بروتين غشائي

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
تمثيل تخطيطي للبروتينات الغشائية: 1) بروتين غشائي أحادي المرور ( حلزون ألفا ) 2) بروتين غشائي متعدد المرور (حلزون ألفا) 3) بروتين غشائي متعدد المرور ( صفيحة بيتا ). يُمثل الغشاء باللون الأصفر الفاتح.

البروتين الغشائي العابر هو نوع من البروتينات الغشائية المتكاملة التي تمتد عبر غشاء الخلية بالكامل . تعمل العديد من البروتينات الغشائية العابرة كبوابات تسمح بنقل مواد محددة عبر الغشاء. وتخضع هذه البروتينات عادةً لتغيرات بنيوية كبيرة لنقل المواد عبر الغشاء. وهي عادةً شديدة الكراهية للماء ، وتتجمع وتترسب في الماء. تتطلب هذه البروتينات استخدام المنظفات أو المذيبات غير القطبية لاستخلاصها، على الرغم من إمكانية استخلاص بعضها ( بروتينات بيتا-باريل ) باستخدام عوامل مُفسِّخة .

إن تسلسل الببتيد الذي يمتد عبر الغشاء، أو الجزء العابر للغشاء ، يكون في معظمه كارهًا للماء، ويمكن تمثيله بيانيًا باستخدام مخطط كراهية الماء . [ 1 ] وبناءً على عدد الأجزاء العابرة للغشاء، تُصنف البروتينات العابرة للغشاء إلى بروتينات غشائية أحادية المرور ، أو بروتينات غشائية متعددة المرور. [ 2 ] وتُسمى بعض البروتينات الغشائية المتكاملة الأخرى بالبروتينات أحادية الموضع ، أي أنها مرتبطة بالغشاء بشكل دائم، ولكنها لا تمر عبره. [ 3 ]

الأنواع

التصنيف حسب البنية

يوجد نوعان أساسيان من البروتينات الغشائية: [ 4 ] البروتينات الحلزونية ألفا والبروتينات البرميلية بيتا . توجد البروتينات الحلزونية ألفا في الأغشية الداخلية للخلايا البكتيرية أو الغشاء البلازمي للخلايا حقيقية النواة، وأحيانًا في الغشاء الخارجي للبكتيريا . [ 5 ] وهذا هو النوع الرئيسي من البروتينات الغشائية. في البشر، تشير التقديرات إلى أن 27% من جميع البروتينات هي بروتينات غشائية حلزونية ألفا. [ 6 ] أما البروتينات البرميلية بيتا، فقد وُجدت حتى الآن فقط في الأغشية الخارجية للبكتيريا سالبة الغرام ، وجدران خلايا البكتيريا موجبة الغرام ، والأغشية الخارجية للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء ، أو يمكن إفرازها كسموم مُكوِّنة للمسام . تتميز جميع البروتينات الغشائية البرميلية بيتا بأبسط بنية رأسية، مما قد يعكس أصلها التطوري المشترك وآلية طيها المتشابهة. [ 7 ]

إضافةً إلى نطاقات البروتين، توجد عناصر غشائية غير عادية تتكون من الببتيدات. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك غراميسيدين أ ، وهو ببتيد يُشكّل حلزون بيتا ثنائيًا غشائيًا. [ 8 ] يُفرز هذا الببتيد بواسطة البكتيريا موجبة الغرام كمضاد حيوي . لم يُرصد وجود حلزون بوليبرولين-II غشائي في البروتينات الطبيعية. ومع ذلك، فقد لوحظ هذا التركيب تجريبيًا في ببتيدات اصطناعية مصممة خصيصًا. [ 9 ]

التصنيف حسب الطوبولوجيا

يشير هذا التصنيف إلى موقع طرفي البروتين الأميني والكربوكسيلي على جانبي الطبقة الدهنية الثنائية . تُصنف البروتينات من النوع الأول والثاني والثالث والرابع كبروتينات غشائية أحادية المرور . ترتبط بروتينات النوع الأول الغشائية بالغشاء الدهني بواسطة تسلسل تثبيت لإيقاف النقل، وتتجه نطاقاتها الأمينية إلى تجويف الشبكة الإندوبلازمية أثناء عملية التخليق ( والفضاء خارج الخلوي، إذا كانت الأشكال الناضجة موجودة على أغشية الخلايا ). أما بروتينات النوع الثاني والثالث فترتبط بواسطة تسلسل تثبيت إشاري، حيث يتجه النوع الثاني إلى تجويف الشبكة الإندوبلازمية بنطاقه الكربوكسيلي، بينما يتجه النوع الثالث بنطاقه الأميني إلى تجويف الشبكة الإندوبلازمية. وينقسم النوع الرابع إلى قسمين: الرابع-أ، الذي يتجه نطاقه الأميني إلى السيتوسول، والرابع-ب، الذي يتجه نطاقه الأميني إلى تجويف الشبكة الإندوبلازمية. [ 10 ] تتجلى الآثار المترتبة على التقسيم إلى الأنواع الأربعة بشكل خاص في وقت الانتقال والترجمة المرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية، عندما يتعين تمرير البروتين عبر غشاء الشبكة الإندوبلازمية في اتجاه يعتمد على النوع.

تتميز البروتينات الغشائية من المجموعتين الأولى والثانية ببنية طرفية متعاكسة. ففي المجموعة الأولى، يقع الطرف الأميني (N) في الجهة البعيدة من البروتين، بينما يقع الطرف الكربوكسيلي (C) في الجهة السيتوبلازمية. أما في المجموعة الثانية، فيقع الطرف الكربوكسيلي في الجهة البعيدة من البروتين، بينما يقع الطرف الأميني في الجهة السيتوبلازمية. مع ذلك، لا تُعد البنية الطرفية المعيار الوحيد لتحديد مجموعات البروتينات الغشائية، بل يُؤخذ في الاعتبار أيضًا موقع المحددات الطوبولوجية وآلية التجميع في التصنيف [ 11 ].

بنية ثلاثية الأبعاد

زيادة في عدد الهياكل ثلاثية الأبعاد المعروفة للبروتينات الغشائية

يمكن تحديد بنية البروتينات الغشائية باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية ، أو المجهر الإلكتروني، أو مطيافية الرنين النووي المغناطيسي . [ 12 ] أكثر البنى الثلاثية شيوعًا لهذه البروتينات هي حزمة الحلزونات عبر الغشائية والبرميل بيتا . يتكون الجزء من البروتينات الغشائية المرتبط بالطبقة الدهنية الثنائية (انظر الغلاف الدهني الحلقي ) في الغالب من أحماض أمينية كارهة للماء. [ 13 ]

تتميز البروتينات الغشائية، ذات الأسطح الكارهة للماء، بمرونة نسبية وتُعبَّر عنها بمستويات منخفضة نسبيًا. يُصعِّب هذا الأمر الحصول على كمية كافية من البروتين ومن ثم تنمية البلورات. لذا، على الرغم من الأهمية الوظيفية الكبيرة للبروتينات الغشائية، فإن تحديد بنيتها بدقة ذرية أصعب من تحديد بنية البروتينات الكروية. [ 14 ] في يناير 2013، كانت نسبة البروتينات الغشائية التي تم تحديد بنيتها أقل من 0.1%، على الرغم من أنها تُشكِّل 20-30% من إجمالي البروتينات. [ 15 ] نظرًا لهذه الصعوبة وأهمية هذه الفئة من البروتينات، طُوِّرت طرقٌ للتنبؤ ببنية البروتين تعتمد على مخططات كراهية الماء، وقاعدة الداخل الموجب، وغيرها من الطرق. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

الاستقرار الديناميكي الحراري والطي

استقرار البروتينات الغشائية الحلزونية ألفا

تتميز البروتينات الحلزونية ألفا العابرة للغشاء بثبات استثنائي، وفقًا لدراسات التمسخ الحراري ، لأنها لا تنفك تمامًا داخل الأغشية (إذ يتطلب الانفكاك الكامل كسر عدد كبير جدًا من الروابط الهيدروجينية الحلزونية ألفا في الوسط غير القطبي). من ناحية أخرى، يسهل أن تنفك هذه البروتينات ، نتيجة لتجمعها غير الطبيعي في الأغشية، أو انتقالها إلى حالة الكرية المنصهرة ، أو تكوين روابط ثنائية الكبريتيد غير طبيعية ، أو انفكاك المناطق الطرفية والحلقات غير المنتظمة الأقل استقرارًا محليًا. [ 19 ]

من المهم أيضًا تحديد حالة البروتين غير المطوي بدقة . تختلف حالة البروتينات الغشائية غير المطوية في المذيلات المنظفة عن حالتها في تجارب التمسخ الحراري . تمثل هذه الحالة مزيجًا من حلزونات ألفا المطوية الكارهة للماء وأجزاء غير مطوية جزئيًا مغطاة بالمنظف . على سبيل المثال، يحتوي بروتين البكتيريورودوبسين "غير المطوي" في مذيلات SDS على أربعة حلزونات ألفا عابرة للغشاء مطوية، بينما يقع باقي البروتين عند سطح التماس بين المذيل والماء، ويمكنه اتخاذ أنواع مختلفة من البنى الأمفيبية غير الأصلية . تتشابه فروق الطاقة الحرة بين هذه الحالات المتمسخة بالمنظف والحالات الأصلية مع استقرار البروتينات الذائبة في الماء (أقل من 10 كيلو كالوري/مول).

طي البروتينات الغشائية الحلزونية ألفا

إعادة طي البروتينات الغشائية الحلزونية ألفا في المختبر عملية صعبة تقنيًا. توجد أمثلة قليلة نسبيًا لتجارب إعادة الطي الناجحة، كما هو الحال مع البكتيريورودوبسين . في الكائن الحي ، تُطوى جميع هذه البروتينات عادةً أثناء الترجمة داخل جهاز النقل الغشائي الكبير . توفر قناة جهاز النقل بيئة غير متجانسة للغاية للحلزونات ألفا الغشائية حديثة التكوين. يمكن للحلزونات ألفا الأمفيبية القطبية نسبيًا أن تتخذ وضعية غشائية في جهاز النقل (على الرغم من أنها ستكون على سطح الغشاء أو غير مطوية في المختبر )، لأن بقاياها القطبية يمكن أن تواجه القناة المركزية المملوءة بالماء في جهاز النقل. هذه الآلية ضرورية لدمج الحلزونات ألفا القطبية في هياكل البروتينات الغشائية. تبقى الحلزونات الأمفيبية متصلة بجهاز النقل حتى يتم تصنيع البروتين وطيه بالكامل. إذا ظل البروتين غير مطوي ومرتبطًا بالترانسلوكون لفترة طويلة جدًا، فإنه يتحلل بواسطة أنظمة خلوية محددة "لمراقبة الجودة".

استقرار وطي البروتينات الغشائية ذات البنية الأسطوانية بيتا

تتشابه استقرارية البروتينات الغشائية ذات البنية الأسطوانية بيتا (β-barrel) مع استقرارية البروتينات الذائبة في الماء، وذلك استنادًا إلى دراسات التمسخ الكيميائي. بعض هذه البروتينات يتمتع بثبات عالٍ حتى في وجود عوامل فوضوية ودرجات حرارة مرتفعة. ويُسهّل طيّها داخل الكائن الحي بواسطة بروتينات مرافقة ذائبة في الماء ، مثل بروتين Skp. ويُعتقد أن البروتينات الغشائية ذات البنية الأسطوانية بيتا تنحدر من سلف واحد، حتى وإن اختلف عدد الصفائح فيها، والتي ربما أُضيفت أو تضاعفت خلال التطور. وتُظهر بعض الدراسات حفاظًا كبيرًا على تسلسل الأحماض الأمينية بين الكائنات الحية المختلفة، بالإضافة إلى أحماض أمينية محفوظة تُحافظ على البنية وتُساعد في عملية الطي. [ 20 ]

الهياكل ثلاثية الأبعاد

ناقلات مدفوعة بامتصاص الضوء

ناقلات مدفوعة بالأكسدة والاختزال

ناقلات مدفوعة بالجهد الكهروكيميائي

ناقلات مدفوعة بتحلل الرابطة PP

الحمالون (حمالون أحاديو النقل، حمالون متماثلون، حمالون مضادون)

قنوات حلزونية ألفا بما في ذلك قنوات الأيونات

الإنزيمات

البروتينات ذات الحلزونات ألفا أحادية العبور الغشائي

براميل بيتا تتكون من سلسلة ببتيدية واحدة

ملاحظة: n و S هما، على التوالي، عدد خيوط بيتا ورقم القص [ 22 ] لبرميل بيتا

تتكون البراميل بيتا من عدة سلاسل عديد الببتيد

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ مانور، جوشوا؛ فيلدبلوم، إستر س.؛ أركين، إشعيا ت. (2012). "تحديد قطبية البيئة في البروتينات بطريقة غير جراحية باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه" . مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية . 3 (7): 939-944 . doi : 10.1021/jz300150v . PMC 3341589. PMID 22563521 .  
  2. ↑ ألبرتس، بروس؛ جونسون، ألكسندر؛ لويس، جوليان؛ راف، مارتن؛ روبرتس، كيث؛ والتر، بيتر (2002). "بروتينات الغشاء" . البيولوجيا الجزيئية للخلية. الطبعة الرابعة . جارلاند ساينس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أكتوبر 2023 .
  3. ↑ ستيفن ر. غودمان (2008). بيولوجيا الخلية الطبية . دار النشر الأكاديمية. ص 37 وما يليها. ISBN  978-0-12-370458-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 نوفمبر 2010 .
  4. ↑ جين شيونغ (2006). أساسيات المعلوماتية الحيوية . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 208–. ISBN  978-0-521-84098-9تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 نوفمبر 2010 .
  5. ↑ تشمل البروتينات الحلزونية ألفا في الأغشية الخارجية بروتين ستانين وبعض البروتينات الدهنية ، وغيرها
  6. ↑ ألمين إم إس، نوردستروم كيه جيه، فريدريكسون آر، شيوث إتش بي (2009). "رسم خريطة بروتينات غشاء الإنسان: يمكن تصنيف غالبية بروتينات غشاء الإنسان وفقًا لوظيفتها وأصلها التطوري" . بي إم سي بيول . 7 : 50. doi : 10.1186/1741-7007-7-50 . PMC 2739160. PMID 19678920 .  
  7. ↑ "أنواع البروتينات الغشائية" . ويكي دوك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 يناير 2025 .
  8. ↑ نيكلسون، إل كيه؛ كروس، تي إيه (1989). "قناة كاتيون غراميسيدين: تحديد تجريبي لاتجاه الحلزون الأيمن والتحقق من الرابطة الهيدروجينية من النوع بيتا". الكيمياء الحيوية . 28 (24): 9379-9385 . doi : 10.1021/bi00450a019 . PMID 2482072 . 
  9. ↑ كوبيشكين، فلاديمير؛ غراج، ستيفان ل.؛ أولريش، آن س.؛ بوديسا، نيديلكو (2019). "يحدد سمك الطبقة الثنائية محاذاة حلزونات البوليبرولين النموذجية في الأغشية الدهنية" . الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية . 21 (40): 22396-22408 . Bibcode : 2019PCCP...2122396K . doi : 10.1039/c9cp02996f . PMID 31577299 . 
  10. ↑ هارفي لوديش وآخرون؛ علم الأحياء الخلوي الجزيئي ، الطبعة السادسة، ص 546
  11. ↑ غودر، فيت؛ سبيس، مارتن (31 أغسطس 2001). "تكوين البروتينات الغشائية: المحددات والديناميكيات". رسائل FEBS . 504 (3): 87-93 . doi : 10.1016/S0014-5793(01)02712-0 . PMID 11532438 . 
  12. ↑ كروس، تيموثي أ.؛ شارما، موكيش؛ يي، ميونغجي؛ تشو، هوان شيانغ (2011). "تأثير البيئات المُذيبة على بنى البروتينات الغشائية" . اتجاهات في العلوم البيوكيميائية . 36 (2): 117-125 . doi : 10.1016/j.tibs.2010.07.005 . PMC 3161620. PMID 20724162 .  
  13. ↑ وايت، ستيفن. "المبدأ العام لطي واستقرار البروتينات الغشائية". الصفحة الرئيسية لمختبر ستيفن وايت. 10 نوفمبر 2009. موقع إلكتروني.
  14. ↑ كاربنتر، إليزابيث ب؛ بيس، كونستانتينوس؛ كاميرون، ألكسندر د؛ إيواتا، سو (أكتوبر 2008). "التغلب على تحديات علم البلورات للبروتينات الغشائية" . الرأي الحالي في البيولوجيا التركيبية . 18 (5): 581-586 . doi : 10.1016/j.sbi.2008.07.001 . PMC 2580798. PMID 18674618 .  
  15. ↑ "بروتينات غشائية ذات بنية ثلاثية الأبعاد معروفة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 25-12-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 01-05-2016 .
  16. ↑ إيلوفسون، آرني؛ هاين، غونار فون (7 يونيو 2007). "بنية البروتينات الغشائية: التنبؤ مقابل الواقع". المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية . 76 (1): 125-140 . CiteSeerX 10.1.1.332.4023 . doi : 10.1146/annurev.biochem.76.052705.163539 . PMID 17579561 .  
  17. ↑ تشين، تشين بيتر؛ روست، بوركهارد (2002). "أحدث ما توصل إليه العلم في التنبؤ ببروتينات الغشاء". المعلوماتية الحيوية التطبيقية . 1 (1): 21-35 . CiteSeerX 10.1.1.134.7424 . PMID 15130854 .  
  18. ↑ هوبف، توماس أ.؛ كولول، لوسي ج.؛ شيريدان، روبرت؛ روست، بوركهارد؛ ساندر، كريس؛ ماركس، ديبورا س. (يونيو 2012). "البنى ثلاثية الأبعاد لبروتينات الغشاء من التسلسل الجينومي" . الخلية . 149 (7): 1607-1621 . doi : 10.1016 / j.cell.2012.04.012 . PMC 3641781. PMID 22579045 .  
  19. ↑ "استقرار البروتينات الغشائية الحلزونية ألفا" . ويكي دوك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 يناير 2025 .
  20. ↑ ميشاليك، مارسين؛ أورويك-ريدمارك، مارسيلا؛ هابيك، مايكل؛ ألفا، فيكرام؛ أرنولد، توماس؛ لينكه، ديرك؛ بيرمياكوف، يوجين أ. (3 أغسطس 2017). "يشكل نمط جليسين-تيروسين محفوظ تطوريًا نواة طي في بروتينات الغشاء الخارجي" . PLOS ONE . 12 (8) e0182016. Bibcode : 2017PLoSO..1282016M . doi : 10.1371/journal.pone.0182016 . PMC 5542473. PMID 28771529 .  
  21. ↑ برايسي إم إتش، هانسون إم إيه، ماسودا كيه آر، ستيفنز آر سي، كرافات بي إف (نوفمبر 2002). " التكيفات البنيوية في إنزيم غشائي ينهي إشارات الإندوكانابينويد". مجلة ساينس . 298 (5599): 1793-1796 . رمز Bibcode : 2002Sci...298.1793B . doi : 10.1126/science.1076535 . PMID 12459591. S2CID 22656813 .  
  22. ↑ مورزين إيه جي، ليسك إيه إم، تشوثيا سي (مارس 1994). "المبادئ التي تحدد بنية براميل الصفائح بيتا في البروتينات. الجزء الأول: تحليل نظري". مجلة البيولوجيا الجزيئية 236 (5): 1369-1381 . doi : 10.1016/0022-2836(94)90064-7 . PMID 8126726 .