Содержание

Транспортные белки — Справочник химика 21

    Транспортные белки Переносчики кислорода Гемоглобин (переносит [c.259]

    Глобулярные белки включают гормоны, ферменты и транспортные белки. Все они двигаются внутри клетки нли переносятся кровью. Такой тип передвижения предполагает растворимость в воде. Поэтому в глобулярных структурах гидрофобные неполярные группы находятся внутри, а ионные полярные — снаружи. [c.453]


    Транспортные белки Эти белки осуществляют транспорт кислорода в крови. К ним относятся, например, гемоглобин крови, миоглобин мышц. [c.26]

    В глобулярных белках одно или большее число полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру сферической или глобулярной формы. К белкам данного типа относятся почти все ферменты, транспортные белки крови, антитела, а также пищевые белки. [c.425]

    Белки могут выполнять множество функций.

Некоторые из них — ферменты — катализируют реакции, как уже было описано. Другие служат гормонами — специальными веществами, выделяемыми некоторыми органами и разносимыми кровью к другим органам, где они вызывают биохимическую активность (например, ряд гормонов переключает деятельность женского организма на подготовку к беременности). Третьи — транспортные белки — служат переносчиками жизненно важных веществ в организме из одного места в другое. Гемоглобин — одна из таких молекул он разносит кислород от легких к тканям. Белки также служат структурным материалом тела. Волосы, мышцы, кожа, хрящи и ногти построены из белков (см. также табл. ГУ.б в главе о пище). [c.452]

    Периплазматическое пространство, куда погружен пептидогликановый слой, заполнено раствором, в состав которого входят специфические белки, олигосахариды и неорганические молекулы. Периплазматические белки представлены двумя типами транспортными белками и гидролитическими ферментами. Транспортные белки — это переносчики, связывающиеся с соответствующими субстратами внешней среды и транспортирующие их от наружной мембраны к цитоплазматической.

[c.37]

    По функциям ферменты, структурные белки, транспортные белки, защитные белки, сократительные белки мышц, гормоны (гормон роста, пролактин, паратгормон), токсины (ботулиновый, столбнячный, холерный), рецепторы (зрительный, ацетилхолиновый), запасные белки в семенах растений и др. [c.23]

    Помимо ферментов, методом А, х. можно выделять также токсины, рецепторы, ингибиторы, транспортные белки и др. биологически активные в-ва. Высокой избирательностью отличается т.наз. иммуносорбция, при к-рой в кач-ве лиганда используют антитела, обладающие специфичностью к выделяемым белкам особенно эффективны моноклональные антитела. 

[c.221]

    Втор 1Я важная функция белков — транспорт веществ. У одноклеточных это в основном транспорт через мембрану. Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества, обеспечивающие ее строительным материалом и энергией. В то же время фосфолипидная мембрана непроницаема для таки.х важнейших компонентов, как аминокислоты, сахара, ионы щелочных металлов. Их проникновение внутрь клетки из окружающей среды происходит при участии специальных транспортных белков, вмонтированных в мембрану. Наприме 5, у многих бактерий имеется специальный белок, обеспечивающий перенос через наружную мембрану молочного сахара — лактозы (6). Последняя представляет собой дисахарид, образованный молекулами глюкозы и ее изомера галактозы  [c.35]


    Структурную основу мембран составляют липиды, а функциональную роль выполняют белки, которые являются ферментами, транспортными белками, рецепторами, переносчиками, образующими поры, каналы и насосы. Существуют две основные теории строения мембран. 
[c.107]

    Однако по мере изучения природы белков и биологической роли каждого из них классификация сильно изменялась и стала основываться на свойствах, которые связаны с их большим функциональным разнообразием и распространенностью. Белки организма в целом представлены широким спектром веществ на долю белков, входящих в состав клеток, обычно приходится более половины сухой массы. Можно выделить некоторые отдельные группы ферменты, которые обеспечивают катализ биохимических реакций в клетке резервные белки структурные белки транспортные белки мышечные белки антитела токсины гормоны и регуляторные белки. Возможно также несколько более широкое понимание биологических функций белков для того, чтобы их классифицировать на три основные категории (табл. 23.1.2)—резервные белки, структурные, или механические белки и белки, проявляющие свои различные биологические свойства при комбинации или связывании с ионами или другими молекулами. 

[c.221]

    Известно, что связывание стероидов с транспортными белками крови играет важную роль в механизме их специфической активности. [c.114]

    До настоящего времени структура и механизм функционирования транспортных белков изучены недостаточно, что в значительной степени связано с трудностью их выделения в солюбилизированной форме. По-видимому, наиболее распространенным путем трансмембранного переноса веществ по механизму облегченной диффузии является транспорт с помощью каналообразующих веществ.[c.310]

    Перечисленными функциями роль белков в живой природе не исчерпывается. Некоторые из них будут изложены ниже в этом параграфе, другие будут рассмотрены в различных разделах курса. Однако уже из приведенных примеров видно, что функциональные белки обладают уникальной способностью с высокой степенью избирательности взаимодействовать с вполне определенными партнерами или, как принято говорить в биохимии, узнавать этих партнеров. Так, ферменты узнают совершенно определенные вещества — субстраты, превращение которых они катализируют рецепторы узнают определенный гормон или нейромедиатор, транспортные белки — те компоненты, перенос которых через клеточную мембрану они должны обеспечить, и т.п. 

[c.38]

    Клеточная мембрана — неотъемлемый элемент любой клетки. Ее роль в первую очередь состоит в том, чтобы отгородить содержимое клетки от окружающей среды, сосредоточить в небольшом объеме простран,ства все необходимые информационные и функциональные структуры, а у клеток эукариот, кроме того, разделить внутреннюю часть клетки на различные функционально автономные отсеки-ядро, митохондрии и ряд других.

Во внешней плазматической мембране клетки функционируют транспортные белки, рецепторы и связанные с ними белковые системы преобразования полученных сигналов. Но структурную основу мембран составляют липиды. [c.55]

    Белки — переносчики всех типов, напоминают связанные с мембранами ферменты, а процесс облегченной диффузии — ферментативную реакцию по ряду свойств 1) транспортные белки обладают высокой специфичностью и имеют участки (сайты) связывания для транспортируемой молекулы (по аналогии — субстрата) 2) когда все участки связывания заняты (т. е. белок насыщен), скорость транспорта достигает максимального значения, обозначаемого (рис. 22.7) 3) белок-переносчик имеет характерную для него константу связывания Ky , равную концентрации транспортируемого вещества, при которой скорость транспорта составляет половину ее максимальной величины (аналогично для системы фермент—субстрат), транспортные белки чувствительны к изменению значения pH среды 4) они ингибируются конкурентными или неконкурентными ингибиторами.

Однако в отличие от ферментной реакции молекула транспортируемого вещества не претерпевает ковалентного превращения при взаимодействии с транспортным белком (рис. 22.7), [c.310]

    Большую группу составляют так называемые транспортные белки, т. е. белки, участвующие в переносе различных вешеств, ионов и т. п. К ним обычно относят цитохром с, участвующий в транспорте электронов, гемоглобин, гемоцианин и миоглобин, переносящие кислород, а также сывороточный альбумин (транспорт жирных кислот в крови), -липопрокин (транспорт липидов), церулоплаз-мин (транспорт меди в крови), липид-обменивающие белки мембран. В последнее время эта группа пополнилась мембранными белками, выполняющими функции нонных каналов,— здесь необходимо упомянуть белковые компоненты полосы В-3, ответственные за транспорт анионов через эритроцитарную мембрану, белки Na -, Са — и К -каналов возбудимых мембран. К транспортным пептидам резонно отнести канал-образующие соединения типа аламетицина и грамицидинов А, В и С, а также пептидные антибиотики — ионофоры ряда валиномицина, энниатина и др.

[c.22]


    Для активного транспорта, как и для облегченной диффузии, характерны высокая специфичность, эффект насыщения транспортных белков транспортируемыми молекулами, когда кинетическая кривая выходит на плато, а также действие ингибиторов..  [c.311]

    Критериями различия транспорта без участия и с участием транспортных белков являются  

[c.48]

    Для транспорта аминокислот существует множество транспортных белков (пермеаз). В упрощенном виде можно говорить о том, что имеется четыре системы транспорта  [c.64]

    По своему существу аффинная хроматография — это особый тип адсорбционной хроматографии. В отличие от того, что было описано в гл. 6, адсорбция здесь осуществляется за счет биоспецифп-ческого взаимодействия между молекулами, закрепленными на матрице, т. е. связанными в неподвижной фазе, и комплементарными к ним молекулами, подлежащими очистке или фракционированию, поступающими, а затем элюируемыми с подвижной фазой. Биоспеци-фическое взаимодействие отличается исключительной избирательностью, а зачастую и очень высокой степенью сродства между партнерами. Оно лежит в основе множества строго детерминированных процессов, протекающих в организме. В качестве примеров можно назвать взаимодействия между ферментами и их субстратами, кофакторами или ингибиторами, между гормонами и их рецепторами, между антигенами и специфическими для них антителами, между нуклеиновыми кислотами и специфическими белками, связывающимися с ними в процессе осуществления своих функций (полимераза.мп, нуклеазами, гистонами, регуляторными белками), а также между самими нуклеиновыми кислотами-матрицами и продуктами их транскрипции. Наконец, многие малые молекулы (витамины, жирные кнслоты и др.) специфически связываются со специальными транспортными белками. 

[c.339]

    Допольно пгмрокпмп (10 —10 М). СпязЬ гормонов с рецепторами заметно прочнее (10″ —10 М). 11аконец, для белков, ведущих в крови и через мсыбрань( перенос витаминов, гормонов и других низ-комолекулярных соединений (транспортных белков), сродство может быть очень сильным и К], снижается иной раз до 10″ —Ю» М.[c.401]

    Таким образом, из этого далеко не полного перечня основных функций белков видно, что указанным биополимерам принадлежит исключительная и разносторонняя роль в живом организме. Если попытаться вьщелить главное, решающее свойство, которое обеспечивает многогранность биологических функций белков, то следовало бы назвать способность белков строго избирательно, специфически соединяться с широким кругом разнообразных веществ. В частности, эта высокая специфичность белков (сродство) обеспечивает взаимодействие ферментов с субстратами, антител с антигенами, транспортных белков крови с переносимыми молекулами других веществ и т.д. Это взаимодействие основано на принципе биоспе-цифического узнавания, завершающегося связыванием фермента с соответствующей молекулой субстрата, что содействует протеканию химической реакции. Высокой специфичностью действия наделены также белки, которые участвуют в таких процессах, как дифференцировка и деление клеток, развитие живых организмов, определяя их биологическую индивидуальность.[c.22]

    Известны два типа мембранных транспортных белков белки-переносчики, называемые транслоказами или пермеазами, и белки каналообразующие. Транспортные белки связывают специфические вещества и переносят их через бислой по градиенту их концентрации или электрохимическому потенциалу, и, следовательно, для осуществления этого процесса, как и при простой диффузии, не требуется затраты энергии АТФ. [c.309]

    Биологические мембраны представляют собой динамическую структуру, компоненты которой подвержены быстрому метаболизму. Благодаря этому липвдное окружение мембранных белков обладает способностью в соответствии с изменением условий функционирования изменять свои физикохимические свойства упаковку, микровязкость, латеральную подвижность компонентов в бислое и т.д. Подавляющее больщинство мембранных белков функционирует в составе олигомерных ансамблей, например в дыхательной цепи митохондрий. Транспортные белки также организуют ассоциаты в бислое димеры (Са -АТФаза), тетрамеры (Ка /К -АТФаза) или даже более высокоорганизованные надмолекулярные комплексы.[c.316]

    Примерами сложных белков могут служить транспортные белки миоглобин и гемоглобин, в которых белковая часть — глобин — соединена с простетической группой — г е м о м. По типу простетической группы их относят к гемопротеинам. Фосфопротеины содержат остаток фосфорной кислоты, металлопротеины — ионы металла. [c.376]

    Аналогичное рассуждение можно провести для транспорта веществ через клеточную мембрану с помощью специальных транспортных белков. Если, например, белок осуществляет транспорт лактозы, то он должен обладать способностью образовывать специфический комплекс с находящимися вне клетки молекулами лактозы. Но для этого фрагмент белковой молекулы, узнающий лактозу, должен находиться на наружной по отношению к мембране поверхности транспортного белка, в данном случае Д-галактозидпермеазы. Поэтому само по себе узнавание не может привести к попаданию лактозы внутрь клетки. Необходимо, чтобы образование комплекса вызвало такое изменение пространственной структуры, при котором область узнавания вместе со связанным сахаром переместилась внутрь клетки. Диссоциация комплекса в этом случае привела бы к попаданию лактозы внутрь клетки, а лишенная лактозы /З-галактозидпермёаза должна была бы вернуться в исходное конформационное состояние с центром узнавания, экспонированным наружу. [c.117]

    Ряд белков выполняет функции переноса веществ из одного компартмен-та клетки в другой или между органами целого организма. Например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям и углекислый газ из тканей в легкие. В крови локализованы специальные транспортные белки — альбумины, переносящие различные эндогенные и экзогенные вещества. Имеются также специальные белки — пермеазы, переносящие различные вещества через биологические мембраны. [c.45]

    Каналообразующие белки (или белки-каналы) формируют трансмембранные гидрофильные каналы, через которые молекулы растворенных веществ соответствующих размеров и заряда могут проходить путем облегченной диффузии. В отличие от транспорта, осуществляемого транслоказами, перенос с помощью каналов не обладает высокой специфичностью, но может осуществляться с гораздо большей скоростью, не достигающей насыщения в широком диапазоне концентрации транспортируемого вещества (рис. 22.6). Некоторые каналы постоянно открыты, тогда как другие ожрьшаются лишь в ответ на связывание транспортируемого вещества. Это приводит к изменению конформации транспортного белка, в результате чего в мембране открывается гидрофильный канал и вещество освобождается с другой стороны мембраны (см. рис. 22.6). [c.309]

    Котранспортные системы — это транспортные белки, переносящие совместно два различных вещества по типу симпорта или антипорта, т. е. переносчик имеет центры связывания для обоих веществ. [c.313]

    Например, для того чтобы снять авидин с биоцитин — сефарозы, использовали 6 М гуанидинхлорид в солянокислом растворе (pH 1,5) [10]. В табл. 11.1 приведены и другие примеры выделения связывающих и транспортных белков с использованием аффинных лигандов. [c.124]

    Додециламип является полезным аффинным лигандом для выделения липидов [12]. При выделении гормонов соответствующие антитела, транспортные белки или лектины служат аффинными сорбентами (см. табл. 11.1). Примером является аффинная хроматография лютеинизирующего гормона овцы на сефарозе с ковалентно связанной иммуноглобулиновой фракцией антител к лютеинизирующему гормону [23]. [c.133]


Аминокислоты Пептиды Белки (1985) — [ c.344 , c.412 ]

Общая органическая химия Т.10 (1986) — [ c.221 ]

Молекулярная биология клетки Том5 (1987) — [ c.82 , c.84 , c.86 ]

Основы биохимии Т 1,2,3 (1985) — [ c.139 ]

Биология Том3 Изд3 (2004) — [ c.0 ]

Биоэнергетика Введение в хемиосмотическую теорию (1985) — [ c.27 , c. 28 , c.40 ]

Молекулярная биология клетки Сборник задач (1994) — [ c.59 , c.60 , c.63 ]

Биологическая химия (2004) — [ c.49 , c.180 , c.389 , c.429 ]


Каталитическая функция белков: примеры. Важная роль белков

Белки представляют собой природные органические соединения, которые обладают высокомолекулярным строением. Молекула данных веществ является неразветвляющимся полимером. Белки построены из 20 аминокислот. Именно они представляют структурную минимальную единицу молекулы – мономер. Все составляющие белка соединены между собой полипептидной, по-другому — карбамидной, связью в достаточно длинные цепи. При этом молекулярная масса может составлять от нескольких тысяч и до миллионов атомных частиц.

Каким может быть белок

Чтобы определить основные функции белка, стоит разобраться в строении подобных веществ. На данный момент существует две разновидности этого важного для человека компонента: фибриллярные и глобулярные. Различают их в основном благодаря разнице в строении белковой молекулы.

Глобулярное вещество прекрасно растворяется не только в воде, но и в солевых растворах. При этом молекула такого белка обладает шарообразной формой. Такую хорошую растворимость можно легко объяснить расположением заряженных остатков аминокислот, которые окружены гидратной оболочкой, на поверхности глобулы. Именно это и обеспечивает такие хорошие контакты с различными растворителями. Стоит отметить, что в группу глобулярных компонентов входят все ферменты, а также практически все биологически активные белки.

Что касается фибриллярных веществ, то их молекулы обладают волокнистой структурой. Каталитическая функция белков очень важна. Поэтому сложно представить ее выполнение без вспомогательных веществ. Фибриллярные белки не растворяются ни в солевых растворах, ни в обычной воде. Их молекулы располагаются параллельно в полипептидных цепях. Такие вещества участвуют в процессах образования некоторых структурных элементов соединительных тканей. Это эластины, кератины, коллагены.

Особую группу составляют сложные белки, которые состоят не только из аминокислот, но и нуклеиновых кислот, углеводов и прочих веществ. Все эти компоненты играют особую роль. Особое значение имеет каталитическая функция белков. Помимо этого, вещества подобного плана являются дыхательными пигментами, гормонами, а также надежной защитой для любого организма. Биосинтез белка осуществляется на рибосомах. Этот процесс определяется при трансляции кодом нуклеиновых кислот.

Каталитическая функция белков

Катализ разнообразных химических веществ – это самая главная функция белков. Подобные процессы осуществляются ферментами. Это белки, которые обладают каталитическими специфическими свойствами. Каждый из подобных веществ может осуществлять одну или же несколько похожих реакций. Катализируют ферменты процесс расщепления сложных молекул, а также их синтез. По-другому эти реакции называют катаболизмом и анаболизмом. Каталитическая функция белков подразумевает также репарацию и репликацию ДНК, а также матричный синтез РНК.

Что такое катализ

Уже к 2013 году учеными было выявлено чуть более 5 тысяч ферментов. Подобные вещества способны влиять на ход практически любых биохимических реакций. Чтобы стала более понятной каталитическая функция белков, стоит разобраться, что же такое катализ. С греческого языка это понятие переводится как «прекращение». Катализ представляет собой изменение скорости протекания любой химической реакции. Происходит это под действием определенных соединений. Ферментами выполняется каталитическая функция белков. Примеры этого явления встречаются в повседневной жизни постоянно. Просто человек этого не замечает.

Пример каталитической функции

Чтобы понять, как действуют ферменты, стоит рассмотреть несколько примеров. Итак, в чем заключается каталитическая функция белков. Примеры:

  1. При фотосинтезе рибулезобифосфаткарбоксилаза осуществляет катализ фиксации СО2.
  2. Перекись водорода расщепляется до кислорода и воды.
  3. ДНК синтезирует ДНК-полимераза.
  4. Амилаза способна расщепляет до мальтозы крахмал.
  5. Деградация угольной кислоты: СО2 + Н2О НСО3 + Н+.

Каталитическая функция белков заключается в ускорении любых химических превращений. К подобным реакциям относится синтез, распад веществ, перенос отдельных атомов или электронов от одного компонента к другому.

Транспортная функция

Жизнедеятельность любой клетки должна поддерживаться различными веществами, которые являются для них не только строительным материалом, но и своеобразной энергией. Биологические функции белков включают и транспортную. Именно эти компоненты поставляют в клетки все важные вещества, ведь мембраны построены из нескольких слоев липидов. Именно здесь и находятся различные белки. При этом гидрофильные участки все сосредоточены на поверхности, а хвостики — в толще мембран. Такое строение не позволяет проникать внутрь клеток очень важным веществам – ионам щелочных металлов, аминокислотам и сахарам. Белки переносят все эти компоненты внутрь клеток для их питания. Например, гемоглобин транспортирует кислород.

Рецепторная

Основные функции белка обеспечивают не только питание клеток живых организмов, но и помогают распознать сигналы, которые поступают из внешней среды и соседних клеток. Самый яркий пример такого явления – рецепторы ацетилхолина, который расположен на мембране около межнейронных контактов. Сам процесс очень важен. Белки выполняют рецепторную функцию, их взаимодействие с ацетилхолином проявляется специфическим образом. В результате внутрь клетки передается сигнал. Однако спустя некоторое время нейромедиатор обязательно должен быть удален. Только в этом случае клетка сможет получить новый сигнал. Именно эту функцию выполняет один из ферментов – ацетилхолтнэстераза, который выполняет расщепление до холина и ацетата гидролизацетилхолина.

Защитная

Иммунная система любого живого существа способна отвечать на появление в организме чужеродных частиц. В данном случае срабатывает защитная функция белка. В организме происходит выработка большого количества лимфоцитов, которые способны наносить вред патогенным бактериям, макромолекулам, раковым клеткам и прочее. Одна из групп данных веществ осуществляет выработку особых белков — иммуноглобулинов. Происходит выделение данных веществ в кровеносную систему. Иммуноглобулины распознают чужеродные частицы и образуют высоко специфический комплекс определенной стадии уничтожения. Так осуществляется защитная функция белка.

Структурная

Функции белка в клетке протекают незаметно для человека. Некоторые вещества имеют по большей части структурное значение. Подобные белки обеспечивают механическую прочность отдельных тканей в организмах. Прежде всего, это коллаген. Это основной компонент внеклеточного матрикса всех соединительных тканей в живом организме.

Стоит отметить, что у млекопитающих коллаген составляет примерно 25 % от общей массы белков. Синтез данного компонента происходит в фибробластах. Это основные клетки любой соединительной ткани. Первоначально образуется проколлаген. Это вещество является предшественником и проходит химическую обработку, которая состоит в окислении до гидроксипролина остатков пролина, а также до гидрксилина остатков лизина. Коллаген образуется в виде трех пептидных цепей, скрученных в спираль.

Это не все функции белков. Биология — достаточно сложная наука, которая позволяет определить и распознать множество явлений, протекающих в организме человека. Каждая функция белка играет особую роль. Так, в эластичных тканях, например в легких, стенках кровеносных сосудов и коже имеется эластин. Этот белок способен растягиваться, а затем возвращаться к исходной форме.

Двигательные белки

Мышечные сокращения – это процесс, при котором происходит превращение энергии, запасенной в молекулах АТФ в виде пирофосфатных макроэргических связей, именно в механическую работу. В данном случае функции белка в клетке выполняют миозин и актин. Каждый из них имеет свои особенности.

Миозин обладает необычайным строением. Этот белок состоит из нитевидной достаточно длиной части – хвоста, а также из нескольких глобулярных головок. Выделяется миозин, как правило, в виде гексамера. Этот компонент образуется несколькими совершенно одинаковыми полипептидными цепями, каждая из которых обладает молекулярной массой в 200 тысяч, а также 4 цепями, молекулярная масса которых составляет всего 20 тысяч.

Актин представляет собой глобулярный белок, который обладает способностью полимеризоваться. При этом вещество образует достаточно длинную структуру, которую принято называть F-актином. Только в таком состоянии компонент может нормально взаимодействовать с миозином.

Примеры основных функций белков

Ежесекундно в клетках живого организма протекают всевозможные процессы, которые невозможны были бы без белков. Примером рецепторной функции подобных веществ может послужить сообщение клеткам адренорецептором о присоединении адреналина. Под воздействием света происходит разложение родопсина. Подобное явление запускает реакцию и возбуждает палочку.

Что касается структурной функции, то лучшим примером в данном случае может послужить действие коллагена. Это вещество придает соединительным тканям больше упругости.

Примером транспортной функции является перенос гемоглобином кислорода по всему живому организму.

В заключение

Это все основные биологические функции белков. Каждая из них очень важна для живого организма. При этом определенная функция выполняется соответствующим белком. Отсутствие подобных компонентов может привести к нарушению работы определенных органов и систем в организме.

Свойства и функции белков — презентация онлайн

Белки
чрезвычайно
разнообразны
по
своим
свойствам, что определяется их пространственной
структурой.
Есть белки, растворимые (например, фибриноген) и нерастворимые
(например, фибрин) в воде. Глобулярные белки растворимы, а
фибриллярные белки- нерастворимы в воде.
Есть белки очень устойчивые (например, кератин) и неустойчивые
(например, фермент каталаза с легко изменяющейся структурой).
У белков встречается разнообразная форма молекул — от нитей
(миозин — белок мышечных волокон) до шариков (гемоглобин)
Виды белков по функциям
Ферменты (альдолаза, каталаза, пероксидаза и т. д.)
Запасные белки (казеин)
Гормоны (паратгормон, инсулин, соматропин)
Транспортные белки (гемоглобин, гемоциан)
Токсины. Микробные- ботулический, столбнячный,
дифтерийный, холерный. Токсины змей, пауков скорпионов,
грибов, пчел
Антибиотики (грамицидин)
Защитные белки (антитела, интерфероны, гамма-глобулины)
Двигательные белки (актин, миозин)
Структурные белки (коллаген, склеротин, мукопротеины)
Структурная
Белки участвуют в образовании всех мембран и органоидов
клетки. Составляют капсид вирусов. Кератин-компонент
перьев, шерсти, волос, ногтей, когтей. Эластин-компонент
связок, кровеносных сосудов. Склеротин входит в экзоскелет
насекомых.
Мукопротеины-основа
слизистых
секретов.
Коллаген входит в состав кожи, костной ткани, хрящей,
сужожилий.
белок
кератин

5. Структурная функция

Структурные белки цитоскелета, как своего рода арматура,
придают форму клеткам и многим органоидам и участвуют в
изменении формы клеток.
Коллаген и эластин — основные компоненты межклеточного
вещества соединительной ткани (например, хряща), а из
другого структурного белка кератина состоят волосы, ногти,
перья птиц и некоторые раковины.
Структурная функция
Каталитическая
В каждой клетке имеются сотни ферментов.
Они помогают осуществлять биохимические
реакции, действуя как биокатализаторы.
Транспортная
Например, г е м о г л о б и н
крови переносит кислород.

8. Транспортная функция

Транспортный белок гемоглобин переносит
кислород из лёгких к остальным тканям и
углекислый газ от тканей к лёгким, а также
гомологичные ему белки, найденные во всех
царствах живых организмов.

9. Имеют небелковый порфириновый компонент — это циклическое азотсодержащее соединение. В том и другом порфириновое кольцо

образует комплексные связи с атомом
металла: у хлорофилла это магний, а у гемоглобина — железо.
Регуляторная
Белки гормоны
физиологические
процессы.
регулируют различные
Например, инсулин регулирует
уровень углеводов в крови.
Рецепторная
Например, инсулин регулирует
уровень углеводов в крови.
Защитная
Предохраняют организм от вторжения
чужеродных организмов или веществ и от
Химическая защита. Связывание
повреждений
Антитела блокируют чужеродные
белки (антигены)
токсинов белковыми молекулами
может обеспечивать их
детоксикацию.
Особенно важную роль в
детоксикации у человека играют
ферменты печени, расщепляющие
яды или переводящие их в
растворимую форму, что
способствует их быстрому
выведению из организма.
Некоторые антибиотики- белки,
например, грамицидин,
актиномицин
Сократительная
.
Актин и миозин – белки мышц
Энергетическая
При недостатке углеводов или
жиров окисляются молекулы
белков.
При полном расщеплении белка до конечных
продуктов выделяется энергия:
1г белка — 17.6 кДж
Но в качестве источника энергии белки используются крайне
редко.

16. Энергетическая функция

Сначала белки
расщепляются
до
аминокислот, а
затем до
конечных
продуктов —
воды,
углекислого
газа и аммиака.

17. Пищевая функция

Запасающая
функция
Денатурация – нарушение природной структуры белка,
с сохранением первичной структуры.
Под влиянием различных химических и физических факторов
(обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой
температурой, облучением, высоким
давлением и т. д.)
происходит изменение природных структур молекулы белка.
Денатурация
обратимая
необратимая

19. Денатурация белка

Высокие температуры,
кислоты, яды, радиация

20.

Ренатурация белка При нормальных
условиях белок
ренатурирует –
восстанавливает
свою структуру

22. Биуретовая реакция на белки

23. Ксантопротеиновая реакция

Если к раствору белка прилить
концентрированную азотную кислоту и
нагреть, то образуется характерная
желтая окраска раствора.

24. Разрушение белка- денатурация. Действие серной кислоты на белок.

25. Денатурация белка сульфатом меди.

Денатурация белка сульфатом
меди
Денатурация белка сульфатом
меди.

26. Денатурация белка сульфатом меди.

Вывод:
Роль белков в жизни клетки огромна.
Современная биология показала, что
сходство и различие организмов
определяется
в конечном счете
набором белков.
Домашнее задание:
Учебник параграф 3,4
Справочник таб. 27,28 стр. 106-111

Функции белка в организме человека. Зачем нам белок? – Дисо Нутримун

Белки — это важнейший строительный материал для организма, основа здоровья, красоты и молодости.

Они выполняют множество функций: отвечают за рациональное использование питательных веществ, помогают сокращаться мышцам, участвуют в формировании иммунитета, регулируют синтез гормонов, восстанавливают силы, дают энергию и многое другое.

Пластическая функция

Белки – главный строительный материал клеток нашего организма. Они составляют значительную часть от общей массы всех тканей и органов и нуждаются в постоянном обновлении. Все необходимые нам белки мы получаем с пищей и преобразуем в собственные белки нашего организма.

Приблизительно за полгода белки нашего тела полностью заменяются. Средняя суточная потеря белков в норме составляет приблизительно 40-80 г. Норма потребления белка в сутки зависит от возраста, пола, образа жизни и состояния здоровья человека.

Каталитическая функция

В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических реакций. В организме человека они протекают в мягких условиях (без применения высоких температур, давления и т. д.).

Хотите быть здоровыми и держать тело в тонусе?

Присоединяйтесь к 1000+ людей, кто получает интересные инсайдерские советы и рекомендации на тему здорового образа жизни, правильного питания и тренировок!

Никакого спама, только полезный и интересный контент!

Возможность быстрого и эффективного протекания химических реакций, необходимых для обеспечения нашего организма строительным материалом и энергией, осуществляется за счет ферментов – соединений белковой природы.

Регуляторная функция

Гормоны – вещества, которые регулируют рост, развитие и дифференцировку различных органов и тканей, определяют физическое, половое и умственное развитие.

Гормоны играют первостепенную роль в процессах адаптации человека к условиям внешней среды.

Многие гормоны являются веществами белковой природы. Например, инсулин – гормон поджелудочной железы – регулирует углеводный обмен. Под воздействием инсулина происходит уменьшение концентрации глюкозы в крови и превращение глюкозы в гликоген в печени и мышцах.

Белковой структурой обладают также гормоны, вырабатываемые гипофизом – железой внутренней секреции, которая связана с одним из отделов головного мозга. Гипофиз является своеобразным «командным пунктом» для регуляции деятельности всех желез внутренней секреции.

Сигнальная функция

Все рецепторы наших органов чувств имеют белковую структуру. Восприятие всей информации из окружающей среды, дальнейшая ее передача по центральной нервной системе и ответная реакция организма на любой раздражитель невозможны без определенных веществ, имеющих белковую природу.

Например, эндорфины являются необходимым звеном реакции на стресс, так как обладают обезболивающим действием, помогают организму адаптироваться в стрессовой ситуации, улучшают память и процесс обучаемости.

Защитная функция

Наш организм постоянно подвергается агрессивному влиянию окружающей среды, в том числе в результате вторжения различных инфекционных агентов (бактерий, грибков, вирусов). Генетически в нашем организме заложена возможность бороться с инфекцией и осуществляется она в том числе с помощью белков.

Защитные функции белков можно разделить на три вида.

Механическая защита (барьерная функция)

В нашем организме существуют органы и системы, которые формируют так называемые биологические барьеры (например, кожа, слизистая оболочка, склера, выстилка пищеварительной и дыхательной систем – все, что контактирует с внешней средой).

Клеточная стенка всех этих органов и систем имеет белковую структуру. Кроме того, клеточная стенка содержит рецепторы, которые определяют то, какие вещества должны попасть внутрь клетки.

Защитной функцией обладают белки крови, например, фибриноген и тромбин. Они обеспечивают процесс свертывания и тем самым предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудистой стенки.

Химическая защита

В организме человека белки способны связываться с различными ядами и токсинами, переводя их в неактивное состояние и тем самым способствуя их успешному выведению.

Иммунная защита

За эту функцию отвечают иммуноглобулины (или антитела). Они обладают способностью распознавать чужеродные клетки (проникающие в организм бактерии, вирусы, или клетки самого организма, переродившиеся в раковые), а также чужеродные для организма белки, и прочно связываться с ними.

Кроме того, белок необходим для построения клеток иммунной системы, которые распознают, маркируют и уничтожают чужеродный объект.

Узнайте подробнее о важности белка в организме человека.

Двигательная функция

Многие белки обладают сократительной функцией. Мы двигаемся за счет сокращения и удлинения мышечных волокон, которые состоят из миофибрилл – длинных тонких нитей, содержащих АТФ, кальций, неорганические соли, и окруженных межклеточной жидкостью.

Сокращение мышц происходит благодаря волокнам, которые содержат белки актин и миозин.

Транспортная функция

Некоторые виды белков выполняют транспортную функцию. Они связывают и переносят отдельные молекулы внутрь клетки или даже от органа к органу.

Например, гемоглобин эритроцитов (белок) при прохождении крови через легкие связывает кислород и доставляет его ко всем органам и тканям. Так начинается процесс внутриклеточного окисления, в ходе которого и высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности организма.

В плазме крови транспортную функцию осуществляют липопротеины, перенося липиды из печени в другие органы.

В клеточных мембранах присутствуют белки, способные связывать глюкозу, аминокислоты, витамины, гормоны, лекарственные вещества, и обеспечивать их активный перенос внутрь клетки.

Энергетическая функция

Энергетическая роль белков определяется их способностью высвобождать при окислении энергию.

Так, при окислении 1 г белков выделяется 4 Ккал (16,7 кДж) энергии.

Содержание данной статьи предназначено только для общей информации и не должно рассматриваться в качестве замены медицинских советов вашего лечащего врача или другого специалиста из сферы здравоохранения. ООО «ЦРЛ» (Интернет-магазин «Дисо» «Нутримун») не несет ответственности и не может быть привлечено к таковой за любой диагноз, который может поставить пользователь на основании содержания данного сайта. Всегда обращайтесь за консультацией к вашему врачу, если у вас возникают опасения по поводу вашего здоровья.

Общий белок — ЕМЦ

Общий белок — это органический полимер, состоящий из аминокислот. Различные белки участвуют во всех биохимических реакциях нашего организма в качестве катализаторов, транспортируют различные вещества и лекарственные препараты, участвуют в иммунной защите и т.д.

Общий белок — важнейший компонент белкового обмена в организме. Под понятием «общий белок» понимают суммарную концентрацию альбумина и глобулинов, находящихся в сыворотке крови. В организме общий белок выполняет следующие функции: участвует в свертывании крови, поддерживает постоянство рН крови, осуществляет транспортную функцию, участвует в иммунных реакциях и многие другие функции.

Определение белка в сыворотке крови используется для диагностики заболеваний печени, почек, онкологических заболеваний, при нарушении питания, обширных ожогах и т. д.

Нормы белка в крови

Взрослые 64-83 г/л

Повышенный белок бывает при диарее, рвоте, при кишечной непроходимости, при больших ожогах.

Повышенное содержание белка в крови вызывают:

  • острые и хронические инфекционные заболевания
  • ревматоидный артрит, ревматизм
  • онкологические заболевания
  • обезвоживание организма и сгущение крови

Если результат биохимии белков — пониженный белок, то врач может предположить следующие заболевания:

  • заболевания поджелудочной железы
  • заболевание печени, при которых снижается синтез белка в печени (цирроз, гепатит, рак печени, токсическое поражение печени)
  • заболевание кишечника
  • острые и хронические кровотечения
  • заболевание почек, сопровождающиеся значительной потерей белка с мочой (гломерулонефрит и др.)
  • потеря белка при большой кровопотере, обширных ожогах, травмах, опухолях, асците, хроническом и остром воспалении
  • нарушение функции желудочно-кишечного тракта
  • онкологическое заболевание

Анализ белка может показать снижение общего белка в крови при голодании, сильных физических нагрузках.

Отклонение от нормы общего белка — сигнал разнообразных нарушений в деятельности организма, но только по анализу одного показателя невозможно полностью представить общую картину заболевания. Правильно оценить результаты анализа и поставить диагноз может только опытный врач.

В нашем медицинском центре вы всегда найдете высококвалифицированных специалистов, которые проведут всестороннее обследование и, поставив точный диагноз, проведут комплексное целевое лечение. Сделать биохимический анализ крови, пройти полное обследование вы всегда можете, обратившись в наш медицинский центр. В своей работе мы используем только одноразовые материалы.

структура, виды, защитная, двигательная, запасающая

Назначение белков в организме

Определение

Белки — сложные органические вещества, которые состоят из альфа-аминокислот (определенных органических соединений), составленных в цепочку пептидных связей.

Это биологическое вещество является строительным материалом и поддерживает жизнедеятельность человеческого организма, участвует в процессах метаболизма.

Источник: cf.ppt-online.org

Основные функции

Принято выделять 11 функций белка:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

  1. Транспортная.
  2. Строительная
  3. Регуляторная.
  4. Защитная.
  5. Двигательная.
  6. Сигнальная.
  7. Запасающая.
  8. Энергетическая.
  9. Каталитическая или ферментативная.
  10. Функция антифриза.
  11. Резервная или питательная.

Транспортная

Уникальная способность белков заключается в их умении присоединять различные вещества и транспортировать их к тем или иным тканям и органам: 

  • гемоглобин — белок в крови. Присоединяет к себе кислород и переносит его от легких ко всем органам и тканям, а от них забирает углекислый газ и перевозит обратно в легкие;
  • липопротеины (от греческого lípos (Λίπος) — «жир», proteḯni (πρωτεΐνη) — «белок»). Отвечают за транспортировку жира;
  • гаптоглобин. Связывает гемоглобин, попадающий в кровь при повреждении эритроцитов, и свободный гемоглобин, образуя комплекс гемоглобин-гаптоглобин. Он поглощается и утилизируется клетками печени. Печень возвращает организму аминокислоты глобина и железо гема;
  • трансферрин. Вырабатывается в печени, связывает железо и переносит его по телу.

Белки выступают трансфером ионов кальция, магния, железа, меди и др.

Строительная

Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных составов:

  • кератин. Основной компонент в составе волос, ногтей, перьев или копыт;
Источник: lifelib. info
  • коллаген. Главный элемент сухожилий и хрящей;
  • эластин. Входит в состав связок;
  • белки клеточных мембран. В основном это гликопротеины.

Регуляторная

Существует отдельная, довольно крупная группа белков, которая ориентируется на регулирование процессов обмена веществ. В этом принимают участие особые гормоны белковой природы. К примеру, инсулин, который контролирует уровень глюкозы в крови и способствует синтезу гликогена.

Защитная

Включается в случае проникновения в организм чужеродных белков или других микроорганизмов, антигенов. В ответ на нападение образуются специальные белки, антитела, которые выполняют функцию обезвреживания нежелательных веществ.

При кровотечении помогает фибрин, способствующий свертыванию крови.

Двигательная

Белки актин и миозин необходимы для сокращения мышц у многоклеточных организмов и других подвижных функций живых существ.

Сигнальная

На клетках есть мембраны, в которые встроены особые рецепторы. Это белки, которые могут изменять свою третичную структуру в зависимости от внешней среды. Так осуществляется передача команд из внешней среды в клетку.

Источник: cf2.ppt-online.org

Запасающая

В случаях длительного голодания организм животных или человека использует белки мышц, эпителиальных тканей и печени для поддержания жизнедеятельности организма.

Кроме того, белки участвуют в откладывании в качестве запаса некоторых веществ. Таким веществом может бы железо, которое не выводится из организма при распаде гемоглобина, а образует комплекс с белком ферритином.

Энергетическая

В качестве источника энергии белки — очень дорогостоящий продукт для нашего тела. Он используется в последнюю очередь, когда израсходованы все углеводы и жиры. При распаде 1 грамма белка выделяется 17,6 кДж энергии. Первым делом они распадаются до аминокислот, а потом до конечных продуктов: воды, углекислого газа и аммиака.

Каталитическая (ферментативная)

Одна из самых важных для организма функций осуществляется за счет особых белков, ферментов (биохимических катализаторов). Они ускоряют биохимические реакции в клетках.

Ферменты можно разделить на:

  1. Простые. Состоят исключительно из аминокислот.
  2. Сложные. Помимо белковой части в их состав входит группа небелкового происхождения (кофактор). У некоторых ферментов эту роль играют витамины.

Функция антифриза

У некоторых существ в плазме крови есть белки, которые предупреждают ее замерзание. Такая способность белка является необходимой для выживания в условиях экстремально низких температур.

Питательная (резервная)

Ее выполняют резервные белки, которые становятся для плода источниками питания. В качестве примера можно привести белки яйца (овальбумины) или основной белок молока (казеин).

Другие группы белков используются организмом как источники аминокислот. 

транспортных белков: определение, типы, функции и примеры — видео и расшифровка урока

Пассивный и активный сотовый транспорт

Существует два основных вида сотового транспорта: пассивный транспорт и активный транспорт.

Когда происходит пассивный транспорт , молекулы перемещаются из области концентрации в область с меньшей концентрацией. Это не требует никакой энергии; давление в концентрированной области будет естественным образом толкать молекулы в область более низкого давления.Противоположный этому процессу, активный транспорт , перемещает молекулы из менее концентрированной области в более концентрированную. Это требует ввода энергии в виде АТФ, аденозинтрифосфата.

Вернемся на почту. Представьте, что в почтовом отделении 100 почтовых работников, а снаружи — 20. Это будет 100 молекул внутри клетки и 20 снаружи. Когда работники изнутри покидают почтовое отделение и выходят за его пределы, они перемещаются из области с большим количеством рабочих (более высокая концентрация) в область с меньшим количеством работников (более низкая концентрация).Снаружи гораздо больше места, поэтому для того, чтобы покинуть переполненное почтовое отделение, требуется очень мало энергии. Именно так работает пассивный транспорт.

С другой стороны, если некоторые работники со стороны решат пойти на почту, они переместятся из области с меньшим количеством рабочих (более низкая концентрация) в область с большим количеством рабочих (более высокая концентрация). Им нужно было бы приложить усилия, чтобы втиснуться обратно в переполненное здание. Вот почему активный транспорт требует от клетки энергии.

Функции транспортных белков

Транспортные белки участвуют как в активном, так и в пассивном транспорте для перемещения молекул через плазматическую мембрану. Внутри плазматической мембраны можно найти две основные группы транспортных белков, каждая из которых помогает водолюбивым молекулам проходить через плазматическую мембрану.

Белок канала служит туннелем через мембрану в клетку. В частности, канальные белки помогают молекулам проходить через мембрану с помощью пассивного транспорта, процесса, называемого облегченной диффузией.Эти белковые каналы отвечают за доставку ионов и других малых молекул в клетку. Важно помнить, что каждый канальный белок может вводить только определенную молекулу. Например, кальциевый канал может использоваться только для транспорта кальция в клетку и из нее. Существуют разные типы белков каналов для разных молекул, в том числе для натрия, калия и хлорида. На самом деле, есть даже специальный канал для транспортировки воды через плазматическую мембрану.

Другой тип транспортного белка называется белком-носителем . Белки-носители должны изменить форму, чтобы молекула могла пройти через плазматическую мембрану. Думайте об этом как о вращающейся двери в почтовое отделение. Когда вы входите во вращающуюся дверь, дверь должна двигаться, чтобы вы попали внутрь почтового отделения. Белок-носитель действует аналогичным образом.

Подобно белкам каналов, белки-переносчики специфичны для молекул, которые они пытаются переместить через мембрану.Некоторые носители могут перемещать только одно вещество за раз, в то время как другие могут перемещать два вещества одновременно. Подобно белкам каналов, белки-переносчики могут использоваться для облегченной диффузии. Например, несколько молекул переносчиков глюкозы способствуют облегченной диффузии глюкозы через мембрану. Однако их можно использовать и во время активного транспорта. Например, натрий-калиевый насос переносит в клетку три иона натрия, откачивая из клетки два иона калия.

Краткий обзор урока

Транспортные белки действуют как двери в клетку, помогая определенным молекулам проходить вперед и назад через плазматическую мембрану, окружающую каждую живую клетку. При пассивном транспорте молекул перемещаются из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Активный транспорт , с другой стороны, перемещает молекулы из низкой концентрации в более высокую концентрацию.

В плазматической мембране находятся два основных класса транспортных белков. Белки каналов способствуют пассивному транспорту, процессу, называемому облегченной диффузией. Во время этого процесса они служат туннелем для определенных ионов и небольших молекул.Примеры канальных белков включают хлоридные, натриевые, кальциевые и калиевые ионные каналы. Белки-носители используются как в пассивном, так и в активном транспорте и изменяют форму, когда они перемещают свою конкретную молекулу через мембрану. Примеры белков-носителей в наших клетках включают натрий-калиевый насос и переносчики глюкозы.

Известная лексика Термины и определения

Словарь Определения
Транспортные белки Двери в камеру; они помогают молекулам двигаться вперед и назад через плазматическую мембрану
Пассивный транспорт Молекулы перемещаются от высокой к низкой концентрации
Активный транспорт Перемещает молекулы из низкой концентрации в более высокую концентрацию
Канальные белки (т. е. хлорид, кальций) действует как туннель, по которому переносятся ионы и небольшие молекулы при облегченной диффузии
Белки-носители (т.е. транспортеры глюкозы) Работает как в активном, так и в пассивном транспорте; они меняют форму при перемещении молекул через мембраны

Результаты обучения

Используйте этот урок, чтобы расширить свои знания о транспортных белках при подготовке к последующим:

  • Интерпретация действия транспортных белков
  • Контрастный активный и пассивный сотовый транспорт
  • Обратите внимание на функции каналов и белков-носителей

Белки-носители и активный мембранный транспорт. Молекулярная биология клетки

Процесс, посредством которого белок-носитель переносит молекулу растворенного вещества через липидный бислой, напоминает реакцию фермент-субстрат, и во многих отношениях переносчики ведут себя как ферменты.Однако, в отличие от обычных реакций фермент-субстрат, транспортируемое растворенное вещество не ковалентно модифицируется белком-носителем, а вместо этого доставляется в неизменном виде на другую сторону мембраны.

Каждый тип белка-носителя имеет один или несколько специфических сайтов связывания с растворенным веществом (субстратом). Он переносит растворенное вещество через липидный бислой, претерпевая обратимые конформационные изменения, которые попеременно обнажают сайт связывания растворенного вещества сначала на одной, а затем на другой стороне мембраны.Схематическая модель действия такого белка-носителя показана на рис. Когда носитель насыщен (то есть, когда все места связывания растворенного вещества заняты), скорость транспорта максимальна. Эта скорость, обозначаемая как V max , характерна для конкретного носителя и отражает скорость, с которой носитель может переключаться между двумя своими конформационными состояниями. Кроме того, каждый транспортный белок имеет характеристическую константу связывания для своего растворенного вещества, K m , равную концентрации растворенного вещества, когда скорость транспорта составляет половину ее максимального значения (). Как и в случае ферментов, связывание растворенного вещества может быть специфически заблокировано либо конкурентными ингибиторами (которые конкурируют за один и тот же сайт связывания и могут переноситься или не транспортироваться носителем), либо неконкурентными ингибиторами (которые связываются в другом месте и специфически изменяют структуру носителя). ).

Рисунок 11-6

Модель того, как конформационные изменения в белке-переносчике могут опосредовать пассивный транспорт растворенного вещества. Показанный белок-носитель может существовать в двух конформационных состояниях: в состоянии А сайты связывания растворенного вещества находятся снаружи липида (подробнее…)

Рисунок 11-7

Кинетика простой диффузии и диффузии с участием переносчиков. В то время как скорость первого всегда пропорциональна концентрации растворенного вещества, скорость последнего достигает максимума ( V max ), когда белок-носитель насыщен. Концентрация растворенного вещества (подробнее. ..)

Как мы обсуждаем ниже, требуется лишь относительно небольшая модификация модели, показанной на рис., чтобы связать белок-носитель с источником энергии, чтобы перекачивать растворенное вещество вверх против его электрохимического градиента.Клетки осуществляют такой активный транспорт тремя основными способами ():

Рисунок 11-8

Три способа вождения активного транспорта. Активно транспортируемая молекула показана желтым, , а источник энергии показан красным .

1.

Связанные носители соединяют восходящий транспорт одного растворенного вещества через мембрану с нисходящим транспортом другого.

2.

Насосы, приводимые в действие АТФ , связывают восходящий транспорт с гидролизом АТФ.

3.

Управляемые светом насосы , обнаруженные в основном в бактериальных клетках, связывают восходящий транспорт с поступлением энергии от света, как в случае с бактериородопсином (обсуждается в главе 10).

Сравнение аминокислотных последовательностей позволяет предположить, что во многих случаях существует сильное сходство в молекулярном строении между белками-носителями, которые опосредуют активный транспорт, и теми, которые опосредуют пассивный транспорт. Некоторые бактериальные переносчики, например, которые используют энергию, хранящуюся в градиенте H + через плазматическую мембрану, для управления активным поглощением различных сахаров, структурно сходны с переносчиками, которые опосредуют пассивный транспорт глюкозы в большинство клеток животных.Это предполагает эволюционную связь между различными белками-носителями; и, учитывая важность малых метаболитов и сахаров как источника энергии, неудивительно, что надсемейство переносчиков является древним.

Мы начинаем обсуждение активного транспорта с рассмотрения белков-переносчиков, которые управляются ионными градиентами. Эти белки играют решающую роль в транспорте малых метаболитов через мембраны во всех клетках. Затем мы обсудим насосы, управляемые АТФ, включая насос Na + , который обнаруживается в плазматической мембране почти всех клеток.

Активный транспорт может управляться ионным градиентом

Некоторые белки-переносчики просто переносят одно растворенное вещество с одной стороны мембраны на другую со скоростью, определяемой, как указано выше, с помощью V max и K м ; их называют унипортеры. Другие, с более сложной кинетикой, функционируют как 90–113 связанных переносчиков, 90–114 в которых перенос одного растворенного вещества строго зависит от переноса второго. Парный транспорт включает либо одновременный перенос второго растворенного вещества в том же направлении, осуществляемый симпортерами, либо перенос второго растворенного вещества в противоположном направлении, осуществляемый антипортерами.

Рисунок 11-9

Три типа транспорта, опосредованного переносчиком. На этой схематической диаграмме показаны белки-переносчики, функционирующие как унипортеры, симпортеры и антипортеры.

Тесная связь между переносом двух растворенных веществ позволяет этим переносчикам собирать энергию, запасенную в электрохимическом градиенте одного растворенного вещества, обычно иона, для переноса другого. Таким образом, свободная энергия, высвобождаемая при движении неорганического иона вниз по электрохимическому градиенту, используется в качестве движущей силы для перекачки других растворенных веществ вверх против их электрохимического градиента.Этот принцип может работать в любом направлении; некоторые связанные переносчики функционируют как симпортеры, другие как антипортеры. В плазматической мембране клеток животных Na + является обычным котранспортируемым ионом, электрохимический градиент которого обеспечивает большую движущую силу для активного транспорта второй молекулы. Na + , попадающий в клетку во время транспорта, впоследствии откачивается с помощью АТФ-управляемого насоса Na + в плазматической мембране (как мы обсудим позже), который, поддерживая градиент Na + , косвенно управляет транспорт. (По этой причине говорят, что ионно-управляемые переносчики опосредуют вторичный активный транспорт, тогда как АТФ-управляемые переносчики опосредуют первичный активный транспорт.) Эпителиальные клетки кишечника и почек, например, содержат различные симпортные системы, которые управляются градиентом Na + через плазматическую мембрану; каждая система специфична для импорта в клетку небольшой группы родственных сахаров или аминокислот. В этих системах растворенное вещество и Na + связываются с разными сайтами на белке-носителе.Поскольку Na + имеет тенденцию перемещаться в клетку по своему электрохимическому градиенту, сахар или аминокислота в некотором смысле «втягивается» в клетку вместе с ним. Чем больше электрохимический градиент для Na + , тем больше скорость поступления растворенного вещества; и наоборот, если концентрация Na + во внеклеточной жидкости снижена, транспорт растворенных веществ уменьшается ().

Рисунок 11-10

Один из способов, которым переносчик глюкозы может управляться градиентом Na + .Как и в модели, показанной на рис. 11.6, носитель колеблется между двумя чередующимися состояниями, А и В. В состоянии А белок открыт для внеклеточного пространства; в состоянии B он (подробнее…)

У бактерий и дрожжей, а также во многих мембранных органеллах клеток животных наиболее активные транспортные системы, управляемые градиентами ионов, зависят от H + , а не от Na + , что отражает преобладание насосов H + и фактическое отсутствие насосов Na + в этих мембранах.Активный транспорт многих сахаров и аминокислот в бактериальные клетки, например, управляется электрохимическим градиентом H + через плазматическую мембрану. Одним хорошо изученным симпортом, управляемым H + , является пермеаза лактозы , которая транспортирует лактозу через плазматическую мембрану E. coli . Хотя складчатая структура пермеазы неизвестна, биофизические исследования и обширный анализ мутантных белков привели к детальной модели того, как работает симпорт.Пермеаза состоит из 12 свободно упакованных трансмембранных α-спиралей. Во время транспортного цикла некоторые спирали совершают скользящие движения, вызывающие их наклон. Эти движения попеременно открывают и закрывают щель между спиралями, обнажая места связывания растворенных веществ лактозы и Н + сначала на одной, а затем на другой стороне мембраны ().

Рисунок 11-11

Модель молекулярного механизма действия бактериальной пермеазы лактозы. (A) Вид из цитозоля на предполагаемое расположение 12 предсказанных трансмембранных спиралей в мембране.Петли, соединяющие спирали по обе стороны от (подробнее…)

Na

+ Белки-носители в плазматической мембране регулируют цитозольный pH

На структуру и функцию большинства макромолекул большое влияние оказывает pH, и большинство белков оптимально работают при определенном pH. Лизосомальные ферменты, например, лучше всего функционируют при низком рН (~ 5), характерном для лизосом, тогда как цитозольные ферменты лучше всего функционируют при близком к нейтральному рН (~ 7,2), характерном для цитозоля. Поэтому крайне важно, чтобы клетки могли контролировать рН своих внутриклеточных компартментов.

Большинство клеток имеют один или несколько типов антипортеров, управляемых Na + , в своей плазматической мембране, которые помогают поддерживать цитозольный pH (pH i ) примерно на уровне 7,2. Эти белки используют энергию, хранящуюся в градиенте Na + , для выкачивания избытка H + , который либо просачивается внутрь, либо образуется в клетке в результате кислотообразующих реакций. Используются два механизма: либо H + напрямую транспортируется из клетки, либо HCO 3 вводится в клетку для нейтрализации H + в цитозоле (согласно реакции HCO 3 + H + → H 2 O + CO 2 ). Один из антипортров, использующих первый механизм, представляет собой Na + -H -H 1 + Обменник , который пары притока Na + до отвода H + . Другой, который использует комбинацию двух механизмов, является Na + — CL -HCO 3 2 Обмен, который пары притока Na + и HCO 3 к истечению Cl и H + (так что поступает NaHCO 3 , а выходит HCl).Управляемый Na + теплообменник Cl -HCO 3 в два раза эффективнее теплообменника Na + -H + в том смысле, что он откачивает один H + и нейтрализует другой для каждого Na + , который входит в клетку. Если HCO 3 доступен, как это обычно бывает, этот антипортер является наиболее важным белком-носителем, регулирующим pH i . Оба обменника регулируются рН и и повышают свою активность по мере снижения рН в цитозоле.

3

Na + —independed CL 2 3 3 Обменник также имеет важную роль в PH I Регулирование. Как и Na + -зависимые переносчики, обменник Cl -HCO 3 регулируется pH i , но движение HCO 3 в этом случае в норме. из клетки вниз по электрохимическому градиенту.Скорость оттока HCO 3 и притока Cl увеличивается по мере увеличения pH i , тем самым снижая pH i всякий раз, когда цитозоль становится слишком щелочным. Обменник Cl -HCO 3 подобен белку полосы 3 в мембране эритроцитов, обсуждаемому в главе 10. В эритроцитах белок полосы 3 способствует быстрому выделению CO 2 когда клетки проходят через капилляры в легких.

Насосы H + , управляемые АТФ, также используются для контроля pH во многих внутриклеточных компартментах.Как обсуждалось в главе 13, низкий рН в лизосомах, а также в эндосомах и секреторных везикулах поддерживается такими насосами Н + , которые используют энергию гидролиза АТФ для перекачки Н + в эти органеллы из цитозоля. .

Асимметричное распределение белков-носителей в эпителиальных клетках лежит в основе трансцеллюлярного транспорта растворенных веществ

В эпителиальных клетках, таких как клетки, участвующие в абсорбции питательных веществ из кишечника, белки-носители неравномерно распределены в плазматической мембране и тем самым способствуют трансцеллюлярному транспорту абсорбированных растворов.Как показано в , Na + -связанные симпортеры, расположенные в апикальной (абсорбционной) области плазматической мембраны, активно транспортируют питательные вещества в клетку, создавая значительные градиенты концентрации этих растворенных веществ через плазматическую мембрану. Na + -независимые транспортные белки в базальном и латеральном (базолатеральном) домене позволяют питательным веществам пассивно покидать клетку при этих градиентах концентрации.

Рисунок 11-12

Трансцеллюлярный транспорт. Трансцеллюлярный транспорт глюкозы через эпителиальную клетку кишечника зависит от неравномерного распределения транспортных белков в клеточной плазматической мембране.Показанный здесь процесс приводит к транспорту глюкозы (подробнее…)

Во многих из этих эпителиальных клеток площадь плазматической мембраны значительно увеличивается за счет образования тысяч микроворсинок, которые отходят в виде тонких пальцевидных отростков от апикальной поверхность каждой клетки (см. ). Такие микроворсинки могут увеличивать общую поглощающую площадь клетки в 25 раз, тем самым улучшая ее транспортные возможности.

Хотя, как мы видели, ионные градиенты играют решающую роль в управлении многими важными транспортными процессами в клетках, ионные насосы, которые используют энергию гидролиза АТФ, ответственны главным образом за создание и поддержание этих градиентов, как мы обсудим далее.

Плазменная мембрана Na

+ -K + Насос представляет собой АТФазу

Концентрация K + обычно в 10–20 раз выше внутри клеток, чем снаружи, тогда как для Na + верно обратное ( см. Таблицу 11-1, стр. 616). Эти различия концентраций поддерживаются Na . + + насос или Na + насос, обнаруженный в плазматической мембране практически всех животных клеток.Насос работает как антипортер, активно выкачивая Na + из клетки против крутого электрохимического градиента и закачивая K + внутрь. также известен как Na + + АТФаза ().

Рисунок 11-13

Насос Na + -K + . Этот белок-носитель активно перекачивает Na + из клетки и K + в клетку против их электрохимических градиентов.На каждую молекулу АТФ, гидролизованную внутри клетки, выкачиваются три Na + и закачиваются два K + . Специфический ингибитор (далее…)

помпой обеспечивает транспортировку большинства питательных веществ в клетки животных, а также играет решающую роль в регулировании рН цитозоля. Как мы обсудим ниже, помпа также регулирует объем клеток благодаря своим осмотическим эффектам; действительно, он удерживает многие клетки животных от разрыва. Почти треть энергии, потребляемой типичной животной клеткой, расходуется на заправку этого насоса.В электрически активных нервных клетках, которые, как мы увидим, многократно приобретают небольшие количества Na + и теряют небольшие количества K + при распространении нервного импульса, это количество приближается к двум третям потребности клетки в энергии.

Существенной характеристикой насоса Na + -K + является то, что транспортный цикл зависит от аутофосфорилирования белка. Концевая фосфатная группа АТФ переносится на остаток аспарагиновой кислоты в насосе и затем удаляется, как описано в . Таким образом, различные состояния помпы различаются наличием или отсутствием фосфатной группы. Ионные насосы, которые фосфорилируют себя таким образом, называются транспортными АТФазами Р-типа. Они составляют семейство структурно и функционально родственных белков, которое включает множество насосов Ca 2+ и насосов H + , как мы обсуждаем ниже.

Рисунок 11-14

Модель цикла перекачки Na + -K + насос.(1) Связывание Na + и (2) последующее фосфорилирование АТФ цитоплазматической поверхности насоса вызывает конформационное изменение белка, которое (3) переносит Na + через мембрану (подробнее. ..)

Как и любой фермент, насос Na + -K + может работать в обратном направлении, в данном случае для производства АТФ. Когда градиенты Na + и K + экспериментально увеличиваются до такой степени, что энергия, запасенная в их электрохимических градиентах, превышает химическую энергию гидролиза АТФ, эти ионы перемещаются вниз по своим электрохимическим градиентам, и АТФ синтезируется из АДФ. и фосфат насосом Na + -K + .Таким образом, фосфорилированная форма помпы (шаг 2 в ) может релаксировать, либо отдавая свой фосфат АДФ (шаг 2 в шаг 1), либо изменяя свою конформацию (шаг 2 в шаг 3). Используется ли общее изменение свободной энергии для синтеза АТФ или для выкачивания Na + из клетки, зависит от относительных концентраций АТФ, АДФ и фосфата, а также от электрохимических градиентов для Na + и К + .

Некоторые насосы Ca

2+ и H + также являются транспортными АТФазами P-типа 2+ насосы , удаляющие Ca 2+ из цитозоля после сигнальных событий и H + + насосы , которые выделяют кислоту из специализированных эпителиальных клеток слизистой оболочки желудка.Насосы Ca 2+ особенно важны. Эукариотические клетки поддерживают очень низкие концентрации свободного Ca 2+ в цитозоле (~10 -7 М) в условиях гораздо более высоких внеклеточных концентраций Ca 2+ (~10 -3 М). Даже небольшой приток Ca 2+ значительно увеличивает концентрацию свободного Ca 2+ в цитозоле, и поток Ca 2+ по крутому градиенту концентрации в ответ на внеклеточные сигналы является одним из способов передачи этих сигналов. сигналы быстро проходят через плазматическую мембрану (обсуждается в главе 15).Таким образом, поддержание крутого градиента Ca 2+ важно для клетки. Градиент Ca 2+ поддерживается переносчиками Ca 2+ в плазматической мембране, которые активно перемещают Ca 2+ из клетки. Одним из них является АТФаза Са 2+ Р-типа; другой — антипортер (называемый Na + -Ca 2+ теплообменник) , который управляется электрохимическим градиентом Na + (см. ).

Наиболее изученной транспортной АТФазой P-типа является Ca 2+ Насос или Ca 2+ АТФаза, саркоплазматический ретикулум мембрана клеток скелетных мышц. Саркоплазматический ретикулум представляет собой специализированный тип эндоплазматического ретикулума, который образует сеть трубчатых мешочков в цитозоле мышечных клеток и служит внутриклеточным хранилищем Ca 2+ . (Когда потенциал действия деполяризует мембрану мышечной клетки, Са 2+ высвобождается из саркоплазматического ретикулума через каналы высвобождения Са 2+ в цитозоль, стимулируя сокращение мышцы, как обсуждалось в главе 16.) Насос Ca 2+ , на долю которого приходится около 90% мембранного белка органеллы, отвечает за перемещение Ca 2+ из цитозоля обратно в саркоплазматический ретикулум. Эндоплазматический ретикулум немышечных клеток содержит аналогичный насос Ca 2+ , но в меньших количествах.

С высоким разрешением определена трехмерная структура помпы саркоплазматического ретикулума Ca 2+ . Эта структура и анализ родственного грибкового насоса H + предоставили первые представления о транспортных АТФазах P-типа, которые, как считается, имеют сходные структуры. Они содержат 10 трансмембранных α-спиралей, три из которых выстилают центральный канал, охватывающий липидный бислой. В нефосфорилированном состоянии помпы Са 2+ две из этих спиралей разрываются и образуют полость, доступную с цитозольной стороны мембраны и связывающую два иона Са 2+ . Связывание АТФ с сайтом связывания на той же стороне мембраны и последующее фосфорилирование соседнего домена приводит к радикальной перестройке трансмембранных спиралей.Перегруппировка разрушает сайт связывания Ca 2+ и высвобождает ионы Ca 2+ на другой стороне мембраны в просвет саркоплазматического ретикулума (10).

Рисунок 11-15

Модель того, как насос саркоплазматического ретикулума Ca 2+ перемещает Ca 2+ . Структура нефосфорилированного Ca 2+ -связанного состояния (слева) основана на рентгеноструктурном анализе помпы. Структура фосфорилированный, Ca 2+ -свободное состояние (справа) (подробнее. ..)

Насос Na

+ -K + необходим для поддержания осмотического баланса и стабилизации объема клетки каждые два, которые он накачивает, это электрогенный . Он запускает ток через мембрану, стремясь создать электрический потенциал, при этом внутренняя часть клетки отрицательная по сравнению с внешней. Однако этот электрогенный эффект помпы редко дает более 10% мембранного потенциала.Остальные 90%, как мы обсудим позже, зависят от насоса Na + -K + лишь косвенно.

С другой стороны, помпа Na + -K + играет непосредственную и решающую роль в регулировании объема клеток. Он контролирует концентрацию растворенного вещества внутри клетки, тем самым регулируя осмолярность (или тонус ) , что может вызвать набухание или сжатие клетки (). Поскольку плазматическая мембрана слабо проницаема для воды, вода медленно проникает в клетки и выходит из них по градиенту концентрации, этот процесс называется осмосом. Если клетки поместить в гипотонический раствор (т. е. раствор с низкой концентрацией растворенных веществ и, следовательно, с высокой концентрацией воды), происходит чистое перемещение воды в клетки, что вызывает их набухание и разрыв (лизирование) . Наоборот, если клетки поместить в гипертонический раствор , они сморщатся (см. ). Многие клетки животных также содержат специализированные водные каналы в своей плазматической мембране для облегчения осмотического потока воды, называемые аквапоринами.

Рисунок 11-16

Реакция эритроцита человека на изменение осмолярности внеклеточной жидкости.Клетка набухает или сжимается по мере того, как вода поступает в клетку или выходит из нее по градиенту концентрации.

На важность насоса Na + -K + в контроле объема клеток указывает наблюдение, что многие клетки животных набухают и часто разрываются, если их обработать уабаином , который ингибирует Na + + насос . Как поясняется на Панели 11-1, клетки содержат высокую концентрацию растворенных веществ, в том числе многочисленные отрицательно заряженные органические молекулы, заключенные внутри клетки (так называемые фиксированные анионы ) и сопутствующие им катионы, необходимые для баланса заряда.Это имеет тенденцию создавать большой осмотический градиент, который, если он не сбалансирован, имеет тенденцию «втягивать» воду в клетку. Для клеток животных этому эффекту противодействует противоположный осмотический градиент, обусловленный высокой концентрацией неорганических ионов — главным образом Na + и Cl — во внеклеточной жидкости. Насос Na + -K + поддерживает осмотический баланс, откачивая Na + , который просачивается вниз по крутому электрохимическому градиенту. Cl удерживается мембранным потенциалом.

Панель 11-1

Внутриклеточный водный баланс: проблема и ее решение.

Конечно, у клетки есть и другие способы справиться со своими осмотическими проблемами. Растительные клетки и многие бактерии защищены от разрыва полужесткой клеточной стенкой, окружающей их плазматическую мембрану. У амеб избыточная вода, поступающая осмотически, собирается в сократительных вакуолях, которые периодически выделяют свое содержимое наружу (см. рис. 11-1). Бактерии также выработали стратегии, позволяющие им быстро терять ионы и даже макромолекулы при осмотическом шоке.Но для большинства животных клеток помпа Na + -K + имеет решающее значение.

Связанные с мембраной ферменты, синтезирующие АТФ, являются транспортными АТФазами, работающими в обратном направлении

Плазматическая мембрана бактерий, внутренняя мембрана митохондрий и тилакоидная мембрана хлоропластов содержат транспортные АТФазы. Однако они принадлежат к семейству АТФаз F-типа и структурно сильно отличаются от АТФаз Р-типа. АТФазы F-типа представляют собой турбиноподобные структуры, построенные из множества различных белковых субъединиц.Мы обсудим их подробно в главе 14.

АТФазы F-типа известны как АТФ-синтазы , потому что они обычно работают в обратном порядке: вместо гидролиза АТФ, управляющего ионным транспортом, H + градиенты через их мембраны управляют синтезом. АТФ из АДФ и фосфата. Градиенты H + генерируются либо во время электрон-транспортных стадий окислительного фосфорилирования (в аэробных бактериях и митохондриях), во время фотосинтеза (в хлоропластах), либо с помощью светоактивируемого насоса H + (бактериородопсин) в Halobacterium. .

АТФ-синтазы могут, подобно транспортным АТФазам P-типа, работать в любом направлении: когда электрохимический градиент на их мембране падает ниже порогового значения, они гидролизуют АТФ и перекачивают H + через мембрану. Структурно связанным с АТФазами F-типа является отдельное семейство АТФаз V-типа. Некоторые органеллы, такие как лизосомы, синаптические везикулы и вакуоли растений, содержат АТФазы V-типа, которые перекачивают H + в органеллы и, следовательно, ответственны за подкисление их внутренней части. Таким образом, АТФазы V-типа обычно перекачивают белки, а не синтезируют АТФ.

Транспортеры ABC составляют самое большое семейство мембранных транспортных белков

Последний тип белка-переносчика, который мы обсуждаем, представляет собой семейство транспортных АТФаз, которые имеют большое клиническое значение, хотя их нормальные функции в эукариотических клетках только начинают проявляться. обнаруженный. Первый из этих белков, которые предстоит охарактеризовать, был обнаружен в бактериях. Мы уже упоминали, что плазматические мембраны всех бактерий содержат белки-переносчики, которые используют градиент H + через мембрану, чтобы перекачивать в клетку различные питательные вещества.У многих также есть транспортные АТФазы, которые используют энергию гидролиза АТФ для переноса определенных небольших молекул. У бактерий, таких как E. coli, , которые имеют двойные мембраны (), транспортные АТФазы расположены во внутренней мембране, и существует вспомогательный механизм для захвата питательных веществ и доставки их транспортерам ().

Рисунок 11-17

Небольшой срез двойной мембраны бактерии E. coli . Внутренняя мембрана представляет собой плазматическую мембрану клетки.Между внутренней и внешней липидными бислойными мембранами находится высокопористый, жесткий пептидогликан, состоящий из белка и полисахарида, который (подробнее…)

Рисунок 11-18

Вспомогательная транспортная система, связанная с транспортными АТФазами у бактерий с двойными мембранами . Растворенное вещество диффундирует через образующие каналы белки (порины) во внешней мембране и связывается с периплазматическим субстрат-связывающим белком . В результате (подробнее…)

Транспортные АТФазы плазматической мембраны бактерий принадлежат к самому большому и разнообразному семейству известных транспортных белков.Оно называется надсемейством ABC-транспортеров , потому что каждый член содержит две высококонсервативные кассеты, связывающие АТФ (12). Связывание АТФ приводит к димеризации двух АТФ-связывающих доменов, а гидролиз АТФ приводит к их диссоциации. Эти структурные изменения в цитозольных доменах, как полагают, передаются в трансмембранные сегменты, управляя циклами конформационных изменений, которые попеременно обнажают сайты связывания субстрата с одной или другой стороны мембраны. Таким образом, транспортеры ABC используют связывание и гидролиз АТФ для транспортировки молекул через бислой.

Рисунок 11-19

Типичный транспортер ABC. (A) Диаграмма топологии. (B) Гипотетическое расположение полипептидной цепи в мембране. Транспортер состоит из четырех доменов: двух высокогидрофобных доменов, каждый из которых имеет шесть предполагаемых трансмембранных сегментов, которые (подробнее…)

В E. coli, 78 генов (удивительные 5% генов бактерии) кодируют ABC транспортеры, а клетки животных содержат гораздо больше. Хотя считается, что каждый из них специфичен для определенного субстрата или класса субстратов, разнообразие субстратов, транспортируемых этим суперсемейством, велико и включает аминокислоты, сахара, неорганические ионы, полисахариды, пептиды и даже белки. В то время как бактериальные переносчики ABC используются как для импорта, так и для экспорта, описанные у эукариот транспортеры в основном, по-видимому, специализируются на экспорте. Транспортеры ABC также катализируют переключение липидов с одной поверхности липидного двойного слоя на другую и, таким образом, играют важную роль в биогенезе и поддержании мембран, как обсуждалось в главе 12. Когда субстратами являются липиды или общие гидрофобные молекулы, сайты связывания поскольку они должны быть экспонированы на поверхности переносчика, которая находится в контакте с гидрофобной внутренней частью липидного бислоя.

Действительно, первые идентифицированные транспортеры ABC эукариот были обнаружены благодаря их способности выкачивать гидрофобные лекарственные средства из цитозоля. Одним из них является белок множественной лекарственной устойчивости (MDR) , сверхэкспрессия которого в раковых клетках человека может сделать клетки одновременно устойчивыми к множеству химически несвязанных цитотоксических препаратов, которые широко используются в химиотерапии рака. Лечение любым из этих препаратов может привести к селекции клеток, которые сверхэкспрессируют транспортный белок MDR.Транспортер выкачивает лекарства из клетки, тем самым снижая их токсичность и придавая устойчивость к широкому спектру терапевтических агентов. Некоторые исследования показывают, что до 40% раковых заболеваний человека развивают множественную лекарственную устойчивость, что делает ее серьезным препятствием в борьбе с раком.

Родственное и не менее зловещее явление наблюдается у протистов Plasmodium falciparum , вызывающих малярию. Более 200 миллионов человек заражены этим паразитом, который остается основной причиной человеческой смерти, ежегодно убивая более миллиона человек.Борьбе с малярией препятствует развитие устойчивости к противомалярийному препарату хлорохину, и резистентному P. falciparum , как было показано, амплифицируют ген, кодирующий транспортер ABC, который выкачивает хлорохин.

У дрожжей транспортер ABC отвечает за экспорт феромона спаривания (который представляет собой пептид длиной 12 аминокислот) через плазматическую мембрану дрожжевой клетки. В большинстве клеток позвоночных транспортер ABC в мембране эндоплазматического ретикулума (ЭР) активно транспортирует широкий спектр пептидов, образующихся в результате деградации белков, из цитозоля в ЭР.Это первый шаг на очень важном пути наблюдения за клетками со стороны иммунной системы (обсуждается в главе 24). Транспортируемые белковые фрагменты, проникнув в ЭР, в конечном итоге переносятся на клеточную поверхность, где они выставляются для тщательного изучения цитотоксическими Т-лимфоцитами, которые убивают клетку, если фрагменты кажутся чужеродными (как это происходит, если они происходят от вируса или другого вируса). микроорганизмы, скрывающиеся в цитозоле).

Еще один член семейства ABC был обнаружен в ходе изучения распространенного генетического заболевания муковисцидоза. Это заболевание вызывается мутацией гена, кодирующего транспортер ABC, который функционирует как регулятор канала Cl в плазматической мембране эпителиальных клеток. Один из 27 белых людей несет мутантный ген, кодирующий этот белок; и у 1 из 2500 обе копии гена мутантны, вызывая заболевание. До сих пор неясно, как транспортер ABC действует, регулируя проводимость Cl через мембрану.

Резюме

Белки-носители связывают специфические растворенные вещества и переносят их через липидный бислой, претерпевая конформационные изменения, которые обнажают сайт связывания растворенного вещества последовательно на одной стороне мембраны, а затем на другой.Некоторые белки-переносчики просто транспортируют одно растворенное вещество «вниз», в то время как другие могут действовать как насосы для транспортировки растворенного вещества «в гору» против его электрохимического градиента, используя энергию, обеспечиваемую гидролизом АТФ, нисходящим потоком другого растворенного вещества (например, Na + или H + ), или светом, чтобы вызвать необходимую серию конформационных изменений упорядоченным образом. Белки-носители принадлежат к небольшому числу семейств. Каждое семейство включает белки со сходной аминокислотной последовательностью, которые, как считается, произошли от общего предкового белка и действуют по сходному механизму. Важным примером является семейство транспортных АТФаз P-типа, которое включает вездесущий насос Na + -K + ; каждая из этих АТФаз последовательно фосфорилирует и дефосфорилирует себя во время цикла накачки. Суперсемейство ABC-транспортеров является самым большим семейством мембранных транспортных белков и имеет особенно важное клиническое значение. Он включает белки, ответственные за кистозный фиброз, а также за лекарственную устойчивость раковых клеток и паразитов, вызывающих малярию.

Транспортный белок | Encyclopedia.com


Существует два разных типа транспортных белков: те, которые переносят молекулы в «отдаленные» места (внутри клетки или организма), и те, которые служат воротами, перенося молекулы через непроницаемые мембраны.

Для существования огромного количества многоклеточных организмов у них должна быть система доставки кислорода ко всем их клеткам, особенно к тем клеткам, которые не находятся в прямом контакте с внешней средой организма. Гемоглобин является примером белка, переносящего кислород, и является частью этих систем доставки кислорода.

Одна молекула гемоглобина человека состоит из четырех полипептидных цепей. Каждая из этих цепочек содержит прочно связанную простетическую группу, называемую гем. Простетическая группа — это небольшая органическая молекула (не аминокислота), прочно связанная с белком. В основе каждой гемовой группы находится прочно связанный атом железа, с которым связывается кислород. Функция гемоглобина состоит в том, чтобы связывать кислород в богатой кислородом среде легких, а затем высвобождать этот кислород в другие ткани с низким содержанием кислорода.Полипептидные цепи обернуты вокруг групп гема таким образом, что сродство между железом и кислородом достаточно велико, чтобы гемоглобин мог связывать кислород в легких, но полученная связь достаточно слаба, чтобы гемоглобин высвобождал кислород при встрече с кислородом. органов или тканей, нуждающихся в кислороде. Гемоглобин также выполняет дополнительную функцию по приему углекислого газа из периферических тканей и высвобождению его в легких.

Клеточные мембраны непроницаемы для заряженных и полярных молекул, а это означает, что эти молекулы не могут спонтанно пересекать их.Некоторые транспортные белки присущи клеточным мембранам и облегчают транспорт полярных молекул через мембраны. Каждая клетка человеческого тела нуждается в глюкозе , очень полярной молекуле, и у людей есть пять различных транспортных белков глюкозы (известных как GLUT1–GLUT5), которые выполняют одинаковую функцию: они переносят молекулы глюкозы через мембраны в клетки. Без этих транспортных белков скорость поступления глюкозы в клетки была бы действительно очень низкой. Другие связанные с мембраной транспортные белки переносят через мембраны другие молекулы, включая аминокислоты, ионы и витаминов .

см. также Белки.

Пол А. Крейг

Библиография

Берг, Джереми М.; Тимочко, Джон Л.; и Страйер, Люберт (2002). Биохимия, 5-е издание. Нью-Йорк: WH Freeman.

Хортон, Х. Роберт; Моран, Лоуренс А . ; Окс, Раймонд С .; Рон, Дж. Дэвид; и Скримджер, К. Грей (2002). Принципы биохимии, 3-е издание. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-холл.

Воет, Дональд; Воет, Джудит Г .; и Пратт, Шарлотта (1999). Основы биохимии. Нью-Йорк: Уайли.

Химия: основы и приложения Крейг, Пол А.

Прогнозирование мембранных транспортных белков и их специфичности к субстрату с использованием информации о первичной последовательности

Аннотация

Фон

Мембранные транспортные белки (транспортеры) перемещают гидрофильные субстраты через гидрофобные мембраны и играют жизненно важную роль в большинстве клеточных функций. Транспортеры представляют собой разнообразную группу белков, различающихся топологией, механизмом связывания энергии и субстратной специфичностью, а также сходством последовательностей.Среди функциональных аннотаций транспортеров особенно важна информация об их транспортирующих субстратах. Экспериментальная идентификация и характеристика транспортеров в настоящее время требует больших затрат времени и средств. Таким образом, разработка надежных методов, основанных на биоинформатике, для предсказания мембранных транспортных белков и их субстратной специфичности является важной и неотложной задачей.

Результаты

Вычислительные модели на основе машины опорных векторов (SVM), которые всесторонне используют интегративные характеристики белковой последовательности, такие как состав аминокислот, состав дипептидов, физико-химический состав, биохимический состав и позиционно-специфические матрицы оценок (PSSM), были разработаны для прогнозирования субстратная специфичность семи классов переносчиков: аминокислот, анионов, катионов, электронов, белков/мРНК, сахаров и других переносчиков.Также была разработана дополнительная модель для дифференциации транспортеров от нетранспортеров. Среди разработанных моделей биохимический состав и гибридная модель PSSM превзошли другие модели и достигли общей средней точности прогноза 76,69% ​​с коэффициентом корреляции Мэтьюса (MCC) 0,49 и площадью рабочей характеристики приемника под кривой (AUC) 0,833 на наш основной набор данных. Эта модель также достигла общей средней точности прогноза 78,88% и MCC 0,41 для независимого набора данных.

Выводы

Наш анализ показывает, что эволюционная информация (т. е. PSSM) и AAIndex являются ключевыми характеристиками для предсказания субстратной специфичности транспортных белков. Для сравнения, основанные на сходстве методы, такие как BLAST, PSI-BLAST и скрытые марковские модели, не дают точных предсказаний субстратной специфичности мембранных транспортных белков. TrSSP: сервер прогнозирования специфичности субстрата транспортера , веб-сервер, который реализует модели SVM, разработанные в этой статье, находится в свободном доступе по адресу http://bioinfo.благородный.org/TrSSP.

Образец цитирования: Мишра Н.К., Чанг Дж., Чжао П.С. (2014) Прогнозирование мембранных транспортных белков и их специфичности к субстрату с использованием информации о первичной последовательности. ПЛОС ОДИН 9(6): е100278. https://doi. org/10.1371/journal.pone.0100278

Редактор: Димитриос Фотиадис, Бернский университет, Швейцария

Получено: 3 марта 2014 г.; Принято: 23 мая 2014 г .; Опубликовано: 26 июня 2014 г.

Copyright: © 2014 Mishra et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

Финансирование: Эта работа была поддержана премией Национального научного фонда № 0960897 для PXZ и Благородного фонда Сэмюэля Робертса. Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Мембранные транспортные белки, также известные как переносчики, транспортируют гидрофильные субстраты через гидрофобные мембраны внутри отдельной клетки или между клетками и, следовательно, играют важную роль в нескольких клеточных функциях, включая клеточный метаболизм, ионный гомеостаз, передачу сигнала, связывание с малыми молекул во внеклеточном пространстве, процесс узнавания в иммунной системе, трансдукция энергии, осморегуляция, физиологические процессы и процессы развития [1]. Транспортеры представляют собой разнообразную группу белков, различающихся по топологии, механизму связывания энергии и субстратной специфичности. В целом транспортные белки подразделяются на белки каналов/пор, электрохимические транспортеры, активные транспортеры, групповые транслокаторы и переносчики электронов. Транспортные белки в основном участвуют в транспортировке аминокислот, катионов, анионов, сахаров, белков, мРНК, электронов, воды и гормонов. Транспортеры также транспортируют различные субстраты [2], и несколько транспортеров могут быть связаны с транспортом конкретного субстрата через клеточные мембраны.На сегодняшний день классификация транспортеров на основе различных семейств/подсемейств, а также их специфических субстратов остается важной проблемой как в структурной, так и в функциональной биологии.

Ранние исследования в области биоинформатики классифицировали и относили транспортные белки к определенному классу транспортеров на основе множественного выравнивания последовательностей. Недавно было разработано несколько методов, основанных на методах машинного обучения [1], [3]–[6]. Например, Громиха и др. . [3] проанализировали аминокислотный состав транспортных белков и разработали модели на основе нейронных сетей, чтобы классифицировать эти транспортные белки как белки каналов/пор, электрохимические транспортеры и активные транспортеры.Оу и др. . [7] дополнительно проанализировали аминокислотный состав и предпочтения пар остатков транспортных белков и разработали модели для классификации этих белков как белки каналов/пор, электрохимические транспортеры и активные транспортеры в шести классификационных семействах транспортеров. Ли и др. . [5] разработали общий подход, основанный на машинном обучении, который интегрировал набор правил, основанных на функциях последовательности транспортеров, полученных из хорошо отобранных протеомов в качестве руководств, которые охватывают основные семейства/подсемейства транспортеров, определенные в базе данных классификации транспортеров (TCDB, http //www. tcdb.org) [8].

Одним из ограничений этих методов, однако, является то, что предсказание субстратной специфичности переносчиков с использованием этих общих систем классификации затруднено. Обычные методы, основанные на поиске сходства белковых последовательностей, не могут предсказать субстратную специфичность транспортеров, потому что существует очень низкое сходство как в пределах одних и тех же классов белков, транспортирующих субстрат, так и между разными классами белков, транспортирующих субстрат. Недавно Schaadt et al. [9] проанализировали аминокислотный состав, псевдоаминокислотный состав [10], парный аминокислотный состав [11] и аминокислотный состав на основе множественного выравнивания последовательностей Arabidopsis thaliana ( A.thaliana ) транспортные белки и разработали модели для предсказания переносчиков аминокислот, переносчиков олигопептидов, переносчиков фосфатов и переносчиков гексозы [12]. В этих моделях белковые последовательности одного и того же класса транспортеров определены как положительные предикторы, а белковые последовательности других классов транспортеров — как отрицательные предикторы. Этот метод основан на евклидовом расстоянии между аминокислотным составом заданной белковой последовательности и средним составом белковых последовательностей положительных данных для конкретного класса, специфичного для субстрата, для расчета оценки для каждой последовательности запроса в отношении каждого класса, специфичного для субстрата.Эта оценка затем используется для назначения субстрата последовательности запроса. Совсем недавно Chen et al. [13] разработали модели на основе нейронных сетей для прогнозирования субстратной специфичности переносчиков электронов, переносчиков белков/мРНК, переносчиков ионов и других транспортеров, используя комбинацию аминокислотного состава, позиционно-специфических оценочных матриц (PSSM) и биохимических свойств, таких как как аминокислотный индекс (AAindex). Недавно Баргаш и др. . [14] также разработали новый метод классификации белков-транспортеров на уровне семейства транспортеров (ТС) и на уровне субстрата (транспортеры металлов, фосфатов, сахаров и аминокислот) с использованием методов, основанных на сходстве последовательностей и мотивах последовательностей. Их метод хорошо работает для классификации семейства TC, но его эффективность низкая для классификации на уровне субстрата с F-баллами около 40–75%.

В этих предыдущих исследованиях классы субстрат-специфических белков, по которым недостаточно данных, были объединены в один общий класс, обозначенный как «другие переносчики». В данном исследовании нашей основной целью было классифицировать транспортные белки на максимально возможное количество классов в соответствии с их транспортируемыми субстратами. Для достижения этой цели мы сначала построили набор данных о субстрат-специфических транспортных белках, который состоял из семи классов транспортеров, эксклюзивных для конкретного субстрата, т.е.например, переносчики аминокислот/олигопептиды, переносчики анионов, переносчики катионов, переносчики электронов, переносчики белков/мРНК, переносчики сахаров и другие переносчики. Мы также составили набор нетранспортеров в качестве дополнительного класса для фонового управления. Для каждого класса субстрата белки этого класса считаются положительным набором данных, а белки других классов считаются отрицательным набором данных. Мы систематически проанализировали аминокислотный состав и физико-химический состав каждого белка и обнаружили различия в составе белков разных классов.Затем мы разработали модели машины опорных векторов (SVM), которые использовали различные свойства последовательностей белков-транспортеров. Мы обнаружили, что наша модель SVM, основанная на биохимическом составе и эволюционной информации (т. Е. Профиле PSSM), может точно предсказать специфичность субстрата. Мы приняли пятикратную схему перекрестной проверки для оценки производительности разработанных моделей. Наши лучшие модели SVM достигли точности 84,08%, 69,19%, 76,59%, 81,43%, 77,96%, 78,57%, 66,73% и 78.99% для переносчиков аминокислот, переносчиков анионов, переносчиков катионов, переносчиков электронов, переносчиков белков/мРНК, переносчиков сахаров, других переносчиков и непереносчиков соответственно. Далее мы оценили эффективность этих моделей на 180 независимых белках, и лучшая модель достигла точности 83,33%, 69,44%, 74,44%, 91,11%, 83,33%, 77,78%, 71,67% и 80,00% для переносчиков аминокислот, анионов. транспортеры, переносчики катионов, переносчики электронов, переносчики белков/мРНК, переносчики сахаров, другие транспортеры и нетранспортеры соответственно.Наконец, мы разработали TrSSP: сервер прогнозирования специфичности субстрата транспортера , который представляет собой веб-сервер, реализующий и демонстрирующий эти модели SVM. Веб-сервер TrSSP находится в свободном доступе по адресу http://bioinfo.noble.org/TrSSP.

Материалы и методы

Сбор данных

Мы собрали из базы данных SwissProt UniProt (выпуск 2013_03) 10 780 транспортеров, белков-носителей и каналов, которые были хорошо охарактеризованы на белковом уровне и имели четкие аннотации субстрата [15], [16].Мы удалили последовательности, которые были фрагментированы. Мы также удалили последовательности, аннотированные более чем двумя субстратными специфичностями и аннотациями биологических функций, которые были основаны исключительно на сходстве последовательностей. Мы вручную курировали аннотации биологических функций из оставшихся последовательностей и собрали в общей сложности 1110 последовательностей мембранных транспортных белков, в которых в литературе сообщалось только об одном транспортирующем субстрате. Мы удалили 210 последовательностей, которые показали сходство более 70%, с помощью программного обеспечения CD-HIT [17] (см. Рисунок S1 для получения подробной информации о процессах компиляции и курирования данных).Затем 900 оставшихся последовательностей транспортеров были разделены на семь основных классов транспортеров на основе их субстратной специфичности: 85 переносчиков аминокислот/олигопептидов, 72 переносчика анионов, 296 переносчиков катионов, 70 переносчиков электронов, 85 переносчиков белков/мРНК, 72 переносчиков сахаров и 220 других транспортеров. Мы также собрали 660 нетранспортеров в качестве дополнительного класса контрольных белков в процессе разработки нашей модели путем случайной выборки всех белков в выпуске UniProt 2013_03, за исключением 10 780 транспортеров.

Далее мы разделили 1560 скомпилированных белков на два набора данных: 1) основной набор данных, который состоял из 70 переносчиков аминокислот, 60 переносчиков анионов, 260 переносчиков катионов, 60 переносчиков электронов, 70 переносчиков белков/мРНК, 60 переносчиков сахаров, 200 других транспортеры и 600 нетранспортных белков, всего 1380 белков; и 2) независимый набор данных, который состоял из 15 переносчиков аминокислот, 12 переносчиков анионов, 36 переносчиков катионов, 10 переносчиков электронов, 15 переносчиков белков/мРНК, 12 переносчиков сахаров, 20 других переносчиков и 60 нетранспортных белков, всего из 180 белков (см. Table S1 для подробного разделения набора данных; все последовательности доступны на нашем веб-сервере TrSSP по адресу http://bioinfo.благородный.org/TrSSP/). Мы применили пятикратную схему перекрестной проверки для 1380 белков в основном наборе данных для разработки наших моделей SVM. Производительность этих моделей SVM была дополнительно протестирована и подтверждена на независимом наборе данных из 180 белков. Чтобы оценить точность предсказания моделей для каждого класса белков, белки одного класса считались положительным предиктором, а белки из остальных классов считались отрицательным предиктором.

Извлечение множественных признаков из белковых последовательностей для построения модели SVM

Монопептидная композиция.

Аминокислотный состав является лучшим и наиболее популярным методом представления свойств белка [18]. Монопептидная композиция дает паттерн фиксированной длины из 20 признаков. Аминокислотный состав белка определяется как доля каждой аминокислоты в этом белке. Процент каждой аминокислоты рассчитывали по следующей формуле: (1) где i представляет собой одну из 20 стандартных аминокислот.

Дипептидная композиция.

Композицию дипептидов использовали для инкапсуляции глобальной информации о каждой последовательности белка.Дипептидная композиция дает паттерн фиксированной длины из 400 (20×20) признаков. Две последовательные аминокислоты используются для расчета информации о составе дипептида. Это представление включает в себя информацию об аминокислотном составе, а также о локальном порядке аминокислот. Процент каждого дипептида рассчитывали по следующей формуле: (2) где i может быть любым дипептидом из 400 возможных дипептидов.

Физико-химический состав.

Физико-химический состав представляет собой состав остатков физико-химического класса в каждой белковой последовательности.Рассчитан процентный состав заряженных (D, E, K, H, R), алифатических (I, L, V), ароматических (F, H, W, Y), полярных (D, E, R, K, Q , N), нейтральные (D, E, R, K, Q, N), гидрофобные (C, V, L, I, M, F, W), положительно заряженные (H, K, R), отрицательно заряженные (D , E), маленькие (A, C, D, G, S, T), маленькие (E, H, I, L, K, M, N, P, Q, V) и большие (F, R, W). , Y) остатков в каждой белковой последовательности [19]. Мы использовали проценты состава этих 11 физико-химических свойств в качестве входных данных для SVM для разработки модели [20].

Расчет биохимического состава.

Биохимический состав аминокислотных остатков также использовался в качестве входного признака для SVM для разработки модели. Мы использовали набор из 49 выбранных физических, химических, энергетических и конформационных свойств для определения биохимического состава каждой белковой последовательности [13]. Эти значения являются подмножествами базы данных AAIndex [21], которая успешно использовалась для изучения фолдинга и стабильности белков [22]–[24] и классификации транспортеров [25].Мы загрузили нормализованные значения 0–1 этих 49 свойств с http://www.cbrc.jp/~gromiha/fold_rate/property.html; Подробная информация о каждой собственности доступна на этом веб-сайте. Мы рассчитали среднее значение каждого биохимического свойства для каждой белковой последовательности, используя следующее уравнение: (3)

Где – значение i биохимического свойства в данной белковой последовательности, – арифметическая сумма i биохимического свойства, а n – длина белковой последовательности. Поэтому мы преобразовали биохимические свойства каждой белковой последовательности в вектор с фиксированным размером 49,

.

Профиль матрицы оценки позиции (PSSM)

PSI-BLAST (Позиционно-специфический итеративный базовый инструмент поиска локального выравнивания) — популярный инструмент для обнаружения отдаленно родственных белков. PSI-BLAST вызывает BLAST (инструмент поиска базового локального выравнивания) для построения матрицы оценки профиля или позиции (PSSM) из нескольких выравниваний совпадений с наивысшей оценкой в ​​​​начальном поиске BLAST (пороговое значение по умолчанию e-value   =   1e-3) .Вновь сгенерированный профиль затем многократно используется для выполнения последующих поисков BLAST, а результат каждой итерации, в свою очередь, используется для уточнения профиля PSSM [26]. Таким образом, PSSM содержит вероятность появления каждого типа аминокислотного остатка в каждом положении, а также инсерций/делеций. Высоко консервативные позиции получают высокие оценки, а слабо консервативные позиции получают почти нулевые оценки. Мы запустили PSI-BLAST с базой данных белков UniRef90 (т. е. с неизбыточной базой данных UniRef с 90% идентичностью последовательностей) [27] с матрицей BLOSUM62 [28].Мы также использовали базу данных SwissProt [15] для создания профиля PSSM во время разработки нашего веб-сервера TrSSP , что значительно сократило время выполнения вычислений. Профиль PSSM белковой последовательности, извлеченной из PSI-BLAST, использовали для создания 400-мерного входного вектора для SVM путем суммирования всех строк в PSSM, которые соответствуют одной и той же аминокислоте в первичной последовательности. Затем каждый элемент в этом входном векторе был разделен на длину последовательности и масштабирован до диапазона 0–1 с использованием следующей стандартной линейной функции: (4) где Значение представляет собой индивидуальную окончательную сумму баллов PSSM для каждой аминокислоты. [29].

Перекрестная проверка

Перекрестная проверка — это практичный и надежный способ проверки прогностической способности недавно разработанной модели. Складной нож или перекрестная проверка с исключением одного (LOOCV) [30] и пятикратная перекрестная проверка являются двумя широко используемыми методами для оценки модели. Мы использовали пятикратную перекрестную проверку при разработке настоящей модели SVM. При пятикратной перекрестной проверке набор данных разбивается на пять случайных разделов одинакового размера [29], [31]. Методы разработки и оценки проводятся пять раз с использованием четырех разделов в качестве набора данных для обучения и оставшегося раздела в качестве набора данных для тестирования.Производительность каждой модели рассчитывается как среднее значение пяти прогонов.

Машины опорных векторов

Машина опорных векторов (SVM) — это универсальный аппроксиматор машинного обучения, основанный на принципе минимизации структурного риска (SRM) статистической теории обучения [32]. Этот метод особенно привлекателен для анализа биологических последовательностей из-за его способности обрабатывать шум и большие пространства признаков [25]. Мы реализовали модели SVM с помощью программного обеспечения SVM-Light [33], которое находится в свободном доступе на http://svmlight.joachims.org/. SVM-Light позволяет пользователю определить количество параметров и выбрать встроенное ядро, такое как линейное, полиномиальное, сигмовидное ядро ​​или ядро ​​радиальной базисной функции (RBF). В этом исследовании мы протестировали линейные, полиномиальные и RBF-ядра для разработки моделей и обнаружили, что RBF работает лучше, чем другие ядра. Мы также оптимизировали параметры стоимости и гаммы (диапазон -j: 1-4, -g: 1-e-5-10) ядра RBF.

Сравнение с методами поиска подобия

Сходство последовательностей остается самым популярным методом функциональной характеристики белков.Поэтому мы сравнили производительность наших моделей SVM для прогнозирования классов транспортеров, специфичных для субстрата, как в нашем основном наборе данных, так и в независимом наборе данных, со следующими методами, основанными на поиске сходства: BLAST, PSI-BLAST и скрытыми марковскими моделями (HMM). В этих разработках и оценках методов, основанных на поиске сходства, мы использовали все уникальные последовательности белка-транспортера без применения фильтрации последовательностей гомологии с помощью инструмента CD-HIT.

ВЗРЫВ.

BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) — один из самых популярных биоинформатических инструментов для функциональной аннотации белковых и нуклеотидных последовательностей [26], [34].Поиск BLAST позволяет пользователю искать последовательность запроса в библиотеке или базе данных последовательностей и находить аналогичную последовательность в библиотеке с заданным порогом отсечки. Биологическая функция этой последовательности совпадений может быть использована для вывода о функции последовательности-запроса.

PSI-ВЗРЫВ.

PSI-BLAST — это инструмент, который создает PSSM, созданный на основе множественного выравнивания лучших результатов BLAST с заданной последовательностью запросов [26]. Позиционно-специфическая матрица для раунда n+1 построена из ограниченного множественного выравнивания между последовательностью запроса и последовательностями, найденными с достаточно низким значением e в раунде n . Эта оценочная матрица создает профиль, предназначенный для идентификации ключевых положений консервативных аминокислот в мотиве. Тонкие отношения между белками, которые являются отдаленными структурными или функциональными гомологами, часто могут быть обнаружены, когда этот профиль используется для поиска в базе данных; эти отношения часто не обнаруживаются поиском BLAST. Поэтому мы использовали PSI-BLAST в дополнение к BLAST для обнаружения отдаленных гомологий. Мы провели итеративный поиск, в котором последовательности, найденные в одном раунде, использовались для построения моделей оценки для следующего раунда поиска.Были проведены три итерации PSI-BLAST с разными пороговыми значениями e. Этот модуль может предсказать любой из семи классов транспортеров и одного класса нетранспортеров в зависимости от сходства запрашиваемого белка с белками в наборе данных. Если у верхнего совпадения e-значение было ниже порога отсечения, то аннотация верхнего совпадения использовалась в качестве прогнозируемой аннотации запроса.

Скрытые марковские модели.

HMM — это статистические модели консенсуса первичной структуры семейства последовательностей.Первоначально HMM были разработаны для распознавания речи [35]. В анализе биологических последовательностей HMM используются для построения профиля, который фиксирует важную информацию о степени консервативности в различных положениях при множественных выравниваниях и различной степени, в которой разрешены пробелы и вставки. Методы на основе HMM, которые работают на формальной вероятностной основе, обычно превосходят методы, основанные на попарном сравнении, как по точности выравнивания, так и по чувствительности и специфичности поиска в базе данных.Более подробную информацию о HMM можно найти в Krogh et al. [36]. Мы внедрили поиск на основе HMM, используя бесплатно загружаемую реализацию HMM, HMMER версии 3.1b1 [37], которая находится в свободном доступе на http://hmmer.janelia.org.

Для реализации метода на основе HMM весь набор данных был разделен на 5 подмножеств по схеме пятикратной перекрестной проверки [38]. Четыре подмножества последовательностей были многократно выровнены с использованием ClustalW2 [39], а профили выравнивания были созданы с использованием «hmmbuild» в HMMER 3.1.б1. Эта база данных профилей была преобразована в сжатые файлы двоичных данных с помощью «hmmpress» и протестирована с пятым подмножеством последовательностей с использованием модуля «hmmscan» в HMMER 3.1b1.

Оценка характеристик предсказания

Чувствительность, специфичность, точность, охват и коэффициент корреляции Мэтьюза (MCC) были рассчитаны для каждого тестового набора данных в нашей пятикратной перекрестной проверке для проверки производительности каждой модели. Параметры, вычисленные для каждого подмножества, усреднялись по всем пяти подмножествам для получения окончательного значения.

Чувствительность вычислялась как , , которая оценивает процент транспортеров, которые были правильно предсказаны как переносчики.

Специфичность была рассчитана как , , которая оценивает процент нетранспортеров, которые были правильно предсказаны как нетранспортные белки.

Точность была рассчитана как , которая оценивает общий процент правильно предсказанных переносчиков и нетранспортеров.

Покрытие было рассчитано как , что дает меру количества переносчиков, которые были правильно предсказаны на основе всего набора данных.Это покрытие также широко известно как чувствительность или процент правильных прогнозов/попаданий.

Коэффициент корреляции Мэтьюза (MCC), который был рассчитан как , , является статистическим параметром, который оценивает качество бинарной классификации для каждой модели. MCC учитывает как истинные, так и ложноположительные прогнозы и считается сбалансированной мерой, даже если два класса имеют разный размер. MCC, равный 1, считается идеальным прогнозом; MCC, близкий к 0, рассматривается как случайное предсказание.В этих формулах TP (истинно положительный) представляет количество правильно предсказанных транспортеров, TN (истинно отрицательный) представляет количество правильно предсказанных нетранспортеров, FP (ложноположительный) представляет количество нетранспортеров, предсказанных как транспортеры, и FN (ложноотрицательный) представляет количество транспортных белков, предсказанных как нетранспортеры.

Все параметры, описанные выше, зависят от порога; следовательно, производительность модели зависит от порога.Анализ площади под кривой (AUC) кривой рабочей характеристики приемника (ROC) позволяет преодолеть пороговую зависимость вышеуказанных показателей. Кривая ROC отображает долю истинно положительных результатов (TP/TP+FN, т.е. чувствительность) в сравнении с пропорцией ложноположительных результатов (FP/FP+TN, т.е. 1 – специфичность) для каждой модели. Площадь под этой ROC-кривой представляет собой единую меру, по которой можно оценить производительность каждой модели. Этот хорошо известный независимый от порога анализ ROC позволяет оценить производительность системы бинарного классификатора при изменении порога различения этой системы.AUC 1,0 указывает на идеальное предсказание, а AUC 0,5 указывает на то, что предсказание не лучше, чем случайное предположение.

Результаты

Композиционные искажения

Мы рассчитали аминокислотный состав восьми классов белков, включая семь классов субстрат-специфических транспортеров и один класс нетранспортеров. Состав заряженных аминокислот, таких как Asp, Glu, Arg и Lys, а также Gly, Ile, Phe, Gln и Val (показаны на рис. 1 ), различается среди этих восьми классов.Различия в концентрациях аминокислот среди восьми классов показаны на рис. 2 . Аминокислоты Asp, Glu, Lys, Phe, Gly, Ile, Leu и Ser имели дисперсию выше 0,5. На рис. 3 показаны различия в физико-химическом составе заряженных, полярных и гидрофобных аминокислот среди восьми классов. Эти различия свидетельствуют о значительных различиях в составе различных классов субстрат-специфических белков-транспортеров.

Рис. 1.Аминокислотный состав белков-транспортеров.

Аминокислотный состав для каждой аминокислоты в процентах от общего количества аминокислот для переносчиков аминокислот (синие ромбы), переносчиков анионов (красные квадраты), переносчиков катионов (зеленые треугольники), переносчиков электронов (фиолетовые x), транспортеры белка/мРНК (голубые звездочки), переносчики сахара (оранжевые кружки), другие транспортеры (знаки плюс) и нетранспортеры (оранжевые штрихи).

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0100278.g001

Рис. 2. Различия аминокислотного состава белков-транспортеров.

На графике представлена ​​дисперсия аминокислотных остатков между переносчиками аминокислот, переносчиками анионов, переносчиками катионов, переносчиками электронов, переносчиками белка/мРНК, переносчиками сахаров, другими переносчиками и нетранспортерами.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0100278.g002

Рис. 3. Физико-химический состав белков-транспортеров.

Физико-химический состав (в процентах от общего количества аминокислот) переносчиков аминокислот (синие ромбы), переносчиков анионов (красные квадраты), переносчиков катионов (зеленые треугольники), переносчиков электронов (фиолетовые x), белка/мРНК переносчики (голубые звездочки), переносчики сахара (оранжевые кружки), другие переносчики (знаки плюс) и непереносчики (оранжевые штрихи) нанесены для следующих физико-химических классов аминокислот: заряженных, алифатических, ароматических, полярных, нейтральных, гидрофобные, положительно заряженные, отрицательно заряженные, крошечные, малые и большие аминокислоты.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0100278.g003

Производительность SVM на основном наборе данных

Мы использовали состав аминокислот, состав дипептидов, физико-химический состав, биохимический состав (AAIndex), PSSM и комбинацию этих свойств для разработки различных моделей для различения аминокислот/олигопептидов, анионов, катионов, электронов, белков/мРНК. , сахар и другие транспортеры и нетранспортеры. Затем мы систематически оценивали производительность каждой модели, используя анализ ROC для (а) переносчиков аминокислот; б) транспортеры анионов; в) переносчики катионов; г) переносчики электронов; (e) переносчики белка/мРНК; (f) транспортеры сахара; (g) другие перевозчики; и (h) нетранспортеры (см. результаты в Рисунок 4 ).

Рис. 4. Анализ рабочих характеристик приемника.

Анализ ROC для (а) транспортеров аминокислот; б) транспортеры анионов; в) переносчики катионов; г) переносчики электронов; (e) переносчики белка/мРНК; (f) транспортеры сахара; (g) другие перевозчики; и (h) нанесены нетранспортеры. Здесь AAI, MPC, DPC и PSSM обозначают аминокислотный индекс, монопептидную композицию, дипептидную композицию и матрицы оценки положения соответственно.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0100278.g004

В таблице 1 показаны средняя чувствительность, специфичность, точность и MCC всех семи классов транспортеров, специфичных для субстрата, с использованием различных моделей SVM. Таблица 2 показывает среднюю чувствительность, специфичность, точность и MCC наших лучших моделей для восьми классов, которые включают семь классов транспортеров, специфичных для субстрата, и класс нетранспортеров. Эти результаты показывают, что модель на основе AAIndex+PSSM превосходит другие модели.Мы также протестировали модели, в которых использовалась комбинация PSSM и других композиций; однако общая производительность этих моделей не улучшилась. Наша лучшая модель, которая объединяет биохимический состав (AAIndex) и профиль PSSM, достигла точности 84,08%, 69,19%, 76,59%, 81,43%, 77,96%, 78,57%, 66,73% и 78,99% для переносчиков аминокислот, переносчиков анионов. , переносчики катионов, переносчики электронов, переносчики белка/мРНК, переносчики сахара и другие переносчики соответственно.Точно так же эта модель достигла значений MCC 0,65, 0,32, 0,47, 0,60, 0,51, 0,52, 0,29 и 0,58 и значений AUC 0,898, 0,754, 0,814, 0,923, 0,817, 0,877, 0,712 и 0,865 для переносчиков аминокислот, анионов. транспортеры, транспортеры катионов, транспортеры электронов, транспортеры белков/мРНК, транспортеры сахаров и другие транспортеры соответственно.

Хотя модели SVM с использованием профиля PSSM, созданного с помощью UniRef90, показали хорошие результаты (, таблица S2 и , таблица S4 ), для расчета профиля PSSM требуется много времени из-за размера базы данных UniRef90.Поэтому мы использовали версию UniProtKB/SwissProt 2013-03 в качестве эталонного набора данных, чтобы сократить время расчета PSSM. Мы достигли аналогичного результата, когда этот профиль PSSM использовался в модели SVM, и процесс генерации PSSM был примерно в 10 раз быстрее, чем процесс генерации, использующий UniRef90. Гибридная модель, которая включала биохимический состав и этот профиль PSSM, достигла точности 83,27%, 67,14%, 76,15%, 81,43%, 74,69%, 78,57%, 66,71% и 78,12% и точности 84.44 %, 68,33 %, 71,11 %, 81,67 %, 83,33 %, 80,56 %, 69,44 % и 80,00 % для переносчиков аминокислот, переносчиков анионов, переносчиков катионов, переносчиков электронов, переносчиков белков/мРНК, переносчиков сахаров и других переносчиков, соответственно, производительность которых была проанализирована на основе как основного набора данных, так и независимого набора данных (см. Таблица S3 и Таблица S5 ). Матрица путаницы обучающих данных предполагает, что наша лучшая модель хорошо работает для каждого класса транспортеров в основном наборе данных ( Таблица S6 ).

Производительность SVM на независимом наборе данных

Мы использовали независимый набор данных из 15 транспортеров аминокислот, 12 транспортеров анионов, 36 транспортеров катионов, 10 переносчиков электронов, 15 переносчиков белков/мРНК, 12 переносчиков сахаров и 20 других переносчиков (см. Таблицу S1 ) для дальнейшей оценки эффективности наших моделей SVM. Лучшая модель SVM, в которой использовались как биохимический состав, так и профиль PSSM, сгенерированный UniRef90, достигла точности 83.33 %, 69,44 %, 74,44 %, 91,11 %, 83,33 %, 77,78 %, 71,67 % и 80,00 % для переносчиков аминокислот, переносчиков анионов, переносчиков катионов, переносчиков электронов, переносчиков белка/мРНК, переносчиков сахара и других переносчиков, соответственно (подробности см. в таблице 3 ).

Мы также протестировали гибридную модель, которая использовала биохимический состав и профиль PSSM на основе UniProt/SwissProt на независимом наборе данных. Эта модель достигла точности 84,44%, 68,33%, 71,11%, 81.67%, 83,33%, 80,56%, 69,44% и 80,00% для переносчиков аминокислот, переносчиков анионов, переносчиков катионов, переносчиков электронов, переносчиков белка/мРНК, переносчиков сахара и других переносчиков соответственно. Матрица путаницы независимых данных предполагает, что наша лучшая модель хорошо работает для независимых данных каждого класса переносчиков ( Таблица S7 ).

Сравнения с другими классификационными моделями

Классификация субстратной специфичности.

Чен и др. .[13] разработали модели для четырех классов субстрат-специфических транспортеров: переносчики электронов, переносчики белков/мРНК, транспортеры ионов и др. транспортеры. Использование только четырех классов транспортеров затрудняет прямое сравнение с нашими моделями, которые были разработаны для семи классов транспортеров. Поэтому мы предсказали специфичность субстрата, используя их веб-сервер TTRBF по адресу http://rbf.bioinfo.tw/~sachen/TTpredict/Transporter-RBF.php, и сгруппировали наши переносчики катионов и анионов в класс переносчиков ионов и наш класс переносчиков аминокислот. транспортеры, транспортеры сахара и другие транспортеры в другой класс транспортеров для нашего независимого набора данных. Мы использовали пороговое значение 0.65, чтобы различать нетранспортеры (ниже 0,65) и транспортеры (больше или равно 0,65). В таблице 4 приведены подробные сведения о сравнении наших моделей SVM с моделями из исследования Chen et al. TTRBF веб-сервер. Наши модели превзошли модели Chen et al. моделей во всех случаях, кроме случая переносчиков ионов, с очень небольшим отрывом (, табл. 5, ). Кроме того, наши модели имеют средний охват 83,21% по сравнению со средним охватом 65.33% с использованием Chen et al. модели.

Классификация транспортеров и нетранспортеров

Мы также сравнили эффективность классификации переносчиков и непереносчиков между нашей моделью и моделью Оу и др. [7] с использованием их веб-сервера по адресу http://rbf.bioinfo.tw/~sachen/TCpredict/Transporter- РБФ.php. Ou и др. Модель предсказывала транспортеры и нетранспортеры с точностью 78,89% и MCC 0,53, тогда как наши модели предсказывали транспортеры и нетранспортеры с точностью 80.00% и МКЦ 0,57. Таким образом, этот результат предполагает, что наши модели превосходят Ou и др. . модель для классификации транспортеров и нетранспортеров.

УДАРНАЯ производительность

Сходство последовательностей остается самым популярным методом функциональной характеристики белков. В целом, если производительность методов на основе BLAST приемлема, то нет необходимости в разработке новых моделей. В нашем исследовании мы использовали BLAST для различения семи классов субстрат-специфических транспортеров и класса нетранспортеров.Мы использовали показатель покрытия для оценки эффективности метода BLAST в отношении предсказания специфичности субстрата в нашей пятикратной перекрестной проверке. Для основного набора данных результаты BLAST достигли диапазона охвата от 25,00% до 75,71% (см. Таблица 6 ). Точно так же для независимого набора данных результаты BLAST при e-значении 1e-4 достигли диапазона охвата от 0,00% до 41,67% при e-значении 1e-4 (см. Таблица 7 ). Эти результаты свидетельствуют о том, что BLAST почти не смог различить транспортеры.Метод BLAST плохо работал для предсказания переносчиков анионов, переносчиков электронов и переносчиков белков/мРНК в основном наборе данных и нескольких классов переносчиков в независимом наборе данных. Производительность метода BLAST еще больше снизилась, когда мы применили более строгие пороги отсечки e-значения.

Производительность PSI-BLAST

В этом исследовании мы использовали PSI-BLAST в дополнение к BLAST, потому что PSI-BLAST имеет дополнительную возможность обнаружения отдаленных гомологий.Для основного набора данных результаты поиска PSI-BLAST достигли диапазона охвата от 30,00% до 74,29% при значении e 1e-4 (см. Таблица 8 ). Точно так же для независимого набора данных результаты поиска PSI-BLAST достигли диапазона охвата от 0,00% до 41,67% при e-значении 1e-4 (см. Таблица 9 ). Следовательно, PSI-BLAST также не смог различить транспортные и нетранспортные белки. Метод PSI-BLAST показал плохие результаты для предсказания переносчиков анионов, переносчиков электронов и переносчиков белков/мРНК в основном наборе данных и не смог предсказать несколько классов переносчиков в независимом наборе данных.Производительность метода PSI-BLAST еще больше снизилась, когда мы применили более строгие е-значения. Таким образом, результаты BLAST и PSI-BLAST предполагают, что методы, основанные на сходстве, не подходят для предсказания классов субстрат-специфических переносчиков.

ХММ производительность

Мы использовали профили HMM, созданные с помощью программного обеспечения ClustalW2 для выравнивания множественных последовательностей в программном пакете HMMER 3.1b1, для поиска похожих последовательностей. Как показано в таблице 10 , для основного набора данных, результаты HMM имели диапазон охвата между 3.33% и 47,14% при e-значении 1e-4. Точно так же для независимого набора данных результаты HMM достигли диапазона охвата от 0,0% до 41,66% при значении e 1e-4 ( Таблица 11 ) . Этот анализ показывает, что метод поиска профилей на основе HMM плохо работает для предсказания классов транспортеров, специфичных для субстрата, и полностью провалился для нескольких классов.

Аннотация транспортера масштаба протеома

Мы применили нашу лучшую модель для предсказания транспортеров на уровне протеома для человека, дрозофилы, дрожжей, Escherichia coli (E. coli) и белки A. thaliana . Чтобы выполнить анализ транспортера на уровне протеома, мы собрали экспериментально аннотированные полноразмерные белковые последовательности из выпуска SwissProt 2013-06. Подробности этого анализа приведены в таблице 12 ; весь прогноз для каждого организма доступен на веб-сервере TrSSP (http://bioinfo.noble.org/TrSSP/?dowhat=Datasets). Наши результаты показывают, что E. coli имеет самый большой процент белков-транспортеров, за которым следует A.талиана ; у людей самый низкий процент белков-транспортеров. Мы также заметили, что переносчики аминокислот и сахаров представляют наименьший процент переносчиков во всех протестированных организмах, кроме E. coli , а переносчики катионов и электронов представляют самый высокий процент переносчиков во всех протестированных организмах. Полный список последовательностей и их субстратной специфичности доступен на веб-сервере TrSSP .

Обсуждение

Экспериментальная характеристика транспортеров на уровне субстрата сложна и требует много времени. Характеристика транспортеров, специфичных для субстрата, также затруднена в исследованиях биоинформатики, потому что транспортеры имеют отдаленную гомологию с другими белками как внутри классов белков, так и между ними. Крайне необходимы передовые вычислительные методы, которые идентифицируют субстрат-специфические транспортные белки по их первичным последовательностям.

Хотя Шаадт и др. . [9] ранее разработали модели для предсказания субстратной специфичности транспортеров для белков A. thaliana , одним из ограничений их моделей является то, что в обучающем наборе данных для разработки модели использовался только 61 белок.Эти модели также не были доступны через программное обеспечение или веб-сервер, чтобы пользователи могли анализировать свои собственные последовательности. Чен и др. . [13] разработали модели для предсказания субстратной специфичности для переносчиков электронов, переносчиков белков/мРНК, переносчиков ионов и других переносчиков, а совсем недавно усовершенствовали этот метод, чтобы дифференцировать транспортеры от нетранспортеров, используя функцию распределения вероятностей для каждого запрашиваемого белка. Этот усовершенствованный метод, который по существу представляет собой комбинацию оригинального метода Chen et al. и Ou и др. , ограничен тем, что предлагаемый порог 0,65 не является надежным для предсказания переносчиков. Баргаш и др. . [14] модель также ограничена классификацией транспортеров только четырех субстратов и на уровне семейства/подсемейства TC.

Модели, разработанные в настоящем исследовании, могут одновременно предсказывать, является ли запрашиваемый белок транспортером или нетранспортером, и его субстратную специфичность для семи классов белков-транспортеров.Одним из преимуществ нашей модели является то, что она может различать транспортеры катионов и анионов. Наша модель на основе PSSM продемонстрировала превосходную производительность в отношении предсказания специфичности субстрата. Однако эта модель требовательна к вычислительным ресурсам, когда профиль PSSM был сгенерирован из базы данных UniRef90. Мы заметили, что нашему веб-серверу TrSSP потребуется примерно 6–15 минут для запуска каждой последовательности, когда база данных UniRef90 используется для генерации PSSM. Чтобы значительно сократить время вычислений PSSM, мы реализовали параллельные вычисления для генерации PSSM и использовали базу данных UniProt/SwissProt в качестве эталонной базы данных, что сократило время работы нашего сервера TrSSP примерно до 10 минут примерно для 200 последовательностей без влияния на модель. представление.

Выводы

Мы обнаружили, что методы, основанные на сходстве последовательностей, такие как BLAST, PSI-BLAST и HMM, не смогли точно предсказать классы субстрат-специфических транспортеров. Эти результаты были ожидаемыми, поскольку белки-транспортеры разнообразны и имеют отдаленную гомологию как внутри, так и между классами транспортеров. Наше текущее исследование предполагает, что мы можем предсказать субстратную специфичность транспортных белков, используя модели SVM, которые включают биохимический состав, аминокислотный состав и профиль PSSM белков-транспортеров.Наш метод пятикратной перекрестной проверки на основном наборе данных показал, что лучшая модель, которая включала AAIndex и профиль PSSM, достигла точности прогноза 84,08%, 69,19%, 76,59%, 81,43%, 77,96%, 78,57%. 66,73% и 78,99% для переносчиков аминокислот, переносчиков анионов, переносчиков катионов, переносчиков электронов, переносчиков белков/мРНК, переносчиков сахаров и других переносчиков соответственно. Эта модель также достигла аналогичной точности предсказания для независимого набора данных. Следовательно, модели, разработанные в настоящем исследовании, не только превосходят доступные в настоящее время классификаторы, но также предсказывают специфичность субстрата для большего количества классов транспортеров, чем предыдущие методы.

Веб-сервер

На основе этой работы мы разработали веб-сервер, который находится в свободном доступе по адресу http://bioinfo.noble.org/TrSSP. Пользователи могут загружать или вставлять последовательности белков в формате Fasta для прогнозирования транспортеров и субстратов. Мы предоставили шесть модулей прогнозирования на этом веб-сервере: SVM на основе аминокислотного состава, SVM на основе AAIndex, SVM на основе PSSM (SwissProt), гибридный SVM на основе AAIndex/PSSM (SwissProt), SVM на основе PSSM (UniRef90) и гибридный SVM AAIndex/PSSM (UniRef90). Веб-сервер TrSSP по умолчанию использует модуль состава аминокислот. Для аминокислотного состава и модулей на основе AAIndex пользователи могут загружать/вставлять до 2000 последовательностей для пакетного прогнозирования. Из-за высоких требований к вычислительным ресурсам мы предоставляем 1) гибридные модули PSSM (SwissProt) или AAIndex/PSSM (SwissProt), в которые пользователи могут загружать/вставлять до 1000 последовательностей, и 2) гибридные модули PSSM (UniRef90) или AAIndex/PSSM (UniRef90). модули, в которых пользователи могут загружать/вставлять до 280 последовательностей для пакетных прогнозов.Хотя мы реализовали параллельное поколение PSSM, модули на основе PSSM имеют длительное время работы; поэтому мы предоставляем пользователям возможность ввести свой адрес электронной почты, чтобы получить свой прогноз позже (в течение 120 дней).

Благодарности

Авторы благодарят Drs. Xinbin Dai, Jun Li, Wenchao Zhang и Firoz Ahmed за их ценные обсуждения, комментарии и предложения, а также за их поддержку при разработке моделей прогнозирования и веб-сервера TrSSP .

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: PXZ. Выполняли опыты: НКМ. Проанализированы данные: PXZ NKM. Написал статью: PXZ NKM. Разработка интерфейсов пользователя для веб-сервера TrSSP: JC.

Каталожные номера

  1. 1. Бенедито В.А., Ли Х., Дай Х., Вандри М., Хе Дж. и др. (2010)Геномная инвентаризация и анализ транскрипции транспортеров Medicago truncatula. Физиология растений 152: 1716–1730.
  2. 2.Lee TJ, Paulsen I, Karp P (2008)Вывод о функции транспортера на основе аннотаций. Биоинформатика 24: i259–267.
  3. 3. Громиха М.М., Ябуки Ю. (2008)Функциональная дискриминация мембранных белков с использованием методов машинного обучения. Биоинформатика BMC 9: 135.
  4. 4. Lin HH, Han LY, Cai CZ, Ji ZL, Chen YZ (2006)Прогнозирование семейства транспортеров по белковой последовательности с помощью метода опорных векторов. Белки 62: 218–231.
  5. 5. Li H, Benedito VA, Udvardi MK, Zhao PX (2009) TransportTP: двухфазный подход к классификации для прогнозирования и характеристики мембранных транспортеров. Биоинформатика BMC 10: 418.
  6. 6. Li H, Dai X, Zhao X (2008)Подход ближайшего соседа для автоматического прогнозирования и категоризации транспортеров на основе белковых последовательностей. Биоинформатика 24: 1129–1136.
  7. 7. Ou YY, Chen SA, Gromiha MM (2010)Классификация транспортеров с использованием эффективных сетей радиальных базисных функций с матрицами оценки положения и биохимическими свойствами. Белки 78: 1789–1797.
  8. 8. Сайер М.Х. младший, Редди В.С., Таманг Д.Г., Вастермарк А. (2014) База данных классификации транспортеров.Рез. нуклеиновых кислот 42: D251–258.
  9. 9. Шаадт Н.С., Кристоф Дж., Хелмс В. (2010)Классификация субстратной специфичности мембранных переносчиков из Arabidopsis thaliana. Журнал химической информации и моделирования 50: 1899–1905.
  10. 10. Chou KC (2000)Предсказание субклеточного расположения белков путем включения эффекта квази-порядка последовательности. Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях 278: 477–483.
  11. 11. Парк К.Дж., Канехиса М. (2003)Прогнозирование субклеточного расположения белков с помощью машин опорных векторов с использованием композиций аминокислот и пар аминокислот.Биоинформатика 19: 1656–1663.
  12. 12. Park Y, Hayat S, Helms V (2007)Прогнозирование статуса захоронения трансмембранных остатков спиральных мембранных белков. Биоинформатика BMC 8: 302.
  13. 13. Chen SA, Ou YY, Lee TY, Gromiha MM (2011)Прогнозирование целей транспортера с использованием эффективных сетей RBF с профилями PSSM и биохимическими свойствами. Биоинформатика 27: 2062–2067.
  14. 14. Баргаш А., Хелмс В. (2013)Передача функциональных аннотаций мембранных переносчиков на основе сходства последовательностей и мотивов последовательностей.BMC Биоинформатика 14: 343.
  15. 15. Бекманн Б., Байрох А., Апвейлер Р., Блаттер М.С., Эстрейхер А. и соавт. (2003) База знаний о белках SWISS-PROT и ее дополнение TrEMBL в 2003 г. Исследование нуклеиновых кислот 31: 365–370.
  16. 16. The Universal Protein Resource (UniProt) в 2010 г. Исследование нуклеиновых кислот 38: D142–148.
  17. 17. Li W, Godzik A (2006) Cd-hit: быстрая программа для кластеризации и сравнения больших наборов последовательностей белков или нуклеотидов.Биоинформатика 22: 1658–1659.
  18. 18. Агарвал С., Мишра Н.К., Сингх Х., Рагхава Г.П. (2011)Идентификация остатков, взаимодействующих с маннозой, с использованием локального состава. PLoS One 6: e24039.
  19. 19. Chothia C (1975)Структурные инварианты фолдинга белков. Природа 254: 304–308.
  20. 20. Кумар М., Такур В., Рагхава Г.П. (2008)COPid: идентификация белка на основе состава. В кремниевой биологии 8: 121–128.
  21. 21. Кавасима С., Покаровски П., Покаровска М., Колински А., Катаяма Т. и др.(2008) AAindex: база данных индексов аминокислот, отчет о проделанной работе за 2008 год. Исследование нуклеиновых кислот 36: D202–205.
  22. 22. Громиха М.М., Селварадж С. (1999)Важность дальнодействующих взаимодействий в фолдинге белков. Биофизическая химия 77: 49–68.
  23. 23. Gromiha MM, Thangakani AM, Selvaraj S (2006)FOLD-RATE: предсказание скорости фолдинга белка по аминокислотной последовательности. Исследование нуклеиновых кислот 34: W70–74.
  24. 24. Громиха М.М., Селварадж С., Тангакани А.М. (2006)Статистический метод прогнозирования скорости разворачивания белка по аминокислотной последовательности.Журнал химической информации и моделирования 46: 1503–1508.
  25. 25. Zavaljevski N, Stevens FJ, Reifman J (2002)Машины опорных векторов с селективным масштабированием ядра для классификации белков и идентификации ключевых позиций аминокислот. Биоинформатика 18: 689–696.
  26. 26. Альтшул С.Ф., Мэдден Т.Л., Шаффер А.А., Чжан Дж., Чжан З. и др. (1997) Gapped BLAST и PSI-BLAST: новое поколение программ поиска белковых баз данных. Исследование нуклеиновых кислот 25: 3389–3402.
  27. 27. Сузек Б.Э., Хуанг Х., МакГарви П., Мазумдер Р., Ву Ч. (2007) UniRef: комплексные и неизбыточные эталонные кластеры UniProt. Биоинформатика 23: 1282–1288.
  28. 28. Шаффер А.А., Вольф Ю.И., Понтинг С.П., Кунин Е.В., Аравинд Л. и соавт. (1999) IMPALA: сопоставление белковой последовательности с коллекцией построенных PSI-BLAST матриц показателей, специфичных для позиции. Биоинформатика 15: 1000–1011.
  29. 29. Мишра Н.К., Рагхава Г.П. (2010)Предсказание остатков, взаимодействующих с FAD, в белке на основе его первичной последовательности с использованием эволюционной информации.Биоинформатика BMC 11 Приложение 1С48.
  30. 30. Мишра Н.К., Рагхава Г.П. (2011)Прогнозирование специфичности и перекрестной реактивности ингибиторов киназ. Letters in Drug Design & Discovery 8: 223–228.
  31. 31. Лата С., Мишра Н.К., Рагхава Г.П. (2010) AntiBP2: улучшенная версия предсказания антибактериальных пептидов. Биоинформатика BMC 11 Приложение 1С19.
  32. 32. Вапник В. (1995) Природа статистической теории обучения. Нью-Йорк: Спрингер.
  33. 33.Йоахимс Т. (1999) Практическое применение крупномасштабного машинного обучения опорных векторов. В: Scholkopf B, Burges C, Smola A, редакторы. В Достижениях в методах ядра: поддержка векторного обучения. Кембридж, Массачусетс: MIT Press. 169–184.
  34. 34. Альтшул С.Ф., Гиш В., Миллер В., Майерс Э.В., Липман Д.Дж. (1990) Базовый инструмент поиска локальной центровки. Дж. Мол Биол 215: 403–410.
  35. 35. Рабинер Л. (1989) Учебное пособие по скрытым марковским моделям и избранным приложениям для распознавания речи.Материалы IEEE 77: 257–286.
  36. 36. Крог А., Браун М., Миан И.С., Шоландер К., Хаусслер Д. (1994) Скрытые марковские модели в вычислительной биологии. Приложения к моделированию белков. Журнал молекулярной биологии 235: 1501–1531.
  37. 37. Эдди С.Р. (2011) Ускоренный поиск профилей HMM. Вычислительная биология PLoS 7: e1002195.
  38. 38. Мишра Н.К., Кумар М., Рагхава Г. (2007)Предсказание белков глутатион-S-трансферазы на основе машины поддержки векторов.Белковые и пептидные письма 14: 575–580.
  39. 39. Ларкин М.А., Блэкшилдс Г., Браун Н.П., Ченна Р., Макгеттиган П.А. и соавт. (2007) Clustal W и Clustal X версии 2.0. Биоинформатика 23: 2947–2948.

4.3: Мембранные транспортные белки — Биология LibreTexts

Мембранные белки бывают двух основных типов: интегральные мембранные белки (иногда называемые внутренними), которые непосредственно встраиваются в фосфолипидный бислой, и периферические мембранные белки (иногда называемые внешними), которые расположены очень близко или даже в контакте с одной стороной мембраны, но не проникают в гидрофобное ядро ​​бислоя.Интегральные мембранные белки могут полностью проходить через мембрану, контактируя как с внеклеточной средой, так и с цитоплазмой, или они могут только частично внедряться в мембрану (с любой стороны) и контактировать только с цитоплазмой или внеклеточной средой. Нет известных белков, которые полностью скрыты внутри ядра мембраны.

Интегральные мембранные белки (рис. \(\PageIndex{9}\)) прочно удерживаются на месте за счет гидрофобных сил, и для их очистки от липидов требуются агенты, разрушающие мембрану, такие как органические растворители (например,грамм. метанол) или моющие средства (например, SDS, Triton X-100). Из-за природы двойного слоя часть интегральных мембранных белков, которые лежат внутри гидрофобного ядра мембраны, обычно очень гидрофобны по своему характеру или имеют обращенные наружу гидрофобные остатки для взаимодействия с ядром мембраны. Эти трансмембранные домены обычно принимают одну из двух форм, изображенных на рисунках 8 и 14: альфа-спирали — либо индивидуально, либо в наборе с другими альфа-спиралями, или бочкообразные вставки, в которых стенки бочонков построены из бета-складок.Гидрофобные вставки ограничены коротким рядом полярных или заряженных остатков, которые взаимодействуют с водной средой и полярными головными группами, чтобы предотвратить скольжение гидрофобной части белка со своего места. Более того, белки могут иметь несколько трансмембранных доменов.

Рисунок \(\PageIndex{9}\). Интегральные (оранжевые) и периферические (синие) мембранные белки, встроенные в бислой фосфолипидов.

Белки периферической мембраны (также показаны на рисунке \(\PageIndex{9}\)) менее предсказуемы по своей структуре, но могут быть присоединены к мембране либо путем взаимодействия с интегральными мембранными белками, либо с помощью ковалентно присоединенных липидов.Наиболее распространенными такими модификациями белков периферических мембран являются ацилирование жирных кислот, пренилирование и связывание с якорями гликозилфосфатидилинозитол (GPI). Жирное ацилирование чаще всего представляет собой миристоилирование (ацильная цепь 14:0) и пальмитоилирование (цепь 16:0) белка. Белок может быть ацилирован более чем одной цепью, хотя наиболее распространены одна или две ацильные группы. Эти жирные ацильные цепи стабильно встраиваются в сердцевину двойного слоя фосфолипидов. В то время как миристоилированные белки обнаруживаются в различных компартментах, почти все пальмитоилированные белки расположены на цитоплазматической поверхности плазматической мембраны. С другой стороны, пренилированные белки обычно прикрепляются к внутриклеточным мембранам. Пренилирование — это ковалентное присоединение изопреноидов к белку — чаще всего изопреновой (углеводород С5), фарнезильной (С15) или геранилгеранильной (С20) групп (рис. \(\PageIndex{10}\)). Якоря GPI (рис. \(\PageIndex{11}\)) обнаруживаются исключительно в белках на внешней поверхности клетки, но, по-видимому, в их структурах или функциях нет какой-либо другой общности.

Рисунок \(\PageIndex{10}\).ПренилацияФигура \(\PageIndex{11}\). GPI-связанные белки связаны С-концевой карбоксильной группой с фосфоэтаноламином, который связан с основным тетрасахаридом из трех остатков маннозы и одного N-ацетилглюкозамина, последний из которых связан гликозидной связью с фосфатидилинозитолом.

Конечно, не все мембранные белки или даже все трансмембранные белки являются переносчиками, и многие другие функции мембранных белков — как рецепторов, молекул адгезии, сигнальных молекул и структурных молекул — будут обсуждаться в последующих главах. Основное внимание здесь уделяется роли мембранных белков в облегчении транспорта молекул через клеточную мембрану.

Транспорт через мембрану может быть либо пассивным, не требующим внешнего источника энергии при переходе растворенного вещества от высокой концентрации к низкой, либо активным, требующим затрат энергии при переходе растворенного вещества от низкой к высокой концентрации (рис. \(\PageIndex{12}\) ).

Рисунок \(\PageIndex{12}\). Для ионов Na и клеток животных пассивный транспорт осуществляется внутрь, переводя Na+ из высокой концентрации вне клетки в низкую концентрацию внутри.Активный транспорт требует энергии, такой как гидролиз АТФ, чтобы перевести ион Na + из низкой концентрации внутри клетки в более высокую концентрацию снаружи.

Пассивный транспорт также можно разделить на неопосредованный транспорт, при котором перемещение растворенных веществ определяется исключительно диффузией, и растворенное вещество не требует транспортного белка, и опосредованный пассивный транспорт (он же облегченная диффузия), при котором транспортный белок необходим для помочь растворенному веществу перейти от высокой концентрации к низкой. Хотя иногда это может включать изменение конформации, для этого процесса не требуется никакой внешней энергии. Неопосредованный пассивный транспорт применим только к растворимым в мембране небольшим неполярным молекулам, а кинетика движения определяется диффузией, толщиной мембраны и электрохимическим мембранным потенциалом. Активный транспорт всегда является опосредованным транспортным процессом.

Рисунок \(\PageIndex{13}\). Неопосредованный и опосредованный транспорт: поток против концентрации.

Сравнивая поток растворенного вещества с исходной концентрацией на рисунке \(\PageIndex{13}\), мы видим, что существует линейная зависимость для неопосредованного транспорта, в то время как опосредованный пассивный транспорт (и в этом отношении активный транспорт) демонстрирует эффект насыщения из-за к ограничивающему фактору количества доступных белков, чтобы пропустить растворенное вещество.Как только растворенного вещества будет достаточно, чтобы постоянно занимать все переносчики или каналы, будет достигнут максимальный поток, и увеличение концентрации не сможет преодолеть этот предел. Это верно независимо от типа задействованного белка-транспортера, хотя некоторые из них более тесно вовлечены в транспорт, чем другие.

Помимо переносчиков белков, существуют и другие способы облегчения движения ионов через мембраны. Ионофоры — это небольшие органические молекулы, часто (но не исключительно) производимые бактериями, которые помогают ионам проходить через мембраны.Многие ионофоры представляют собой антибиотики, действие которых заключается в том, что мембраны становятся негерметичными для определенных ионов, изменяя электрохимический потенциал мембраны и химический состав внутри клетки. Ионофоры имеют исключительно пассивно-транспортный механизм и делятся на два типа.

Первый тип ионофора представляет собой небольшой в основном гидрофобный носитель, почти полностью встроенный в мембрану, который связывается с веществом и обволакивает его, экранируя от липида, а затем перемещает через клеточную мембрану.Наиболее изученным ионофором-носителем является валиномицин, который связывается с K+. Валиномицин представляет собой циклический депсипептид из 12 остатков (содержит амидные и сложноэфирные связи) с чередующимися d- и l-аминокислотами. Все карбонильные группы обращены внутрь для взаимодействия с ионом, тогда как гидрофобные боковые цепи обращены наружу к липиду мембраны. Ионофоры-носители не обязательно являются пептидами: промышленный химикат 2,4-динитрофенол является переносчиком H + и важным экологическим отходом, а нистатин, противогрибковый препарат, используемый для лечения инфекций Candida albicans у людей, является K + . перевозчик.

Второй тип носителя образует каналы в мембране-мишени, но опять же не является белком. Грамицидин является прототипом, анти-грамположительным антибактериальным (за исключением источника грамицидинов, грамположительной Bacillus brevis ) и ионофорным каналом для одновалентных катионов, таких как Na + , K + и H + . Он непроницаем для анионов и может быть блокирован двухвалентным катионом Ca 2+ . Подобно валиномицину, грамицидин А также состоит из чередующихся d- и l-аминокислот, каждая из которых является гидрофобной (l-Val/Ile-Gly-l-Ala-d-Leu-l-Ala-d-Val-l). -Val-d-Val-l-Trp-d-Leu-l-Trp-d-Leu-l-Trp-d-Leu-l-Trp).Грамицидин А димеризуется в мембране с образованием сжатой b-листовой структуры, известной как b-спираль. Димеризация формирует N-конец к N-концу, размещая остатки Trp по направлению к внешним краям мембраны, с полярными группами NH по направлению к внеклеточной и цитоплазматической поверхностям, закрепляя поры на месте.

Каналы — это, по сути, автономные транспортные системы, которые, как следует из названия, обеспечивают проход с одной стороны клетки на другую. Хотя каналы могут быть закрытыми, способными открываться и закрываться, например, в ответ на изменения мембранного потенциала или связывания лиганда, они пропускают растворенные вещества с высокой скоростью, не связывая их прочно и без изменений в конформации.Растворенное вещество может перемещаться по каналам только от высокой концентрации к низкой. Калиевый канал, изображенный ниже (рисунок \(\PageIndex{14}\)A), является примером: существует фильтр селективности (14B) выровненных карбонильных атомов кислорода, который временно позиционирует ионы K+ для быстрого прохождения через канал, но это не так. не связывает K + в течение какого-либо значительного периода, и канал не претерпевает никаких конформационных изменений в результате взаимодействия. Меньшие ионы Na + могут (и в редких случаях проходят) пройти через канал K+, но, поскольку они слишком малы, чтобы фильтр K + правильно разместил их, они обычно выскакивают обратно.Следует отметить, что этот канал представляет собой тетрамер (14С), и на диаграмме в разрезе (14А) для ясности показана только половина канала.

Рисунок \(\PageIndex{14}\). (A) Половина тетрамерного канала K + , показывающая две субъединицы. (B) Деталь фильтра селективности в рамке A. (C) Изображение сверху вниз, созданное на основе данных из банка данных RCSB Protein Data Bank.

В то время как большинство белков, называемых «каналами», образованы несколькими альфа-спиралями, порины образованы цилиндрическим бета-слоем. В обоих случаях растворенные вещества могут перемещаться только вниз по градиенту концентрации от высокой к низкой, и в обоих случаях растворенные вещества не вступают в значительный контакт с порами или каналами.Внутренняя часть поры обычно гидрофильна из-за чередующихся гидрофильных/гидрофобных остатков вдоль бета-ленты, которая размещает гидрофобные боковые цепи снаружи, взаимодействуя с ядром мембраны.

Рисунок \(\PageIndex{15}\).

Порины в основном обнаружены в грамотрицательных бактериях, некоторых грамположительных бактериях, а также в митохондриях и хлоропластах эукариот. Обычно они не обнаруживаются в плазматической мембране эукариот. Кроме того, несмотря на сходство в названии, они структурно не связаны с аквапоринами, которые представляют собой каналы, облегчающие диффузию воды в клетки и из них.

Транспортные белки работают совсем иначе, чем каналы или поры. Вместо того, чтобы обеспечить относительно быстрый поток растворенных веществ через мембрану, транспортные белки перемещают растворенные вещества через мембрану дискретными квантами, связываясь с растворенным веществом на одной стороне мембраны, изменяя конформацию, чтобы доставить растворенное вещество на другую сторону мембраны. , а затем выпуская растворенное вещество. Эти транспортные белки могут работать с отдельными молекулами растворенных веществ, как переносчики глюкозы, или они могут перемещать несколько растворенных веществ.Переносчиками глюкозы являются белки пассивного транспорта , поэтому они перемещают глюкозу только из более высоких концентраций в более низкие и не требуют внешнего источника энергии. Четыре изоформы очень похожи структурно, но различаются по распределению в тканях животного: например, GLUT2 обнаруживается в основном в b-клетках поджелудочной железы, тогда как GLUT4 обнаруживается в основном в мышечных и жировых клетках.

С другой стороны, классический пример активного транспортного белка , Na + /K + АТФаза, также известная как антипорт Na + /K + , использует энергию гидролиза АТФ. для обеспечения конформационных изменений, необходимых для перемещения ионов Na + и K + против градиента.Как показано на рисунке \(\PageIndex{16}\), в состоянии покоя АТФаза Na + /K + открыта для цитоплазмы и может связывать три иона Na + (1). Как только три Na + связаны, переносчик может катализировать гидролиз молекулы АТФ, удаляя фосфатную группу и перенося ее на саму АТФазу (2). Это запускает конформационные изменения, которые открывают белок для внеклеточного пространства, а также изменяют сайт связывания ионов, так что Na + больше не связывается с высокой аффинностью и отпадает (3).Однако специфичность сайта связывания иона также изменяется при этом конформационном изменении, и эти новые сайты обладают высоким сродством к ионам K + (4). Как только два K + связываются, присоединенная фосфатная группа высвобождается (5), и другой конформационный сдвиг возвращает белок-транспортер в его исходную конформацию, изменяя сайты связывания K + , чтобы сделать возможным высвобождение K + в цитоплазме (6) и еще раз обнаружив сродство Na + .

Рисунок \(\PageIndex{16}\). Активный транспорт с помощью Na + /K + АТФазы. Этот фермент выталкивает три иона Na + из клетки и два иона K + внутрь клетки, двигаясь против градиента в обоих направлениях и используя энергию гидролиза АТФ. [Примечание: некоторые тексты изображают активность этого фермента с отдельными сайтами связывания для Na + и K + , но недавние кристаллографические данные показывают, что существует только один сайт связывания ионов, который меняет конформацию и специфичность.]

Na + /K + АТФаза является членом семейства АТФаз P-типа. Они названы из-за аутофосфорилирования, которое происходит, когда АТФ гидролизуется для управления транспортом. Другими важными членами этого семейства АТФаз являются Са 2+ -АТФаза, которая перекачивает Са 2+ из цитоплазмы в органеллы или из клетки, и АТФаза Н + + , хотя есть также насосы P-типа H + в плазматических мембранах грибов и растений, а также в бактериях.

Сердечные гликозиды (также сердечные стероиды) ингибируют Na + /K + АТФазу, связываясь с внеклеточной стороной фермента. Эти препараты, в том числе наперстянка (извлекаемая из пурпурного растения наперстянки) и уабаин (извлекаемый из дерева уабио), обычно назначаются сердечными препаратами, которые увеличивают интенсивность сердечных сокращений. Ингибирование Na + /K + АТФазы вызывает повышение [Na + ] в , что затем активирует сердечные Na + /Ca 2+ антипорты, откачивая избыток натрия и Ca 2 + в.Увеличенная [Ca 2+ ] цитоплазма поглощается саркоплазматическим ретикулумом, что приводит к дополнительному Ca 2+ , когда он высвобождается, чтобы вызвать мышечное сокращение, вызывая более сильные сокращения.

В отличие от Na + или K + , градиент Ca 2+ не очень важен с точки зрения электрохимического мембранного потенциала или использования его энергии. Однако жесткая регуляция Ca 2+ важна по-другому: она используется как внутриклеточный сигнал.Чтобы оптимизировать эффективность Ca 2+ в качестве сигнала, его цитоплазматические уровни поддерживаются чрезвычайно низкими, а насосы Ca 2+ проталкивают ион в ER (SR в мышцах), Гольджи и из клетки. Эти насосы сами по себе регулируются уровнями Ca 2+ через белок кальмодулин. При низких уровнях Ca 2+ помпа неактивна, а ингибирующий домен самой помпы предотвращает ее активность. Однако по мере повышения уровня Ca 2+ ионы связываются с кальмодулином, и комплекс Ca 2+ -кальмодулин может связываться с ингибирующей областью насоса Ca 2+ , снимая ингибирование и позволяя избытку Ca 2+ для откачки из цитоплазмы.

Существует еще три семейства АТФаз: АТФазы F-типа представляют собой протонные насосы в бактериях, митохондриях и хлоропластах, которые также могут функционировать для образования АТФ, перемещаясь «назад» с протонами, проходящими через них по градиенту концентрации. Они будут обсуждаться в следующей главе (Метаболизм). Также существуют АТФазы V-типа, регулирующие рН в кислых везикулах и вакуолях растений, и, наконец, АТФазы, транспортирующие анион.

Рисунок \(\PageIndex{17}\). Симпорт и Антипорт.Эти термины относятся только к направлению растворенных веществ внутрь клетки или из нее, а не к энергетике. В этом симпорте высвобождение энергии от пассивного транспорта Na + в клетку используется также для активного транспорта глюкозы. В примере с антипортом снова используется транспорт Na + , на этот раз для обеспечения энергии для активного транспорта H + из клетки.

Гидролиз АТФ, являясь обычным источником энергии для многих биологических процессов, не является единственным источником энергии для транспорта.Активный перенос одного растворенного вещества против его градиента может сочетаться с энергией пассивного переноса другого растворенного вещества по его градиенту. На рисунке \(\PageIndex{17}\) показаны два примера: хотя один представляет собой симпорт (оба растворенных вещества пересекают мембрану в одном физическом направлении), а другой представляет собой антипорт (два растворенных вещества пересекают мембрану в противоположных физических направлениях), они оба имеют одно растворенное вещество, движущееся вниз по градиенту, и одно растворенное вещество, движущееся против градиента концентрации. Как оказалось, мы использовали движение Na + в качестве движущей силы обоих этих примеров. Фактически градиент Na + через мембрану является чрезвычайно важным источником энергии для большинства клеток животных. Однако это не является универсальным для всех клеток или даже для всех эукариотических клеток. В большинстве растительных клеток и одноклеточных организмов градиент H + (протон) играет ту же роль, что и Na + у животных.

Ацетилхолиновые рецепторы (АХР), обнаруженные в некоторых нейронах и на мышечных клетках в нервно-мышечных соединениях, представляют собой лиганд-управляемые ионные каналы.Когда нейротрансмиттер (ацетилхолин) или агонист, такой как никотин (для рецепторов никотинового типа) или мускарин (для рецепторов мускаринового типа), связывается с рецептором, он открывает канал, который обеспечивает поток небольших катионов, в первую очередь Na + и K + , в разные стороны, разумеется. Выброс Na + гораздо сильнее и приводит к начальной деполяризации мембраны, что либо инициирует потенциал действия в нейроне, либо в мышце инициирует сокращение.

Белок-носитель — определение и примеры

Белок-носитель
сущ., множественное число: Белки-носители
[ˈkæ.ɹɪ.ɚ ˈpɹəʊti.ɪn]
Определение: тип белка клеточной мембраны, участвующий в транспорте

5

9 представляет собой тип белка клеточной мембраны, участвующий в облегченной диффузии и активном транспорте веществ из клетки или внутрь клетки. Белки-носители отвечают за диффузию сахаров, аминокислот и нуклеозидов.Это также белки, которые поглощают молекулы глюкозы и транспортируют их и другие молекулы (например, соли, аминокислоты и т. д.) внутрь клетки. Например, белки-носители, такие как интегральные трансмембранные белки, встроенные в клеточную мембрану , будут иметь высокое сродство к определенным веществам на внешней стороне клетки, а затем претерпят конформационные изменения, чтобы облегчить прохождение этих веществ внутрь клетки через мембранные барьеры. .

Белок-носитель Определение

В биологии белком-носителем является тип белка, который переносит определенное вещество через внутриклеточные компартменты, во внеклеточную жидкость или через клетки, в отличие от канальных белков, которые являются еще одним мембранным транспортным белком, который менее избирательен в транспортировке молекул. Подобно другим мембранным транспортным белкам, белки-переносчики расположены в липидных бислоях клеточных структур, таких как клеточные мембраны, митохондрии и хлоропласты.

Носители и каналообразователи

Белки-носители являются мембранными транспортными белками наряду с белками каналов. Как мембранные транспортные белки, они расположены в биологических мембранах, и их основная функция заключается в перемещении молекул из одного места в другое. Эти транспортеры и хотя и отличаются в некоторых аспектах.

Канальные белки, как следует из их названия, образуют «канал », который служит проходом для прохождения молекул. Они прочно и постоянно расположены в плазматической мембране, при этом их гидрофобные домены взаимодействуют с липидами мембраны.

Каналы, которые остаются открытыми как внутрь клетки, так и наружу, называются порами . Аквапорин является примером белкового канала в клеточной мембране, который позволяет молекулам воды проходить через них. И наоборот, белки-переносчики не образуют каналов. Скорее, у них есть сайты связывания, с которых могут связываться молекулы. Затем они перемещают молекулы к месту назначения, то есть внутрь или наружу мембраны. Наличие сайтов связывания указывает на то, что белки-переносчики более избирательны в отношении молекул, которые они транспортируют. Кроме того, они не открыты одновременно как внутрь, так и наружу клетки, в отличие от некоторых белков каналов, в частности, поринов, которые открыты с обеих сторон одновременно.Таким образом, в отличие от пориновых каналов, белки-переносчики способны транспортировать молекулы против градиента их концентрации, как при активном транспорте.

Типы белков-носителей

Белки-носители, участвующие в активном транспорте молекул или веществ, могут быть классифицированы на основе транспортной активности, в которой они участвуют. градиент концентрации, а не за счет гидролиза АТФ. Они переносят молекулы из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Примерами являются белки-переносчики, участвующие в облегченной диффузии сахаров, аминокислот и нуклеозидов через клеточные мембраны большинства клеток. (Ссылка 1)

Белки-носители, которые транспортируют молекулы против градиента концентрации, потребляют значительное количество энергии. В зависимости от источника энергии белки-носители можно классифицировать как (1) АТФ-управляемые, (2) управляемые электрохимическим потенциалом или (3) управляемые светом. Белки-носители, управляемые АТФ, — это белки, которым АТФ требуется для транспортировки молекул, тогда как белки, управляемые электрохимическим потенциалом, питаются электрохимическим потенциалом. Световые насосы — это насосы, приводимые в действие фотонами. Эти насосы обычно встречаются в бактериальных клетках. (Ссылка 2) Первые два более подробно описаны ниже.

Белки-носители, управляемые АТФ

Белки-носители, управляемые АТФ , — это белки, которым для перемещения молекул требуется связывание с АТФ. Конкретным примером переносчика, управляемого АТФ, является натриево-калиевый насос в плазматической мембране клеток животных. Насос специфически связывается с ионами натрия и калия.Для поддержания гомеостаза этот насос поддерживает соответствующие уровни таких ионов. Для этого насос активно перемещает 3 иона натрия (Na + ) изнутри клетки, а затем заменяет их двумя ионами калия (K + ) снаружи на каждую молекулу АТФ, которую он использует. Эта форма активного транспорта, при которой химическая энергия (АТФ) подпитывает процесс, называется первичным активным транспортом .

Белки-переносчики, управляемые электрохимическим потенциалом

Рисунок 1: Схематическая диаграмма трех типов портеров в транспорте, опосредованном переносчиком.Изображение предоставлено: OpenStax Biology, CC BY 4.0

Белки-носители, управляемые электрохимическим потенциалом , — это белки, в которых градиент электрохимического потенциала подпитывает их транспортную активность. Эта форма активного транспорта называется вторично активным транспортом .

Его также называют парным транспортом , потому что две молекулы одновременно транспортируются через мембрану. Если белок-носитель несет две молекулы в одном направлении, он называется симпортером . Если белок-носитель перемещает две молекулы в противоположных направлениях, его называют антипортером . Тем не менее, некоторые портеры переносят одну молекулу с одной стороны мембраны на другую. Они называются юнипортеры.

Схематические изображения трех типов носильщиков см. на рис. 1, где представлена ​​схема, изображающая три формы транспорта с участием перевозчика, или посмотрите видео ниже.

 

 

Функции белков-переносчиков

Белки-переносчики участвуют как в пассивном, так и в активном типах биологических транспортных процессов. При пассивном транспорте молекулы транспортируются 90 920 вниз по склону, 90 921, т. е. из более высоких концентраций в более низкие. Разница в концентрациях между двумя областями создает градиент концентрации , которого достаточно для запуска пассивного транспорта. Однако из-за липидно-двухслойной природы клеточной мембраны не все молекулы смогут двигаться наружу или внутрь клетки в соответствии с градиентом их концентрации. Полярные молекулы и ионы не могут легко диффундировать через мембрану.Им нужны мембранные транспортные белки, такие как носители, для облегчения их транспорта.

Если в процессе используется белок-носитель, молекула « садится» на белок-носитель с одной стороны мембраны, а затем переносится на другую сторону для высвобождения. Эта форма диффузии (или пассивного транспорта), которая использует мембранный белок для транспорта вниз по градиенту концентрации, называется облегченной диффузией .

В то время как некоторые мембранные белки не способны к активному транспорту, белки-переносчики обеспечивают активный транспорт. Молекулы, связанные с белками-переносчиками, могут перемещаться в гору, то есть из области более низкой концентрации в область более высокой концентрации. Эта форма транспорта называется активным транспортом, при котором молекулы движутся против градиента концентрации, т. е. в направлении, в котором они обычно не двигаются, поскольку область уже сконцентрирована .

Поэтому для подпитки процесса необходим источник энергии (например, АТФ). Это то, что происходит во время активного транспорта Na + и K + , а также NADH, поскольку он перемещает протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану, где АТФ связан с их транспортом.

Транспортный механизм

Как при пассивном, так и при активном транспорте белки-переносчики перемещают молекулы, связываясь с последними, а затем претерпевают конформационные изменения. Они меняют форму, перенося молекулы с одной стороны мембраны на другую. Однако для активного транспорта требуется химическая энергия. В результате гидролиза АТФ высвобождается энергия, когда АТФазы катализируют разложение АТФ до АДФ. Высвобождение одного неорганического фосфата из АТФ также вызывает сопутствующее высвобождение энергии.Не все активные транспортные процессы подпитываются прямым связыванием АТФ. Другая форма активного транспорта использует электрохимический градиент , а не АТФ. Например, катионы, движущиеся пассивно , будут генерировать энтропию, которая может подпитывать активный транспорт другой группы ионов.

Примеры белков-носителей

Вот некоторые из распространенных примеров белков-носителей.

  • Транспортеры глюкозы
  • Натрий-калиевый насос (Na+/K+ насос)
  • Транспортные белки глюкозы-натрия

Транспортеры глюкозы

Рисунок 2: Транспортер глюкозы.Глюкоза поглощается клеткой извне в качестве переносчика глюкозы. Молекулы глюкозы перемещаются пассивно, из области высокой концентрации (вне клетки) в область низкой концентрации (внутри клетки, т. е. в цитозоле).

«Переносчики глюкозы» в клеточной мембране клеток животных поглощают молекулы глюкозы без использования АТФ, когда в клетке меньше глюкозы, чем снаружи. Глюкоза является жизненно важной биомолекулой, поскольку она служит источником энергии. В клетках человека имеется 14 переносчиков глюкозы.Они представляют собой uniporter , специфически связывающиеся с молекулами глюкозы и переносящие их. GLUT1, например, является переносчиком глюкозы, экспрессируемым почти во всех типах клеток. У взрослых он экспрессируется на самых высоких уровнях в эритроцитах.

Натриево-калиевый насос (Na

+ /K + насос)

Na + /K + насос является антипортером. Он имеет сайты связывания для ионов Na + и ионов K + . Поскольку движение этих ионов идет против градиента их концентрации, для насоса требуется источник энергии.Таким образом, он связывается с АТФ, чтобы гидролизовать его до АДФ. В результате высвобождается энергия. Насос использует эту энергию для изменения своей формы. После конформационного изменения ионы отделяются от насоса, но высвобождаются в противоположных направлениях. Ионы Na + откачиваются, а ионы K + закачиваются в клетку. Функция насоса Na + / K + имеет решающее значение, поскольку он участвует в передаче нервных импульсов и поддержании потенциала клеточной мембраны. Без достаточного количества ионов K + может быть нарушена функция моторных нейронов, а впоследствии и мышц-мишеней.

Белки, транспортирующие глюкозу и натрий

Белки, транспортирующие глюкозу и натрий, являются симпортными белками-переносчиками, которые активно транспортируют глюкозу. Когда в клетке содержится много глюкозы, но она все же хочет получить больше, она использует переносчик глюкозы-натрия. Этот транспортер имеет сайты связывания глюкозы и двух ионов Na + . Поскольку в клетке изначально меньше ионов Na + , ионы Na + диффундируют пассивно. Следовательно, создается градиент электрохимического потенциала, который заставляет транспортер активно перемещать молекулу глюкозы в клетку.

Часто задаваемые вопросы

Является ли белок-носитель транспортным белком?
Белок-носитель представляет собой тип мембранного транспортного белка. Еще одним важным типом мембранного транспортного белка является канальный белок. Одним из способов отличить белок-носитель от белка канала является его сайт связывания, который выбирает молекулы для транспорта. Когда молекула или растворенное вещество связываются с этим участком, белок-носитель перемещает их на другую сторону мембраны. Некоторым носителям потребуется источник энергии (например,грамм. АТФ или градиент электрохимического потенциала) или фотон, побуждающий носитель изменять свою форму, что приводит к высвобождению связанной молекулы или растворенного вещества.

Что означает насыщение белка-носителя?
Белок-носитель считается насыщенным, когда все его сайты связывания заняты. Следовательно, скорость транспортировки будет максимальной. Обозначаемая как V max , скорость переноса определяет свойство конкретного носителя, которое отражает скорость, с которой он может изменяться между двумя своими конформационными состояниями.Когда скорость переноса составляет половину максимального значения, константа связывания конкретного переносчика с его растворенным веществом (K m ) будет равна концентрации растворенного вещества. (Ссылка 2)


Попробуйте ответить на приведенный ниже тест, чтобы проверить, что вы уже узнали о белке-переносчике.

Следующий

Расшифрованы структуры транспортных белков, связанных с множественными заболеваниями

Исследователи из Испанского национального центра исследования рака (CNIO) и Института исследований в области биомедицины (IRB Barcelona) определили структуру одного члена семейства белков, известных как переносчики гетеромерных аминокислот (HAT), которые транспортируют аминокислоты через клеточные мембраны. Их исследования показали, как структура и мутации белков семейства HAT связаны с функцией и потенциальным участием в таких заболеваниях, как рак и болезнь Альцгеймера. Новые результаты могут дать информацию, которая поможет ученым определить методы лечения или диагностические инструменты для заболеваний, в которых участвуют переносчики HAT.

«Сочетание структурного разрешения с помощью криоэлектронной микроскопии с расчетами молекулярной динамики и функциональными исследованиями обеспечивает экспериментальную платформу с большим потенциалом, которая позволяет нам раскрыть функцию переносчиков аминокислот», — отметил Мануэль Паласин, доктор философии, руководитель лаборатория аминокислот и переносчиков болезней в IRB Barcelona, ​​профессор Университета Барселоны и руководитель подразделения CIBERER.«В этом случае мы применили эту технологию для определения молекулярных механизмов, которые заставляют эти белки транспортировать одни аминокислоты, но не другие».

Отчет о своих исследованиях в Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) в статье под названием «Структурная основа субстратной специфичности гетеромерных переносчиков нейтральных аминокислот», Palacín, вместе с первым автором Карлосом Родригесом, Доктор философии из программы структурной биологии CNIO и его коллеги пришли к выводу: «Здесь мы раскрываем молекулярные механизмы, управляющие субстратной специфичностью в семействе HAT переносчиков нейтральных аминокислот, и предоставляем структурные основы для мутаций в LAT2/CD98hc, которые изменяют субстратную специфичность и что связаны с рядом патологий.

Авторы отмечают, что

Аминокислоты представляют собой основные строительные блоки жизни и играют центральную роль в клеточном метаболизме. Движение аминокислот в клетку и из клетки происходит благодаря воротам, встроенным в клеточную мембрану, которые образованы, в частности, белками семейства HAT. «Транспорт аминокислот через плазматическую мембрану играет центральную роль в физиологии», — пишут исследователи. «…нарушение регуляции как внутри-, так и внеклеточной концентрации аминокислот связано с патологическими состояниями.

Перенос аминокислот через плазматическую мембрану опосредуется специфическими переносчиками, которые связывают и транспортируют эти молекулы из внеклеточной среды в клетку или наоборот. Эту роль выполняют члены семейства белков HAT. Хотя белки HAT практически идентичны по структуре, одни транспортируют одни аминокислоты, а другие нет, тем самым наделяя каждого члена семейства специфическими функциями, такими как участие в росте клеток; роль в таких заболеваниях, как рак, функции нейронов и транспорт токсичных веществ, а также участие в пристрастии к таким веществам, как кокаин. Более того, ученые прокомментировали: «Физиологическая значимость HAT подчеркивается их ролью в развитии рака и некоторых наследственных заболеваний… Специфичность субстрата определяет физиологическую функцию каждого HAT и их роль в заболеваниях человека».

Ученые отметили, что

HAT-транспортеры нейтральных аминокислот, обозначенные как LAT1/CD98hc, LAT2/CD98hc и Asc1/CD98hc, вызвали особый научный интерес, поскольку несколько мутаций были связаны с заболеваниями человека. Ученые указали, что мутации и вариации в LAT2/CD98hc, например, связаны с возрастной потерей слуха (ARHL), катарактой и аутизмом, а сверхэкспрессия этого HAT также связана с химиорезистентностью в некоторых типах раковых клеток. вне.

То, что придает HAT специфичность и разнообразие функций, до конца не изучено, поэтому, чтобы попытаться лучше понять, ученые применили новые методы для изучения трехмерной структуры белков HAT. «Классические методы, используемые для определения структуры белков, такие как использование рентгеновских лучей, имели ограниченный успех в отношении белков, встроенных в биологические мембраны, и поэтому многие вопросы остались нерешенными», — сказал соавтор Оскар Льорка, доктор философии. руководитель группы макромолекулярных комплексов в реакции на повреждение ДНК в CNIO, директор программы структурной биологии этого Центра и международный эксперт в области криоэлектронной микроскопии.В своих исследованиях команда использовала эту технологию в сочетании с компьютерным моделированием и дизайном мутантов HAT, чтобы изучить структуру одного из членов семейства белков HAT, LAT2/CD98hc человека — переносчика нейтральных аминокислот — в атомных деталях. , и расшифруйте его функции.

Криоэлектронная микроскопия позволила исследователям визуализировать структуру белка с атомарным разрешением и определить карман, в котором эти белки связываются с аминокислотами, а также детали механизма, с помощью которого происходит это распознавание.Атомные детали показали, что только несколько остатков этих белков определяют аминокислоты, с которыми они связываются, и, следовательно, их специфические функции. Кроме того, исследование показало, как замены одних остатков на другие в этих положениях у разных членов семейства ответственны за модификацию специфичности узнавания и транспорта одних аминокислот, а не других.

Синим цветом обозначена область, которая связывает аминокислоты, транспортируемые в клетки и из клеток.Центр связывания аминокислот в этой области выделен. Молекулярную динамику и моделирование использовали для определения того, как разные аминокислоты связывают транспортер. [Оскар Лорка (CNIO)] «Мы идентифицируем детерминанты субстратной специфичности HAT нейтральных аминокислот в полости для связывания субстрата и в близлежащей области, которая сохраняет конформацию сайта связывания субстрата», — написали ученые. «Мы обнаружили, что несколько остатков, присутствующих в субстрат-связывающем кармане и близлежащих областях, определяют предпочтение субстрата, и мы демонстрируем, как предпочтения субстрата нескольких HAT могут взаимно преобразовываться.Кроме того, область, расположенная на определенном расстоянии от полости субстрата, но структура которой критически влияет на конформацию сайта связывания субстрата, также регулирует предпочтение субстрата». Команда также обнаружила, что мутации в этой области HAT были связаны с ARHL и катарактой.

Учитывая новые данные, исследователи теперь сталкиваются с проблемой поиска новых методов лечения и диагностических инструментов для заболеваний, в которых участвуют белки-переносчики аминокислот HAT, и особенно для тех состояний, которые вызывают серьезные проблемы со здоровьем, таких как рак и нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Альцгеймера.Результаты этого исследования теперь позволят направить усилия на поиск соединений, которые могли бы воздействовать на определенные области этих белков, и управлять расстройствами, в которых они участвуют.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.