חלבון טראנסממברנלי

הצגה סכמטית של חלבון טרנסממרנלי1.סליל אלפא הליקס טראנסממברנלי יחיד2.חלבון טראנסממברנלי החוצה את הממברנה מספר פעמים (מורכב משלוש יחידות זהות של אלפא הליקס; טרימר). 3.משטח בטא-טראנסממברנלי

חלבון טראנסממברנלי הוא חלבון החוצה את הממברנה הביולוגית לרוחבה. חלבון טראנסממברנלי מיוצב על ידי אינטראקציות עם שתי שכבות הממברנה bilayer interactions.

סיווג לפי תכונות

קיימים שני סוגי בסיסיים של חלבונים טראנסממברנלים:

1. חלבוני אלפא הליקס; נמצאים בכל סוגי הממברנות הביולוגיות, כולל הקרום החיצוני בחיידקים גראם-שליליים. זוהי קטגוריה עיקרית במשפחת החלבונים הטראנסממברנלים.
2. חלבוני משטחי בטא; נמצאים בקרום החיצוני של חיידקים גראם-שליליים ובדופן התא של חיידקים גראם-חיוביים.

• 
  סכמה של מבנה משטח בטא
• 
  סכמה של סליל אלפא עם קשרי מימן

קיפול חלבונים טראנסממברנלים כפונקציה של יציבות תרמודינמית

יציבות של סלילי אלפא טראנסמבברנליים

חלבונים טראנסממברנלים מטיפוס אלפא הליקס הוכחו כמבנים יציבים בתנאי טמפרטורות דנטורטיבים, משום שהם לא נפתחים באופן מלא כשהם בתוך הממברנה. היציבות הגדולה נובעת מפוטנציאל קשרי מימן כתוצאה מהמבנה הספציפי של האלפא הליקס. יציבותם הגדולה בשלבים פרו פעילים מאוחרים יכול להוות מגבלה לחלבונים רגישים בשלב ההתכנסות למבנה השלישוני בממברנה ויכולים בקלות להתקפל בצורה שגויה (misfold) עקב יצירת קשרים לא נכונים.

יציבות של משטחי בטא טראנסמבברנליים

היציבות של משטחי בטא טראנסממברנלים מושגת בדומה ליציבות של חלבונים מסיסים. הקיפול המקורי במערכת פיזיולוגית מזורז על ידי חלבונים מסיסים בשם שפרונים, שמיצבים את החלבון בסביבה המימית ומונעים ממנו לעבור אגרגציה.

סווג למשפחות על פי פונקצינליות ותכונות מבניות

רצפטורים טראנסממברנלים

קולטנים טראנסממברנלים הם חלבונים ממברנליים אינטגרלים, שמתפקדים ומעוגנים בממברנה הציטופלסמתית. קשירת מולקולת איתות בצד אחד של הממברנה תגרום להתחלת תגובה בצידה השני שלה. באופן זה, לרצפטורים טראנסממברנלים תפקיד חיוני וייחודי בתקשורת בין-תאית והעברת אותות.

הרבה קולטנים טראנסממברנלים מורכבים מכמה תתי-יחידה (אוליגופפטידים) שמתפקדים באופן שיתופי מסוכרן ומבוקר (קולקטיבי), ובעקבות קישור מסוג ליגנד יש אפשרות אקטיבציה או דהאקטיבציה של המבנה שמשמעה הגברה של האיתות. הסיווג בדרך כלל על בסיס המבנה המולקולרי שלהם, או לרוב, על סמך פונקציונליות ומיקום ממברנלי. הקושי הגדול בקביעת המבנה המרחבי של חלבונים אינטגרליים טמון באי יציבות מרחבית בסביבת העבודה הנדרשת לצורכי מיצוי החלבון וגיבושו. על מנת לבצע בדיקות של המבנה המרחבי, יש להפריד את החלבון מהממברנה ההידרופובית שבה הוא מקובע. תהליך ההפרדה פוגע במבנה המקורי של החלבון ומקשה על קביעת המבנה המרחבי הנכון הקובע את קיפול החלבונים הנכון.

סכמה של רצפטור מורכב הקשור לחלבון G ממבראנלי

הרבגוניות המבנית גדול מאוד. החל מהמבנה הפשוט ביותר של רצפטור מסוג שרשרת פוליפטידית שחוצה את הממברנה הדו שכבתית באופן חד-פעמי, ועד למבנה מורכב שחוצה את הממברנה מספר רב של פעמים, כגון, משפחת חלבוני G החוצים את הממברנה שבע פעמים.

פורינים

מבט צד של מונומר יחיד של אותו חלבון. ניתן לראות את מבנה משטח בטא המאפיין חלבון זה.

פורינים הם חלבונים טראנסממברנלים מטיפוס Beta barrel, מהווים כמעין מערכת נקבים בממברנה הביולוגית המאפשרים מעבר חופשי יחסית של מולקולות בדיפוזיה. בניגוד לחלבוני טרנספורט ממברנליים אחרים, פורינים הם חלבונים גדולים דיים כדי לאפשר דרכם דיפוזיה פסיבית. הסלקציה בדרך כלל על פי גודל המולקולות. פורינים בנויים ממשטחי בטא, הערוכים בסידור מרחבי אנטי-מקבילי ויוצרים מבנה צינורי הנקרא beta barrel proteins ("חבית בטא"). רצף חומצות האמינו במשטחי הבטא של פורין מאופיין בחזרתיות של שיירים פולריים (קוטביים/בעלי מטען) ולא-פולריים של חומצות אמינו בשרשרת. סידור זה גורם ליצירת מבנה אמפיפטי, כלומר, צד אחד של משטח הבטא הוא הידרופובי והצד השני הידרופילי. השיירים הלא פולריים (הידרופוביים) פונים כלפי חוץ ויוצרים אינטראקציות עם החלק הליפידי (גם כן לא פולרי) של הממברנה, בעוד שהשיירים הפולריים (הידרופיליים) פונים כלפי פנים מבנה החבית ויוצרים בכך תווך הידרופילי, המאפשר את הדיפוזיה דרך הממברנה.

סכמה של מנגנון העברת ATP על ידי חלבון יוניפורטר ממברנלי כנגד מפל הריכוזים

יוניפורטר הוא חלבון טראנסממברנלי אינטגרלי שמעורב בדיפוזיה מסייעת של סוג חומר יחיד, כגון הטרנספורטר של ATP. חלבונים יכולים לתפקד הן כנשאים (חלבון אינטגרלי monotopic; חלבון לא חוצה ממברנה) והן בתעלות טראנסממברנליות. ההעברה מתבצעת בדיפוזיה לפי מפל הריכוזים או נגד מפל הריכוזים. פתיחת התעלה נעשית בהתאם לפונקציונליות שלה, לפי איתותי מתח, איתותי לחץ הידרוסטטי, קישור ליגאנד.

משאבות

סכמה של משאבת נתרן-אשלגן טראנסממברנלית

משאבות מובילות באופן פעיל מולקולות או יונים דרך הממברנה הפוספוליפידית בעזרת האנרגיה שהן רותמות לתהליך. כאשר המשאבות מנצלות בצורה ישירה אנרגיה כימית הגלומה במולקולות ATP מכונה פעולתן הובלה פעילה ראשונית. דוגמה להעברה פעילה ראשונית: משאבת 3Na⁺/2K⁺ ATPase (משאבת נתרן-אשלגן).

משאבות המשתמשות באופן עקיף באנרגיה כימית, בעזרת האנרגיה הגלומה במפל ריכוזים של יון שנוצר קודם לכן בהובלה פעילה ראשונית, מתבצעת הובלה פעילה שניונית:

מערכת אנטיפורטר מעורבת בהובלה פעילה שניונית של שתי מולקולות או יונים שונים או יותר, דרך הממברנה הפוספוליפידית, כגון, הממברנה הציטופלסמטית בכיוונים מנוגדים.

מערכת סימפורטר מעורבת בהובלה פעילה שניונית של שניים (או יותר) מולקולות שונות או יונים דרך הממברנה הפוספוליפידית כמו הממברנה הציטופלסמטית בכיוונים זהים. דוגמה למערכת סימפורטר; משאבת ^-Na⁺/K⁺/2Cl

חלבונים טראנסממברנלים כחלק ממסלול מטבולי רב שלבי ליצירת ATP

פוספורילציה אוקסידטיבית היא מסלול מטבולי שמנצל אנרגיה שמשתחררת מחמצון מולקולות אורגניות ליצירת מולקולת ATP. המסלול הוא שמור מבחינה אבולוציונית בגלל היעילות הגבוהה לאחסון אנרגיה, ביחס למסלולים אלטרנטיביים להפקת אנרגיה ללא נוכחות חמצן (תהליכי תסיסה) כמו הגליקוליזה.

משפחת אנזימים בשם ATP סינתאז הם אנזימים טראנסממברנלים בעלי פעילות קטליטית כיוונית, ומזרזים יצירת מולקולה אורגנית עתירת אנרגיה בשם ATP תוך ניצול צורת אנרגיה שניונית (גראדינט פרוטונים (PMF)) שנוצרת בין תווך ממברנלי:

1. בכלורופלסט – מחלל הלומן לחלל הסטרומה.
2. במיטוכונדריה – מחלל הממברנה הפנימית לחלל המטריקס.

שרשרת העברת אלקטרונים במיטוכונדריה המאופיינת בחלבונים טראנסממברנלים בעלי פעילות אזימתית.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא חלבון טראנסממברנלי בוויקישיתוף

• קישור לערך בנושא מאגרי מידע על חלבונים Membrane Proteins of Known Structure, web.archive.org, ‏2011-04-11 Stephen White laboratory