Transmembrandomäne

Eine Transmembrandomäne ( TMD , TM-Domäne ) ist eine Membran-überspannende Proteindomäne . TMDs können aus einer oder mehreren Alpha-Helices oder einem transmembranären Beta-Fass bestehen . Da das Innere der Lipiddoppelschicht hydrophob ist , sind die Aminosäurereste in TMDs häufig hydrophob, obwohl Proteine ​​wie Membranpumpen und Ionenkanäle polare Reste enthalten können. TMDs variieren stark in Größe und Hydrophobizität ; sie können organellenspezifische Eigenschaften annehmen. ^{[ 1 ]}

Es ist bekannt, dass Transmembrandomänen eine Vielzahl von Funktionen erfüllen. Dazu gehören:

• Verankerung von Transmembranproteinen an der Membran.

  

• Sie erleichtern den molekularen Transport von Molekülen wie Ionen und Proteinen durch biologische Membranen ; in der Regel helfen hydrophile Reste und Bindungsstellen in den TMDs bei diesem Prozess.
• Signalübertragung durch die Membran; viele Transmembranproteine, wie z. B. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren , empfangen extrazelluläre Signale. TMDs leiten diese Signale dann durch die Membran weiter, um eine intrazelluläre Wirkung auszulösen.
• Unterstützung bei der Vesikelfusion ; die Funktion von TMDs ist noch nicht vollständig verstanden, aber es hat sich gezeigt, dass sie für die Fusionsreaktion entscheidend sind, möglicherweise weil TMDs die Spannung der Lipiddoppelschicht beeinflussen. ^{[ 2 ]}
• Transmembrandomänen (TMDs) vermitteln den Transport und die Sortierung von Transmembranproteinen. Sie wirken dabei mit cytosolischen Sortierungssignalen zusammen, wobei Länge und Hydrophobizität die Hauptfaktoren für die TMD-Sortierung darstellen. Längere und hydrophobere TMDs unterstützen die Sortierung von Proteinen zur Zellmembran, während kürzere und weniger hydrophobe TMDs Proteine ​​im endoplasmatischen Retikulum und im Golgi-Apparat zurückhalten . Der genaue Mechanismus dieses Prozesses ist noch unbekannt. ^{[ 3 ]}

Transmembranhelices sind in den mittels Röntgenbeugung bestimmten Strukturen von Membranproteinen sichtbar . Sie lassen sich auch anhand von Hydrophobizitätsskalen vorhersagen . Da das Innere der Lipiddoppelschicht und das Innere der meisten Proteine ​​mit bekannter Struktur hydrophob ist , wird angenommen, dass auch die die Membran durchspannenden Aminosäuren hydrophob sein müssen. Membranpumpen und Ionenkanäle enthalten jedoch auch zahlreiche geladene und polare Reste innerhalb der im Allgemeinen unpolaren Transmembransegmente.

Die Verwendung der „Hydrophobizitätsanalyse“ zur Vorhersage von Transmembranhelices ermöglicht wiederum eine Vorhersage der „Transmembrantopologie“ eines Proteins; d. h. eine Vorhersage darüber, welche Teile davon in die Zelle hineinragen, welche Teile aus ihr herausragen und wie oft die Proteinkette die Membran durchquert.

Transmembranhelices können auch in silico mithilfe des bioinformatischen Werkzeugs TMHMM identifiziert werden . ^{[ 4 ]}

Da die Proteinbiosynthese im Zytosol (einer wässrigen Umgebung) stattfindet, werden Faktoren benötigt, die die Transmembrandomänen (TMDs) erkennen und sie in dieser ungünstigen Umgebung schützen. Zusätzlich sind weitere Faktoren erforderlich, die den Einbau der TMDs in die Zielmembran (z. B. endoplasmatisches Retikulum oder andere Organellen) ermöglichen. ^{[ 5 ]} Diese Faktoren erkennen außerdem Fehlfaltungen der TMDs innerhalb der Membran und führen Qualitätskontrollen durch. Sie müssen in der Lage sein, eine große Bandbreite an TMDs zu erkennen und lassen sich in zytosolisch und membranständig aktive Faktoren unterteilen. ^{[ 5 ]}

Es wird angenommen, dass cytosolische Erkennungsfaktoren zwei unterschiedliche Strategien nutzen. ^{[ 5 ]} Bei der cotranslationalen Strategie sind Erkennung und Abschirmung an die Proteinsynthese gekoppelt. Genomweite Assoziationsstudien zeigen, dass die meisten Membranproteine, die zum endoplasmatischen Retikulum transportiert werden, vom Signalerkennungspartikel (SRP) gesteuert werden . Dieses bindet an den ribosomalen Austrittstunnel und initiiert Erkennung und Abschirmung während der Translation. Die zweite Strategie betrifft C-terminal verankerte Proteine, die durch eine einzelne Transmembrandomäne (TMD) nahe dem C-Terminus des Membranproteins definiert sind. Nach Abschluss der Translation verbleibt die C-terminal verankerte TMD im ribosomalen Austrittstunnel, und eine ATPase vermittelt den Transport zum endoplasmatischen Retikulum. Beispiele für solche Transportfaktoren sind TRC40 in höheren Eukaryoten und Get3 in Hefe. Darüber hinaus schützen allgemeine TMD-bindende Faktoren vor Aggregation und anderen störenden Wechselwirkungen. SGTA und Calmodulin sind zwei bekannte Beispiele für solche allgemeinen TMD-bindenden Faktoren. Die Qualitätskontrolle von Membranproteinen umfasst TMD-bindende Faktoren, die mit dem Ubiquitin- Proteasom- System verknüpft sind.

Nach dem Transport unterstützen Faktoren die Insertion der Transmembrandomäne (TMD) durch die hydrophile Phosphat-„Kopfgruppe“ der Phospholipidmembran . ^{[ 5 ]} Qualitätskontrollfaktoren müssen Funktion und Topologie erkennen und die Extraktion ins Zytosol ermöglichen. Das Signalerkennungspartikel transportiert Membranproteine ​​zum Sec- Translokationskanal , positioniert den Ribosomen-Austrittstunnel nahe der zentralen Pore des Translokons und minimiert so den Kontakt der TMD mit dem Zytosol. Insertasen können ebenfalls die Insertion der TMD in die Lipiddoppelschicht vermitteln . Zu den Insertasen gehören die bakterielle YidC, die mitochondriale Oxa1 und die Chloroplasten-Alb3, die alle evolutionär verwandt sind. Die konservierten Enzymfamilien Hrd1 und Derlin sind Beispiele für membrangebundene Qualitätskontrollfaktoren.

• Tetraspanine besitzen 4 konservierte Transmembrandomänen.
• Mildew locus o ( mlo ) Proteine ​​besitzen 7 konservierte Transmembrandomänen, die Alpha-Helices kodieren. ^{[ 6 ]}