膜蛋白的拓扑学.pdf

?!#%生物化学与生 物物理进展&呢()+,./()+&01(?#?23+4/5,6.4 1.7&2,)8.9:;444?.7,?!?)./:+,97一9 7.7.;15,23+4 75.;94(68.4.:9.,?#?%?794?./,?#?.70,).4+1;.+1),97一9/.7.;1尸;94(&联69;4.9:,?#!?.:、.9.,?#?%?23+4 75,)8.9:;,?1;.71.7尸;94(69;8.(?#!#%?97,+1=?,)./+9 91,8;+736.;94()+,./1;珊(?!?/,6.41.7&2,23+4/5.;94(=7 4?./阮,?#!?%97.0=?,&.6=,)1=2.;94(友.7.,?!?;8 73&,6.4 1.7&2,)8 ,9:;,:.1.9,?#!?#%#&.&;:.68.4.:(973 3973,57=/.,973.6:;+7 94卿 9+9;+即+6:;8 9497:)+/.;.83,).73几介:,947.1;0,).73?1;9,;69794+38.9 1:.137.:79.+/8;./+:.4 0.&49.73;.:.+0+1.+19;.9.+7.76;9.;:.9.+7.(;17:73;+;.+/4./.7;9 0+43+78.4.+;:.9 1+1.:;3.9;1.;0(&6107;.11,0:9;+797:;19 4.9;+77/+4.8.49+4+3 0.;.(.:(.0+:1.;:.78.4.9.:&6%,+43+78.4.+;:.1,97;1.71.0:9;+7,1.;0膜蛋白的拓扑学王庆达林其谁中国科学院上海生物化学研究所,分子生物学 国家重点实验室,上海#?%摘要膜蛋白的拓扑学是研 究膜蛋 白三维结构的出发点(利用融合蛋白和化学修饰等实验技 术已确 定了很 多膜蛋白的拓扑学(对膜蛋 白的转运与插膜 的研 究确 定可能存在两类插膜元件(对已知拓 扑学 的膜蛋 白的统计分析以及蛋 白质工程的研究表明存在膜蛋 白拓扑学的内正规则(目前已形成预测膜蛋 白的拓扑学的比较可靠的策略,这在反向生物学上具有重要意义(但要进行三维结构的预测还 有许多路要走(关键词膜蛋白,蛋 白质拓扑学,结构预测膜蛋白的拓扑可定义为它来回穿膜的方式,即跨膜片段在氨基酸序列中的定位和分子在膜上的总的定向(拓扑代表了膜蛋白的二级结构,可看作是膜蛋 白的折叠中间体,它是预测膜蛋白三维结构的出发点(成束螺旋蛋 白.4一87:4。+;.71%代表了一类最 丰富的膜蛋 白,它们由一束基本垂直 于膜平面 的跨膜9螺旋以及连接这些跨膜螺旋的环 外周环和胞质环%组成(本文主要讨论这一类 膜蛋白的拓 扑学(其他类型的膜蛋白,例如在革兰 氏阴性菌外膜和线粒体外膜上发现的 月桶印一9 .4%类型的膜蛋白_,?,目收稿日期?一 一,修回 日期?一 一 9,双融合则可 提 供 更加 清晰的图象(厂厂、一一一曰曰日日日日日日自自自口口口口口口口口口口口间一碱性磷酸醋酶图?利用碱性磷酸酩酶的融合确定膜蛋白拓扑学图解?与膜蛋白胞外结构域的融 合导致碱性磷酸 醋酶位于胞外而具有 较高的酶活力&+十%!与胞内结 构域 的融合导 致碱性磷酸酷酶位于胞内而具有较低 的酶活力&。一%(常用的报告蛋 白是 碱性磷酸酷酶&+%,俘内酸胺 酶)49%和件半乳糖昔酶9,%(&+和)49只在被转运到胞质外周时具有活内正规则近年来,已经确定比较多的细菌膜蛋白的拓扑学,统计分析结果 表明存 在一个 内正规则,即碱性氨基酸01和 3在外周环上极其稀少一%,而在胞质环中却非常丰富一?%(带正电荷 越多的环越不能被转运(随后的研究发现在真核生物质膜蛋白、叶绿体和线粒体内膜蛋白中也有同样的倾向(内正规则仅为较短的环一%和内膜组分1.、1.2、1.、1.0%(分泌蛋白含有一段6端信号肤,它很象跨 膜片段,包括带正电的胞质6端、中心疏水片段一般比典型的跨 膜 片段短%和 含 导肤酶.&%识别位点的?端可切除区(尽管只有少数膜蛋白具有可被切除的信号肤,很多细菌膜蛋白的外周结构域的转运也 依赖于.。机制(.&即是一例“,如图 9,它有一个很大的,端外周结构域&,其转运依赖于1.,、.,和膜电位(第二个跨膜片段%充当不被切除的信号肤,在其?端 附近 插入一个.&识别位点后,它可转换为可被切除的信号肤(相 反,第一个跨膜 片段4%即使在 .,?!#%生物化学与生物物理进展&+3()+,./()+&01?机制不起作用时也能插入到膜内(对.,机制的依赖性是与转运的环的长度有关的(当翻转的即图%的外周环&4的长度从 逐渐增加到 个残基,其转运对于.?机制的依赖性也相应增 加?(短的外周 环为什么不能利用.?机制 尚不清楚,它们的低 3十0 1含量反映了细胞在不利用 .。机制时不能转运高度带电的结构域(同,但两者的基本过程是相似的(不仅原核和真核来源的信号肤的性质相同,而且两种机制的某些组分已检测 到序列的类似性(两个体系的一个重要区别是在真核生物中转运是与翻译协同的,而在 细菌 中转运则 在翻译后进行(而且,对于真核 生物质膜蛋白,电荷倾向在6端环中表现最强,越 向?端,越见削弱,推测真核生物膜蛋白的插膜可能是顺序进行的9%565胞外胞内.&;.&一7图抉的拓扑图9%野生型印!%翻转突变体(对于 细菌 内膜蛋白,3十01含量 的倾向性是独立于环在拓扑学中的位置的,提示各个环的转运是独立于 它们的相邻伙伴的(为了与顺序插膜模型即插入沿着6一?的方向,越靠6端部分越能影响下游跨膜 片段 的插入%相区分,构建了由四个跨膜片段和两个外周环组成的分子6端和?端均位于胞内%,外周环或者是长的一?残基%并依赖于.。机制,或者是短的一 残基%且不依赖于.。机制(结果发现 短 环 总能插入过膜,即使 长环的转运因为阻断了.。机制而受阻(这一点并不依赖于两个环的相对位置(这一结果支持了独立插膜模型(总之,细菌膜蛋白可能存在两种插膜元件9(由两个 疏水片段和 一个含有较少碱性氨基酸的短的连接环组成的螺旋发夹,其插膜不依赖于.,机制!(由一个6端正电区和长的疏水片段以及随后一段长的极性片段组成的序列,其插膜依赖于.,机制(跨内质网膜和细菌内膜的蛋 白转运机制不膜蛋白拓扑学的蛋白质工程内正规则 暗示人们可以通过重新分布跨膜片段的带正电氨基酸来控制膜蛋白的拓扑(这已在 原核 和真核 生物中实现(即有两个跨膜片段!和,它的6端和大的?端均位于外周图9%,碱性残基的分布正如内正规则所预期外周6端不带电荷,胞质&,结构域#一?残基%有?个碱性残基,大的外周结构域&一#残基%含?的碱性残基(通过重新分布使得6端碱性残基数量比&,结构域中多即可改变此分子的拓扑图%(通过复 制.的4一区域构建具 有四个跨膜片段的分子,它们一般按内正规则所预见的方式插膜,除非当分子的不 同部分的拓扑学信息发生冲突(图#即为一例,该分子仅插入四个疏水片段 中的三个以不致于违背内 正规则(胞外胞 内图#含有四个疏水 片段的玫衍生物的拓扑图利用依赖.?机制和 不依赖 .?机制的跨膜对于碱性残基的敏感性的差别也可造成拓扑转换(野生型.&的&!结构域只有 个残基长,因而是不依赖于.。机制的,将一个0 1加到6端并不能导致 翻转的拓扑(但 是,当(?生 物化学与生物物理进展&吃()+,./()+01(?#%&,结构域增加 到一 残基,插入变成 依 赖.?机制,结果&4结构域而 不是&结构域%被转运到外周图%?(胞外胞内图具有不同&!环 长度的两个.&衍生物的拓扑图浅色条指示插入的残基的位置(膜蛋白拓扑学的预测根据实验结果,归纳以下几点作为预 测细菌膜蛋白拓扑学 的前提9(跨膜螺旋由疏水氨基酸的长片段形成!(短 环的分 布遵守内正规则!,(在真 核生物膜蛋白中,6端跨膜螺旋的定向与跨这一片段的净电荷差别有密切联系正电荷多端面 向胞质%!:(在真核生物膜蛋白中,长的 30在两侧短环中的分布倾 向选出最佳拓扑结构(这一过程已被编为计算机程序,目前证明比较可靠(对于 个已知序列 和拓扑学的细菌 内膜蛋白包括视紫红质和反应 中心、5亚基%的预测至少有 个是正确的 (类似的策略已用 于真核质膜蛋白,但因为真核生物 中内正倾向较不 强烈,且向?端削弱,预测相对较为困难一些(目前,一般从净电荷差别预 测6端的定向,然 后依照内正 和组成倾向来建立其他部分的拓 扑(膜蛋白的拓扑学的预 测在 反 向生物学上具有重要的意义(对于新发现的蛋白,根据氨基酸序列预测其拓扑学结构有助 于 人们确定其可能的功能或作用机理(但是值得注意的是,基于结构预测的很多推测 甚至已经编入教科书,而并未经过充分的实验证实(这有可能 导致错误(谷氨酸受体脑内的一种重要的神经递质即为一例【川(根据克隆的基因人们预 测该蛋白是四次跨膜的,6端和?端均 位于胞 外(但后来越来越多的证据表明该蛋白事实上是三次跨 膜的,?端位于胞 内(预测 不能代替实验(总的看来,我们已大体解决了二级结构预测 问题从氨基酸序列 我们可以辨认所有跨膜螺旋和它们的定向,我们也掌握了 必要的实验手段验证这些预测 主要是融合蛋白技术%(但是要进行三维结构预测还有很多路要走(我们已经比较了解肤链怎么编码拓扑信息,但我们对于 细胞如何解开这些信息细胞的蛋白转运机制远未完全懂得(事实上膜蛋 白是这些机制的重要参与者,我们预 测膜蛋白结构的能力反过来会直接关系到我们对膜蛋白生物合成的了解(参考文献肠9 7(,/.,8/.4.;94(69;8.,?#.1 15,842(=5+4)+4,?!%?#.7:.即7,)94:7=5,?.19.94(=5+4)+4,?!?#?.1.7+.=,2,5,.94(69;8.,?#?4.7:.2,/+7(=)+4?./,?!#+7.7.(=5+4)+4,?!铭597+4?(5.;记?.4 4)+4,?!#?+4 .&),.7.(?.4 4,?!#?7:.卿7,+7.7.25)%=,?#!?#+7.7.(69;8 .(?!#?!#%生物化学与生物物理进展&+3()+,./()+&01(一?59,9)(,.7.(?!?+&+4+30+5./9 7.&+;.71(97373:9,718;9;.卿 9+9;+砂+5:4.,849)+4+3%,9 73 971;8;.+)+,./1;勺,9:./,97,9,9 7动9 1;9,;5./97.+;.7;+4+30?;.1;9;73卯7;+.:.;73;.;.:/.71+7941;8.;8 .(5970/./9 7.+;.7;+4+3.19 .7:.;./7.:081731.94./.7;949&+9.11 8.91./.94/+:.9;+797:81+7一+;.79 +9.(8:.、+7/./97.;9714+.9;+797:71.;+79.:.;./7.:;+1 14.71.;731;8.;894.4./.7;1(;9;1;.941;8:.1+7/./97.+;.71;7+7;+4+3097:.737.73/./97.+;.7;+卯4+307:.9;.987.194+1;.71:.84.+.4.94一8 7:4.+;.71(.494.1;9;.3.19.7:.4+.:;+.:.;.;+&4+30+/./97.+;.71,.?+3.9;/+;97.;+.1.+4+30()8;.?1;4494+7390;+?;+/9.;.一:/.71+7941;8.;8.&.:.;+71(.0+:1/./97.+;.7,&+;.7;+4+30,1;8.;8.:.;+7人血清中的对氧磷酶王青定孙曼霖军事医学科学院毒物药物研 究所,北京?%摘要对氧磷酶能够水解强毒性农药对氧磷而受到许多学者的重视,但国内尚未见报道(文章综述了人血清中对氧磷酶 的分 布、特异性、分离纯化、多态性、遗传学特性、与疾病的关系以及对有 机磷化合物 毒性的防护作用(这有利于进一步研究对 氧磷 酶的生物学性质、生理功能及其应用(关键词对氧磷酶,分离纯化,底物特异性,多态性对氧磷酶芳香基磷酸三酷二烃基磷酸酷酶,9 04;+19;.:9404+1+0:+49 1.,2?#(?(?%,简称对氧磷酶或2一 一醋酶类(一酉旨酶 类 水 解 带 有一、一,6及互卜6二离开基团的有机磷化合物、氨基甲酸醋及芳香梭酸醋,对氧磷酶可分解所有这三类底物(对氧磷酶存在于多种微生物、昆 虫、蛇毒、鱿 鱼轴索、鱿鱼后唾液腺、鸟类及哺乳类动物中(鸟类的对氧磷酶活性很低,哺乳类动物的对氧磷酶活性存在于血清和许多组织中主要在肝脏、肾脏和小肠%(还不清楚 能够水解对氧磷的这些酷酶是否均来源于具 有 高 度结 构 同源性 的蛋白质家族(来源及分布人血清中的对氧磷酶的来源还不完全清楚,很可能是在肝脏产生的川(不知道肝 脏对氧磷酶与血清对氧磷酶的相似性有多大(几年前已有人试图确 定是否人肝对氧磷酶也表现有和血 清中同样 的 基因 型特性 ,但尸检肝 脏 的对氧磷酶活性下降很快,无法进行比较(推测采用 活检样本可能会 解决这一问题(早产 儿血清中有对氧磷水解酶活性(婴儿血清中此酶的水平约为成人的一半,一岁达到成人水平,以后不再有大 的变化,岁以后收稿日期?一 一#,修回日期?一?一