتينات الغشائية، ^{[ 14 ]} وبحلول عام 2019، لم تُحدد سوى 50 بنية لبروتينات غشائية بشرية. ^{[ 13 ]} في المقابل، تُشكل البروتينات الغشائية ما يقارب 25% من إجمالي البروتينات. ^{[ 15 ]} وتجعل أسطحها الكارهة للماء من الصعب تحديد بنيتها، وخاصة وظيفتها. ^{[ 13 ] [ 16 ]} يمكن استخدام المنظفات لجعل البروتينات الغشائية قابلة للذوبان في الماء ، ولكنها قد تُغير أيضًا بنية البروتين ووظيفته. ^{[ 13 ]} كما يمكن جعل البروتينات الغشائية قابلة للذوبان في الماء من خلال هندسة تسلسل البروتين، واستبدال أحماض أمينية كارهة للماء بأخرى محبة للماء ، مع الحرص الشديد على الحفاظ على البنية الثانوية أثناء تعديل الشحنة الكلية. ^{[ 13 ]}

تُعدّ كروماتوغرافيا التقارب من أفضل الحلول لتنقية البروتينات الغشائية. ويُستخدم وسم البولي هيستيدين بشكل شائع في تنقية هذه البروتينات، ^{[ 17 ]} كما استُخدم وسم rho1D4 البديل بنجاح أيضاً. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

• جونسون، جيه إي، وكورنيل، آر بي (1999). "البروتينات ذات الخاصية المزدوجة: تنظيمها بواسطة تفاعلات غشائية قابلة للانعكاس (مراجعة)" . بيولوجيا الأغشية الجزيئية . 16 (3): 217-235 . doi : 10.1080/096876899294544 . PMID 10503244 . 
• ألينغات، ف. ج.، وغولان، د. إ. (2013). "ديناميكيات البروتينات الغشائية وآثارها الوظيفية في خلايا الثدييات" . المواضيع الحالية في الأغشية . 72 : 89-120 . doi : 10.1016/b978-0-12-417027-8.00003-9 . ISBN 9780124170278. PMC 4193470 . PMID 24210428 .