Порин (білок)

Порини — бактеріальні білки які полегшують дифузію (проникнення) низькомолекулярних речовин через важкопроникну клітинну мембрану. На відміну від багатьох інших мембранних транспортних білків, порини є досить великими щоб дозволити пасивну дифузію; таким чином вони виступають як проникні канали, спечифічні для різних типів молекул. Вони присутні у зовнішній мембрані Грам-негативних бактерій та деяких Грам-позитивних мікобактерій, зовнішній мембрані мітохондрій та зовнішній мембрані хлоропластів.

Порин специфічний до сахарози з Грам-негативної бактерії Salmonella typhimurium. PDB 1A0S

Будова

Порини мають циліндричну форму та складаються з бета-листів (β-листів), які з'єднані між собою бета-поворотами на цитоплазматичній стороні та довгими амінокислотними петлями на зовнішній стороні. Бета-шари орієнтовані антипаралельно і утворюють циліндричну трубку, яку називають бета-бочкою (β-діжка). Амінокислотний склад β-ланцюгів поринів унікальний тим, що вздовж них чергуються полярні та неполярні залишки. Це означає, що неполярні залишки спрямовані назовні, щоб взаємодіяти з неполярними ліпідами зовнішньої мембрани, тоді як полярні залишки стикаються всередину до центру бета-діжки для створення водного каналу. Конкретні амінокислоти в каналі визначають специфічність порину для різних молекул.

Кількість бета-листів може варіюватися від до цілих двадцяти двох. Окремі листи з'єднуються між собою петлями і витками. Більшість поринів є мономерними білками. Деякі порини можуть утворювати димери, а інколи навіть октамери. Залежно від розміру порину, внутрішня частина білка може бути наповнена водою, мати до двох β-ланцюгів, складених назад, або містити невеликий додатковий білковий домен в якості «пробки», яка також складається з β-ланцюгів і контролює проникність центрального каналу.

Також порини можуть утворювати гомотримери в зовнішній мембрані, утворюючи суперструктуру пор з трьома каналами. Водневі зв'язки та диполь-дипольні взаємодії між кожним мономером у гомотримері забезпечують стабільність комплексу у зовнішній мембрані.

Функції у клітині

Порини в основному беруть участь у пасивному транспортуванні гідрофільних молекул різної величини та заряду крізь мембрану. Крім того, порини можуть регулювати проникність і запобігати лізису, обмежуючи потрапляння детергентів у клітину.

Порини можна класифікувати на дві групи: неселективні та селективні. Неселективні порини не мають специфічного субстрату для переносу, хоча деякі виявляють незначні селективність до позитивно або негативно заряджених молекул. Селективні порини менше за розміром, ніж неселективні, і мають високу селективність для переносу певних молекул. Факторами що визначають селективність певного порину є внутрішний діаметер каналу, а також амінокислотні залишками, що складають центральну порожнину.

У Грам-негативних бактерій внутрішня мембрана є головним бар'єром проникності. Зовнішня мембрана більш проникна для гідрофільних речовин, завдяки наявності поринів. Як правило, лише речовини з молекулярною масою менше 600 дальтон можуть дифундувати крізь них.

Різноманітність

Порини були вперше виявлені у Грам-негативних бактеріях. Пізніше вони були відкриті у Грам-позитивних бактерій. Порини Грам-позитивних бактерій виконують подібні транспортні функції, але при цьому є менш різноманітними порівняно з поринами Грам-негативних бактерій. У Грам-позитивних бактерій відсутня зовнішня мембрана, тому порини приєднані до певних ліпідів клітинної стінки.

Порини є також у еукаріотів, зокрема у зовнішніх мембранах мітохондрій та хлоропластів . Органели містять неселективні порини, які структурно і функціонально схожі на бактеріальні. Ці подібності підтверджують ендосимбіотичну теорію, відповідно до якої еукаріотичні органели виникли у минулому з примітивних Грам-негативних бактеріальних симбіонтів.

Археї містять також іонні канали, що походять від неспецифічних поринів. Канали знаходяться в клітинній стінці і полегшують дифузію поживних речовин всередину клітини.

Роль у стійкості до антибіотиків

Багато антибіотиків, які використовуються для лікування бактеріальних інфекцій, проникають в бактерії крізь порини. Однак, завдяки еволюційному тиску, бактерії можуть розвивати резистентність до антибіотиків через мутації генів поринів. Мутації можуть призвести до втрати пор, внаслідок чого антибіотики втрачають здатність проникати всередину бактерій. Цей молекулярний механізм є одним з головних що призвели до кризи стійкості до антибіотиків та збільшенню смертності від інфекцій.

Відкриття

Відкриття порин приписується Хіросі Нікайдо, якого також називали першим «поринологом».

Список літератури

1. MeSH Porins
2. Schirmer T (1998). General and specific porins from bacterial outer membranes. Journal of Structural Biology. 121 (2): 101—9. doi:10.1006/jsbi.1997.3946. PMID 9615433.
3. Tamm LK, Hong H, Liang B (November 2004). Folding and assembly of beta-barrel membrane proteins. Biochimica et Biophysica Acta. 1666 (1-2): 250—63. doi:10.1016/j.bbamem.2004.06.011. PMID 15519319.
4. Faller M, Niederweis M, Schulz GE (February 2004). The structure of a mycobacterial outer-membrane channel. Science. 303 (5661): 1189—92. doi:10.1126/science.1094114. PMID 14976314.
5. Galdiero S, Falanga A, Cantisani M, Tarallo R, Della Pepa ME, D'Oriano V, Galdiero M (December 2012). Microbe-host interactions: structure and role of Gram-negative bacterial porins. Current Protein & Peptide Science. 13 (8): 843—54. doi:10.2174/138920312804871120. PMC 3706956. PMID 23305369.
6. Novikova OD, Solovyeva TF (2009). Nonspecific Porins of the Outer Membrane of Gram-Negative Bacteria: Structure and Functions. Biologicheskie Membrany. 3 (1): 3—15. doi:10.1134/S1990747809010024.
7. Porins from Mitochondrial and Bacterial Outer Membranes: Structural and Functional Aspects. Anion Carriers of Mitochondrial Membranes. Berlin, Heidelberg: Springer. 1989. с. 199—214. doi:10.1007/978-3-642-74539-3_16. ISBN .
8. Yen MR, Peabody CR, Partovi SM, Zhai Y, Tseng YH, Saier MH (May 2002). Protein-translocating outer membrane porins of Gram-negative bacteria. Biochimica et Biophysica Acta. 1562 (1-2): 6—31. doi:10.1016/s0005-2736(02)00359-0. PMID 11988218.
9. Besnard M, Martinac B, Ghazi A (January 1997). Voltage-dependent porin-like ion channels in the archaeon Haloferax volcanii. The Journal of Biological Chemistry. 272 (2): 992—5. doi:10.1074/jbc.272.2.992. PMID 8995393.{{}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом ()
10. Klebba PE (December 2005). The porinologist. Journal of Bacteriology. 187 (24): 8232—6. doi:10.1128/JB.187.24.8232-8236.2005. PMC 1317029. PMID 16321927.