ABC转运蛋白的结构与转运机制

ABC转运蛋白的结构与转运机制 维普资讯 ////0>. 生命的化学 年 卷 期? ? , 文章编号:?? ?转运蛋白的结构与转运机制 王华丙 张振义 包锐 陈宇星 同济大学生命科学与技术学院蛋白质研究所,上海摘要:腺苷三磷酸结合盒转运蛋 ? ,转运蛋白超家族是一组跨膜蛋白,具有结合区 域的单向底物转运泵,以主动转运方式完成多种分子的跨膜转运。转运蛋白的一个亚家族与多药抗性, 有关,而多药抗性是临床肿瘤化疗中需要解决的主要问题,所以其结构与转运机制一直是研究的热点。最近几年获得了一 些高分辨率的转运蛋白的晶体结构,该文将根据转运蛋白的结构的研究进展对其可能的转运机制进行 讨论。 关键词:转运蛋白;跨膜转运;膜蛋白晶体结构;转运机制;多药抗性 中图分类号:腺苷三磷酸结合盒转运蛋 ? 成,也存在由 个、 个、 个螺旋组成的跨膜 结构域?。它们形成一个跨膜通道以实现底物分子的 ,转运蛋白 由于含有一个腺苷三磷酸 的结合盒?,而得名。 跨膜运输,同时还参与底物的识别过程。核苷酸结合 转运蛋白是膜整合蛋白,它利用水解的能 域位于胞质,结合和水解。有的亚家族,比如 量对溶质中各种生物分子进行跨膜转运,其转运的底 和 ,还有 个 端附加结构域,可能参与 物包括:糖、氨基酸、金属离子、多肽、蛋白质、细 调节二聚体的形成及解聚。还有一些转运蛋白具 胞代谢产物和药物等。转运蛋白广泛存在于真核 有膜外结合蛋白,其作用是识别底物并呈送给。 和原核生物中,目前已知人类基因组中有 个 . 核苷酸结合域的结构 在核苷酸结合域内有一个 长约个氨基酸的非常保守的片段,包含了 个模 转运蛋白超家族成员。在大肠杆菌 ? 基因组中,至 少有 个编码转运蛋白,约占基因组的 %。 体 ,分别为 模体 ?、 转运蛋白参与生物的各种生理功能,诸如维持细胞内 模体和 模体,后者位于前 个模序中间。其 外的渗透压平衡、抗原呈递、细胞分化、细菌免疫,胆 中 和 模体是所有的核苷酸结合蛋白所共 有的,而 模体是转运蛋白的特征性模 固醇及脂质的运输等等。其突变导致胆囊纤维样变性、 高密度脂蛋白缺乏症等遗传性疾病。人类转运蛋 体。这 个模体的序列都十分保守, 模体的 白 型糖蛋白的过量表达与癌症治疗和微生物感 特征氨基酸残基序列为 ? ? ? ? ? ? / , 模体为 一西. 一 . 是疏水性氨基酸残基 ,而 染治疗中广泛存在的多药抗性密切相关,因此对其转 模体则为 . . . . 。在超家族中不 运机制的研究是结构生物学和生物化学关注的热点。 同亚家族成员之间这 个氨基酸片段的保守性高达 .转运蛋白的结构 转运蛋白的核心结构通常由 个结构域组%~ %。结构域可进一步分为 个亚结构域, 成,包括 个高度疏水的跨膜结构域结合核心亚结构域和螺旋亚结构域,后者和 ,和 个核苷酸结合域 ? 水解偶联底物跨膜转运相关】。 在中还有几个环 区非常保守。其中 . ,。每一跨膜结构域一般由 个螺旋构 环连接结合核心亚结构域和螺旋亚结构域,它 收稿日期: ? 和的丫磷酸相结合。 .环由 个保守氨基酸残基 国家基金委海外青年学者合作研究基金 .组成,它们是参与催化反应的关键氨基酸,其构象变 作者简介:王华丙 一 ,男,硕士生, ? : . . ;张振义?,男,硕士生, ? : 化关系到是否水解但。而 .环则把催化水解所需 .;包锐 ,男,博士生, ? : 要的各个氨基酸残基、水分子和镁离子连接起来,形 .;陈字星 ?,女,博士,教授,博士生 成一个催化活性中心 。 导师, ? : ... 维普资讯 ////. ?小综述 生命的化学 年 卷 期 , . 核心结构域的排列 转运蛋白的 个结构域 能是释放水解产物后的状态。最近,钼酸盐转运蛋 的排列有多种方式。在原核生物中,常见的是每 个 白和它的外周结合蛋白的复合体的晶体结构?发表在 结构域构成 个亚基,也存在 个亚基上具有 个或 上。结果显示,外周结合蛋白结合底物并将底 个以上的结构域。而真核生物的转运蛋白比较 物呈送到转运通道外口,两个未结合核苷酸,处 常见的是 个不同的结构域位于同一条多肽链上, 个 于解离的状态,两个形成一个开口朝向胞质的通 结构域在 个亚基上的情况也会发生。在真核生物中 道,其构象可能是水解后的状态。 个结构域的排列顺序有正向排列顺序? 遗憾的是, 的研究小组解析的脂质 转运 ? ?:比如和 ? 和反向排列顺序 蛋白、的复合体及多药转运蛋白的 ???:如酵母中的与 复合体的晶体结构】 ,由于数据处理时的错误,使得 。对于具有 个亚基的转运蛋白,每一个亚 他们的结构数据从 数据库中撤 基分别由 个和 个组成,它们可正向排列: 回。 的研究小组将用原始数据重新计算 ?,如人的?抗原转运蛋白 及的结构,希望他们的数据分析会为转运 ;或反向排列一? ,如果蝇的和 蛋白的结构和机制研究提供有用的信息。 转运蛋白,只有形成二聚体时才具有转运活性。 .转运蛋白的作用机制 . 转运蛋白的三维结构 目前只有少数几个 由于各种生物的转运蛋白的结构的相似性以 转运蛋白三维结构得到解析。年,人的 ? 及的高度保守性,原核和真核生物中的转运 蛋白的电子显微镜观察和图像分析,是第一例关于 蛋白的作用机制相近。虽然对转运蛋白跨膜运输 转运蛋白三维结构分析的实验】。 ? 蛋白有 个 的精确分子机制尚不清楚,但目前的研究已使其作用机 跨膜结构域,每一个跨膜结构域由 个螺旋组成,在 制初显轮廓。外向运输转运蛋白的整个转运过程 胞质一侧有 个 的凹槽相对应于 ? 的 个核苷 是从细胞内侧底物与转运蛋白区的结合开始 酸结合区。 ? 在膜内形成 个水相的空间,向细胞 的,而对于内向运输转运蛋白,则是先形成外周 外侧敞开,胞质一侧则是关闭的。这些结构特点是在 蛋白和底物的复合体】,然后与转运蛋白相互作 膜上观察到的,可能反映了正常生理状态下的结构。 用,进而把底物传递给它的部分。年, 等解析了伤寒沙门氏菌的组氨酸转 . 水解机制 结合 个形成 个紧密接 运蛋白的结合亚基的晶体结构。年,大肠杆菌 触的二聚体,聚合的方式是头尾相接式,即每个分 的传输维生素 的转运蛋白 的晶体结构也 子结合在 个的 模体与另 个的 被解析】。大肠杆菌的是向胞内转运维生素 模体之间】。水解的精确机制还不清楚, 的转运蛋白,它有 个跨膜亚基 和 个 目前有两种观点:一种观点认为 个先后水解,然 结合亚基 。 个亚基的 个跨膜 后二聚体解离;另外一种观点认为 个先水解,其 螺旋形成 个通道,通道靠近胞质一侧由 个环形成一 结合位点打开,当它再结合时,第 个才开 个关闭的门】,而 的结构与其他转运蛋白 始水解,此为 个交互水解模式。此外,一些 的结构一致。年 月, 等在 上 转运蛋白需要借助底物的帮助才能完成的水解】。 . 偶联物质运输 对于外向运输的转运蛋白, 发表了转运蛋白 结合的复合体的晶 体结构。是金黄色酿脓葡萄球菌的耐药蛋白,每 当底物结合位点在膜内侧时,蛋白质与底物的亲和力 一 个由 个跨膜螺旋组成, 个中间形成一 高;构象变化后,底物结合位点暴露于膜外侧时,亲 个药物转运通道,通道的开口朝向胞外, 个由于 和力降低使底物释放到细胞外。也有人根据对外向运 结合而紧密接触。这一结构与电镜研究的 的 输转运蛋白的研究提出:转运蛋白 结构一致。就在今年,有 个转运蛋白及其复合体 区含有 个底物结合位点,其中 个位于膜内侧, 的结构被解析。首先, 结合的复合体 对底物的亲和力高;而另 个位于膜外侧,对底物的 的晶体结构 】,它进一步证明了 结合核苷酸时 亲和力很低。总之,目前所知道的水解过程以及 转运通道的开口朝向膜外。然后,乙型流感嗜血杆菌的 底物结合位点的方向及亲和力的变化都是类似酶活反 一 个金属螯合型转运蛋白/ 的结构被解析 应的过程,而这两个过程是如何偶联在一起,以及相 , 结构数据显示:两个形成二聚体不如在 应的构象变化机制仍需进一步的研究。 中紧密,而两个形成一个开口朝向胞质的通道,可转运机制 从目前已经解析结构的转运蛋白