Membrane protein

Membranproteine sind eine wichtige Klasse von Proteinen, die entweder einen festen Bestandteil einer biologischen Membran bilden oder vorübergehend mit ihr interagieren. Sie werden nach ihrer Lage eingeteilt: Integrale Membranproteine sind ein fester Bestandteil der Zellmembran, während periphere Membranproteine nur vorübergehend anhaften. Diese Proteine sind medizinisch bedeutsam – etwa ein Drittel aller menschlichen Proteine sind Membranproteine, und sie sind die Zielstrukturen für über die Hälfte aller Medikamente.

Wenn ein Transmembranprotein hergestellt wird, enthält seine RNA Start-Transfer- und Stopp-Transfer-Sequenzen. Die Start-Transfer-Sequenz rekrutiert ein Signalerkennungspartikel, das die Translation anhält, bis es an einen Rezeptor auf der Membran bindet. Ein Translocon-Kanal ermöglicht es dann dem Ribosom, das wachsende Polypeptid direkt durch die Membran zu führen. Sowohl die Start- als auch die Stopp-Sequenzen werden später abgeschnitten. In Eukaryoten und Prokaryoten existieren komplexere Einbettungswege.

Membranproteine erfüllen viele essentielle Funktionen. Rezeptorproteine leiten Signale zwischen dem Inneren und Äußeren einer Zelle weiter. Transportproteine bewegen Moleküle und Ionen durch die Membran. Membranenzyme führen Aktivitäten wie Oxidation-Reduktion, Transfer oder Hydrolyse durch. Zelladhäsionsmoleküle helfen Zellen, sich gegenseitig zu erkennen und zu interagieren, wie z. B. solche, die an Immunreaktionen beteiligt sind. Die Lage eines Proteins in einer Membran kann oft durch die Analyse seiner Sequenz auf hydrophobe Regionen vorhergesagt werden.

Integrale Membranproteine sind dauerhaft verankert und können nur mit Detergenzien, unpolaren Lösungsmitteln oder denaturierenden Mitteln entfernt werden. Sie werden danach klassifiziert, wie sie mit der Doppelschicht interagieren. Integrale polytope Proteine durchqueren die Membran mehrfach und kommen in zwei Strukturtypen vor: Helixbündel, die in allen biologischen Membranen vorkommen, und Beta-Fässer, die nur in den äußeren Membranen von Gram-negativen Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten vorkommen. Bitope Proteine durchqueren die Membran nur einmal, und ihre Transmembranhelices haben eine andere Aminosäurezusammensetzung als die von polytopen Proteinen. Integrale monotope Proteine heften sich nur an eine Seite der Membran an, ohne sie zu durchqueren.

Periphere Membranproteine binden vorübergehend an die Lipiddoppelschicht oder an integrale Proteine durch hydrophobe, elektrostatische und andere nicht-kovalente Wechselwirkungen. Sie können durch Behandlungen wie hohen pH-Wert oder hohen Salzgehalt freigesetzt werden. Sowohl integrale als auch periphere Proteine können nach der Translation modifiziert werden, indem Fettsäuren, Diacylglycerin, Prenylketten oder GPI-Anker hinzugefügt werden, die sie in der Doppelschicht verankern.

Polypeptidtoxine, viele antibakterielle Peptide (wie Colicine oder Hämolysine) und einige an der Apoptose beteiligte Proteine werden manchmal als separate Kategorie behandelt. Diese sind wasserlöslich, können aber ihre Form dramatisch ändern, oligomere Komplexe bilden und reversibel oder irreversibel an die Lipiddoppelschicht binden.

Membranproteine sind in Genomen weit verbreitet. Es wird geschätzt, dass 20–30 % aller Gene in den meisten Genomen für Membranproteine kodieren. Beispielsweise wird angenommen, dass etwa 1.000 der rund 4.200 Proteine in E. coli Membranproteine sind, wobei 600 experimentell bestätigt wurden. Beim Menschen deuten aktuelle Schätzungen darauf hin, dass 30 % des Genoms für Membranproteine kodieren.

Membranproteine sind die Zielstrukturen von mehr als der Hälfte aller modernen Medikamente. Sie sind an menschlichen Krankheiten wie Herzkrankheiten, Alzheimer und Mukoviszidose beteiligt.

Die Reinigung von Membranproteinen war schon immer eine große Herausforderung. Bis 2008 waren nur 150 einzigartige Membranproteinstrukturen bekannt, und bis 2019 wurden nur 50 menschliche Membranproteine strukturell aufgeklärt – obwohl etwa 25 % aller Proteine Membranproteine sind. Ihre hydrophoben Oberflächen erschweren strukturelle und funktionelle Studien. Detergenzien können sie wasserlöslich machen, aber dies kann ihre Struktur und Funktion verändern. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Proteinsequenz durch den Austausch hydrophober Aminosäuren zu verändern, um die Löslichkeit zu verbessern.