Protéine membranaire périphérique - Peripheral membrane protein

Les protéines membranaires périphériques sont des protéines membranaires qui n'adhèrent que temporairement à la membrane biologique à laquelle elles sont associées. Ces protéines se fixent à des protéines membranaires intégrales ou pénètrent dans les régions périphériques de la bicouche lipidique . Les sous-unités protéiques régulatrices de nombreux canaux ioniques et récepteurs transmembranaires , par exemple, peuvent être définies comme des protéines membranaires périphériques. Contrairement aux protéines membranaires intégrales, les protéines membranaires périphériques ont tendance à s'accumuler dans le composant soluble dans l'eau, ou fraction, de toutes les protéines extraites au cours d'une procédure de purification des protéines . Les protéines avec des ancres GPI font exception à cette règle et peuvent avoir des propriétés de purification similaires à celles des protéines membranaires intégrales.

Il a été démontré que la fixation réversible des protéines aux membranes biologiques régule la signalisation cellulaire et de nombreux autres événements cellulaires importants, par le biais de divers mécanismes. Par exemple, l'association étroite entre de nombreuses enzymes et membranes biologiques peut les rapprocher de leur (s) substrat (s) lipidique (s). La liaison membranaire peut également favoriser un réarrangement, une dissociation ou des changements de conformation au sein de nombreux domaines structuraux de protéines, entraînant une activation de leur activité biologique . De plus, le positionnement de nombreuses protéines est localisé soit sur les surfaces internes ou externes, soit sur les feuillets de leur membrane résidente. Cela facilite l'assemblage de complexes multiprotéiques en augmentant la probabilité de toute interaction protéine-protéine appropriée .

Représentation schématique des différents types d'interaction entre les protéines membranaires monotopes et la membrane cellulaire : 1. interaction par une hélice amphipathique parallèle au plan membranaire (in-plane membrane helix) 2. interaction par une boucle hydrophobe 3. interaction par un lipide membranaire lié de manière covalente ( lipidation ) 4. interactions électrostatiques ou ioniques avec les lipides membranaires ( p. ex. via un ion calcium)

Liaison à la bicouche lipidique

Domaine PH de la phospholipase C delta 1. Plan médian de la bicouche lipidique – points noirs. Limite de la région du cœur des hydrocarbures – points bleus (côté intracellulaire). Couche de phosphates lipidiques – points jaunes.

Les protéines membranaires périphériques peuvent interagir avec d'autres protéines ou directement avec la bicouche lipidique . Dans ce dernier cas, elles sont alors appelées protéines amphitropes . Certaines protéines, telles que les protéines G et certaines protéines kinases , interagissent simultanément avec les protéines transmembranaires et la bicouche lipidique. Certaines hormones polypeptidiques , peptides antimicrobiens et neurotoxines s'accumulent à la surface de la membrane avant de localiser et d'interagir avec leurs cibles de récepteurs de surface cellulaire, qui peuvent elles-mêmes être des protéines membranaires périphériques.

La bicouche phospholipidique qui forme la membrane de surface cellulaire se compose d'une région centrale interne hydrophobe prise en sandwich entre deux régions d' hydrophilie , une à la surface interne et une à la surface externe de la membrane cellulaire (voir l' article sur la bicouche lipidique pour une description structurelle plus détaillée de la membrane cellulaire). Les surfaces intérieures et extérieures, ou des régions interfaciales, de modèle de phospholipide bicouches se sont révélés avoir une épaisseur de l' ordre de 8 à 10 Å , bien que cela puisse être plus large dans les membranes biologiques qui comprennent de grandes quantités de gangliosides ou de lipopolysaccharides . La région centrale hydrophobe des membranes biologiques typiques peut avoir une épaisseur d'environ 27 à 32 Â, telle qu'estimée par la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) . La région limite entre le noyau interne hydrophobe et les régions interfaciales hydrophiles est très étroite, à environ 3 , (voir l' article sur la bicouche lipidique pour une description de ses groupes chimiques constitutifs). En s'éloignant de la région centrale hydrophobe et dans la région hydrophile interfaciale, la concentration effective d'eau change rapidement à travers cette couche limite, de presque zéro à une concentration d'environ 2 M . Les groupes phosphate dans les bicouches phospholipidiques sont entièrement hydratés ou saturés d'eau et sont situés à environ 5 Â à l'extérieur de la limite de la région centrale hydrophobe.

Certaines protéines hydrosolubles s'associent de manière irréversible aux bicouches lipidiques et peuvent former des canaux transmembranaires en hélice alpha ou en tonneau bêta . De telles transformations se produisent dans les toxines formant des pores telles que la colicine A, l'alpha-hémolysine et d'autres. Ils peuvent également apparaître dans la protéine de type BcL-2 , dans certains peptides antimicrobiens amphiphiles et dans certaines annexines . Ces protéines sont généralement décrites comme périphériques car l'un de leurs états conformationnels est soluble dans l'eau ou n'est que faiblement associé à une membrane.

Mécanismes de liaison membranaire

Phospholipase A2 de venin d'abeille (1poc). Plan médian de la bicouche lipidique – points noirs. Limite de la région du cœur des hydrocarbures – points rouges (côté extracellulaire). Couche de phosphates lipidiques – points jaunes.

L'association d'une protéine avec une bicouche lipidique peut impliquer des changements significatifs au sein de la structure tertiaire d'une protéine. Ceux-ci peuvent inclure le repliement de régions de structure protéique qui étaient précédemment dépliées ou un réarrangement dans le repliement ou un repliement de la partie associée à la membrane des protéines. Elle peut également impliquer la formation ou la dissociation de structures quaternaires de protéines ou de complexes oligomères , et la liaison spécifique d' ions , de ligands ou de lipides régulateurs .

Les protéines amphitropes typiques doivent interagir fortement avec la bicouche lipidique afin de remplir leurs fonctions biologiques. Ceux-ci incluent le traitement enzymatique des lipides et d'autres substances hydrophobes, l'ancrage membranaire et la liaison et le transfert de petits composés non polaires entre différentes membranes cellulaires. Ces protéines peuvent être ancrées à la bicouche à la suite d'interactions hydrophobes entre la bicouche et les résidus non polaires exposés à la surface d'une protéine, par des interactions de liaison non covalentes spécifiques avec des lipides régulateurs, ou par leur fixation à des ancres lipidiques liées de manière covalente .

Il a été montré que les affinités de liaison membranaire de nombreuses protéines périphériques dépendent de la composition lipidique spécifique de la membrane à laquelle elles sont associées.

Association hydrophobe non spécifique

Les protéines amphitropes s'associent aux bicouches lipidiques via diverses structures d'ancrage hydrophobes . Tels que amphiphiles a-hélices , exposées les boucles non polaires, post-traductionnelle acylé ou lipidée résidus d' acides aminés ou des chaînes acyle des lipides de régulation liées de manière spécifique , tels que les phosphates de phosphatidylinositol . Les interactions hydrophobes se sont avérées importantes même pour les peptides et les protéines hautement cationiques, tels que le domaine polybasique de la protéine MARCKS ou de l'histactophiline, lorsque leurs ancres hydrophobes naturelles sont présentes.

Ancres lipidiques liées de manière covalente

Les protéines ancrées dans les lipides sont liées de manière covalente à différentes chaînes acyles d' acides gras du côté cytoplasmique de la membrane cellulaire par palmitoylation , myristoylation ou prénylation . Sur la face exoplasmique de la membrane cellulaire, des protéines à ancrage lipidique sont liées de manière covalente aux lipides glycosylphosphatidylinositol (GPI) et cholestérol . L'association des protéines aux membranes par l'utilisation de résidus acylés est un processus réversible , car la chaîne acyle peut être enfouie dans la poche de liaison hydrophobe d'une protéine après dissociation de la membrane. Ce processus se produit dans les sous-unités bêta de protéines G . Peut-être en raison de ce besoin supplémentaire de flexibilité structurelle, les ancres lipidiques sont généralement liées aux segments hautement flexibles de la structure tertiaire des protéines qui ne sont pas bien résolus par les études cristallographiques des protéines .

Liaison spécifique protéine-lipide

P40phox Domaine PX de la NADPH oxydase Plan médian de la bicouche lipidique – points noirs. Limite de la région du cœur des hydrocarbures – points bleus (côté intracellulaire). Couche de phosphates lipidiques – points jaunes.

Certaines protéines cytosoliques sont recrutées dans différentes membranes cellulaires en reconnaissant certains types de lipides présents dans une membrane donnée. La liaison d'une protéine à un lipide spécifique se produit via des domaines structuraux spécifiques ciblant la membrane qui se produisent dans la protéine et ont des poches de liaison spécifiques pour les groupes de tête lipidique des lipides auxquels ils se lient. Il s'agit d'une interaction biochimique protéine- ligand typique , stabilisée par la formation de liaisons hydrogène intermoléculaires , des interactions de van der Waals et des interactions hydrophobes entre la protéine et le ligand lipidique . De tels complexes sont également stabilisés par la formation de ponts ioniques entre les résidus aspartate ou glutamate de la protéine et des phosphates lipidiques par l'intermédiaire d' ions calcium (Ca 2+ ). De tels ponts ioniques peuvent se produire et sont stables lorsque des ions (tels que Ca 2+ ) sont déjà liés à une protéine en solution, avant la liaison aux lipides. La formation de ponts ioniques est observée dans l'interaction protéine-lipide entre les domaines de type protéine C2 et les annexines .

Interactions électrostatiques protéines-lipides

Toute protéine chargée positivement sera attirée vers une membrane chargée négativement par des interactions électrostatiques non spécifiques . Cependant, tous les peptides et protéines périphériques ne sont pas cationiques et seuls certains côtés de la membrane sont chargés négativement. Ceux-ci incluent le côté cytoplasmique des membranes plasmiques , le feuillet externe des membranes bactériennes externes et les membranes mitochondriales . Par conséquent, les interactions électrostatiques jouent un rôle important dans le ciblage membranaire des électrons des supports tels que le cytochrome c , des toxines cationiques tels que charybdotoxine , et des domaines membranaires de ciblage spécifiques , tels que certains domaines PH , les domaines C1 et domaines C2 .

Les interactions électrostatiques dépendent fortement de la force ionique de la solution. Ces interactions sont relativement faibles à la force ionique physiologique ( 0,14M NaCl ) : ~3 à 4 kcal/mol pour les petites protéines cationiques, comme le cytochrome c , la charybdotoxine ou l' hisactophiline .

Position spatiale dans la membrane

Les orientations et les profondeurs de pénétration de nombreuses protéines et peptides amphitropes dans les membranes sont étudiées en utilisant le marquage de spin dirigé , le marquage chimique, la mesure des affinités de liaison membranaire de mutants de protéines , la spectroscopie de fluorescence , la spectroscopie RMN en solution ou à l'état solide, la spectroscopie ATR FTIR , X- diffraction de rayons ou de neutrons et méthodes de calcul.

Deux modes distincts d'association membranaire des protéines ont été identifiés. Les protéines hydrosolubles typiques n'ont pas de résidus non polaires exposés ou d'autres ancres hydrophobes. De ce fait, ils restent totalement en solution aqueuse et ne pénètrent pas dans la bicouche lipidique, ce qui serait coûteux en énergie. De telles protéines interagissent avec les bicouches uniquement de manière électrostatique, par exemple, la ribonucléase et la poly-lysine interagissent avec les membranes dans ce mode. Cependant, les protéines amphitropes typiques ont diverses ancres hydrophobes qui pénètrent dans la région interfaciale et atteignent l'intérieur des hydrocarbures de la membrane. De telles protéines « déforment » la bicouche lipidique, diminuant la température de transition lipide-liquide-gel. La liaison est généralement une réaction fortement exothermique. L'association des hélices amphiphiles avec les membranes se produit de manière similaire. Des peptides intrinsèquement non structurés ou dépliés avec des résidus non polaires ou des ancres lipidiques peuvent également pénétrer dans la région interfaciale de la membrane et atteindre le noyau hydrocarboné, en particulier lorsque ces peptides sont cationiques et interagissent avec des membranes chargées négativement.

Catégories

Enzymes

Les enzymes périphériques participent au métabolisme de différents composants membranaires, tels que les lipides ( phospholipases et cholestérol oxydases ), les oligosaccharides de la paroi cellulaire ( glycosyltransférase et transglycosidases ), ou les protéines ( signal peptidase et palmitoyl protéine thioestérases ). Les lipases peuvent également digérer les lipides qui forment des micelles ou des gouttelettes non polaires dans l'eau.

Classer Fonction Physiologie Structure
Pli alpha/bêta hydrolase Catalyse l' hydrolyse des liaisons chimiques. Comprend les lipases bactériennes , fongiques , gastriques et pancréatiques , les palmitoyl thioestérases , la cutinase et les cholinestérases
Phospholipase A2 (sécrétoire et cytosolique) Hydrolyse de la liaison acide gras sn-2 des phospholipides . Digestion lipidique, rupture membranaire et signalisation lipidique .
Phospholipase C Hydrolyse le PIP2, un phosphatidylinositol , en deux seconds messagers, l' inositol triphosphate et le diacylglycérol . Signalisation lipidique
Cholestérol oxydases Oxyde et isomérise le cholestérol en cholest-4-en-3-one. Épuise les membranes cellulaires du cholestérol, utilisé dans la pathogenèse bactérienne .
Caroténoïde oxygénase Clive les caroténoïdes . Les caroténoïdes fonctionnent à la fois chez les plantes et les animaux en tant qu'hormones (y compris la vitamine A chez l'homme), pigments , arômes , parfums floraux et composés de défense.
Lipoxygénases Enzymes contenant du fer qui catalysent la dioxygénation des acides gras polyinsaturés . Chez l'animal, les lipoxygénases sont impliquées dans la synthèse de médiateurs inflammatoires appelés leucotriènes .
Toxines alpha Clivez les phospholipides dans la membrane cellulaire, comme la phospholipase C. Pathogénie bactérienne, en particulier par Clostridium perfringens .
Sphingomyélinase C Une phosphodiestérase , clive les liaisons phosphodiester. Traitement des lipides tels que la sphingomyéline .
Glycosyltransférases : MurG et Transglycosidases Catalyse le transfert de fragments de sucre des molécules donneuses activées vers des molécules acceptrices spécifiques, formant des liaisons glycosidiques . Biosynthèse des disaccharides , des oligosaccharides et des polysaccharides (glycoconjugués), MurG est impliqué dans la biosynthèse des peptidoglycanes bactériens .
Ferrochélatase Convertit la protoporphyrine IX en hème . Impliquées dans le métabolisme des porphyrines , les protoporphyrines sont utilisées pour renforcer les coquilles d'œufs .
Famille de protéines liées à la myotubularine Phosphatase lipidique qui déphosphoryle PtdIns3P et PtdIns(3,5)P2 . Nécessaire à la différenciation des cellules musculaires .
Dihydroorotate déshydrogénases Oxydation du dihydroorotate (DHO) en orotate. Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques dans les cellules procaryotes et eucaryotes .
Glycolate oxydase Catalyse l' oxydation de l' a- hydroxy - acides les a- correspondant cétoacides . Chez les plantes vertes , l'enzyme participe à la photorespiration . Chez l'animal, l'enzyme participe à la production d' oxalate .

Domaines de ciblage membranaire (« pinces lipidiques »)

Domaine C1 de PKC-delta (1ptr) Plan médian de la bicouche lipidique – points noirs. Limite de la région du cœur des hydrocarbures – points bleus (côté cytoplasmique). Couche de phosphates lipidiques – points jaunes.

Les domaines de ciblage membranaire s'associent spécifiquement aux groupes de tête de leurs ligands lipidiques intégrés dans la membrane. Ces ligands lipidiques sont présents à différentes concentrations dans des types distincts de membranes biologiques (par exemple, PtdIns3P peut être trouvé principalement dans les membranes des endosomes précoces , PtdIns(3,5)P2 dans les endosomes tardifs et PtdIns4P dans le Golgi ). Par conséquent, chaque domaine est ciblé sur une membrane spécifique.

Domaines structurels

Les domaines structuraux interviennent dans l'attachement d'autres protéines aux membranes. Leur liaison aux membranes peut être médiée par des ions calcium (Ca 2+ ) qui forment des ponts entre les résidus protéiques acides et les groupes phosphate des lipides, comme dans les annexines ou les domaines GLA.

Classer Fonction Physiologie Structure
Annexines Membrane intracellulaire dépendante du calcium / liaison des phospholipides . Les fonctions comprennent le trafic de vésicules , la fusion membranaire et la formation de canaux ioniques .
Synapsine I Enrobe les vésicules synaptiques et se lie à plusieurs éléments du cytosquelette . Fonctions dans la régulation de la libération des neurotransmetteurs .
Synucléine Fonction cellulaire inconnue. Pensé pour jouer un rôle dans la régulation de la stabilité et/ou du renouvellement de la membrane plasmique . Associé à la fois à la maladie de Parkinson et à la maladie d'Alzheimer .
Domaines GLA du système de coagulation Les domaines gamma-carboxyglutamate (GLA) sont responsables de la liaison de haute affinité des ions calcium. Impliqué dans la fonction des facteurs de coagulation dans la cascade de la coagulation sanguine.
Spectrine et α- actinine -2 Présent dans plusieurs protéines du cytosquelette et des microfilaments . Maintien de l' intégrité de la membrane plasmique et de la structure du cytosquelette.

Transporteurs de petites molécules hydrophobes

Ces protéines périphériques fonctionnent comme des vecteurs de composés non polaires entre différents types de membranes cellulaires ou entre des membranes et des complexes protéiques cytosoliques. Les substances transportées sont le phosphatidylinositol, le tocophérol, les gangliosides, les glycolipides, les dérivés des stérols, le rétinol, les acides gras, l'eau, les macromolécules, les globules rouges, les phospholipides et les nucléotides.

Porteurs d'électrons

Ces protéines sont impliquées dans les chaînes de transport d'électrons . Ils comprennent le cytochrome c , les cuprédoxines , la protéine de fer à haut potentiel , l'adrénodoxine réductase, certaines flavoprotéines et d'autres.

Hormones polypeptidiques, toxines et peptides antimicrobiens

De nombreuses hormones, toxines , inhibiteurs ou peptides antimicrobiens interagissent spécifiquement avec les complexes protéiques transmembranaires . Ils peuvent également s'accumuler à la surface de la bicouche lipidique, avant de se lier à leurs cibles protéiques. De tels ligands polypeptidiques sont souvent chargés positivement et interagissent électrostatiquement avec les membranes anioniques .

Certaines protéines et peptides hydrosolubles peuvent également former des canaux transmembranaires . Ils subissent généralement une oligomérisation , des changements de conformation importants et s'associent de manière irréversible aux membranes. La structure 3D d'un de ces canaux transmembranaires, l'-hémolysine , a été déterminée. Dans d'autres cas, la structure expérimentale représente une conformation hydrosoluble qui interagit avec la bicouche lipidique périphériquement, bien que certains des peptides formant des canaux soient plutôt hydrophobes et ont donc été étudiés par spectroscopie RMN dans des solvants organiques ou en présence de micelles .

Classer Protéines Physiologie
Venom toxines Les types bien connus de biotoxines comprennent les neurotoxines , les cytotoxines , les hémotoxines et les nécrotoxines . Les biotoxines ont deux fonctions principales : la prédation ( toxines de serpent , de scorpion et d' escargot de cône ) et la défense ( toxines d' abeille et de fourmi ).
Actinie toxines L'inhibition des canaux sodium et potassium et la formation de pores membranaires sont les principales actions de plus de 40 toxines peptidiques connues d'anémones de mer. Les anémones de mer sont des animaux carnivores et utilisent des toxines pour la prédation et la défense ; La toxine anémone a une toxicité similaire à celle des agents de guerre chimique organophosphorés les plus toxiques .
bactériennes toxines Les toxines microbiennes sont les principaux facteurs de virulence pour une variété de bactéries pathogènes . Certaines toxines sont des toxines formant des pores qui lysent les membranes cellulaires. D'autres toxines inhibent la synthèse des protéines ou activent les voies de second messager provoquant des altérations spectaculaires des voies de transduction de signaux essentielles au maintien d'une variété de fonctions cellulaires. Plusieurs toxines bactériennes peuvent agir directement sur le système immunitaire , en agissant comme des superantigènes et en provoquant une prolifération massive de lymphocytes T , qui sollicite excessivement le système immunitaire. La toxine botulique est une neurotoxine qui empêche les vésicules neuro-sécrétoires de s'arrimer/fusionner avec la membrane plasmique de la synapse nerveuse , inhibant ainsi la libération des neurotransmetteurs .
Toxines fongiques Ces peptides sont caractérisés par la présence d'un acide aminé inhabituel, l'acide -aminoisobutyrique , et présentent des propriétés antibiotiques et antifongiques en raison de leurs activités de formation de canaux membranaires.
Peptides antimicrobiens Les modes d'action par lesquels les peptides antimicrobiens tuent les bactéries sont variés et incluent la rupture des membranes, l'interférence avec le métabolisme et le ciblage des composants cytoplasmiques . Contrairement à de nombreux antibiotiques conventionnels, ces peptides semblent être bactéricides au lieu de bactériostatiques .
défensines Les défensines sont un type de peptide antimicrobien; et sont un élément important de pratiquement toutes les défenses innées de l'hôte contre l'invasion microbienne. Les défensines pénètrent dans les membranes cellulaires microbiennes par attraction électrique et forment un pore dans la membrane permettant l'efflux, ce qui conduit finalement à la lyse des micro-organismes.
Peptides neuronaux Ces protéines excitent les neurones, provoquent des réponses comportementales , sont de puissants vasodilatateurs et sont responsables de la contraction de nombreux types de muscles lisses .
Régulateurs de l' apoptose Les membres de la famille Bcl-2 régissent la perméabilité de la membrane externe mitochondriale . Bcl-2 lui-même supprime l'apoptose dans une variété de types cellulaires, y compris les lymphocytes et les cellules neuronales .

Voir également

Les références

Références générales

Liens externes