È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo.  Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Reconstitution of Membrane Proteins
  • 00:00Panoramica
  • 01:03Principles of Membrane Protein Reconstitution
  • 03:46Protocol for Reconstitution of Membrane Proteins in Liposomes
  • 05:13Applications
  • 06:33Summary

שחזור חלבונים ממברנה

English

Condividere

Panoramica

שחזור הוא תהליך של החזרת ביומולקול מבודד לצורה או לתפקוד המקורי שלו. זה שימושי במיוחד לחקר חלבוני ממברנה, המאפשרים תפקודים תאיים חשובים ומשפיעים על התנהגותם של שומנים סמוכים. כדי לחקור את הפונקציה של חלבוני ממברנה מטוהרים במקום, הם חייבים להיות מחדש על ידי שילובם לתוך קרום שומנים מלאכותי.

וידאו זה מציג מושגים ליקום חלבון ממברנה ונהלים נלווים, כגון בידוד חלבונים באמצעות חומר ניקוי, היווצרות שלשלות מלאכותיות באמצעות שומנים, שילוב של החלבון המבודד לתוך הזרם המלאכותי, והפרדת חומר הניקוי מהפתרון. לבסוף, שני יישומים מכוסים: שחזור של חלבוני הובלת ממברנה ושיקום חלבונים קצירת אור.

שחזור הוא תהליך של שחזור ביומולקול מבודד לצורה או לפונקציונליות המקורית שלו. גישה זו משמשת לעתים קרובות בעת לימוד חלבונים ממברנה, המאפשרים תהליכים תאיים חשובים רבים ומשפיעים על התנהגותם של שומנים שכנים. עם זאת, המורכבות של סביבת התא מקשה על פונקציות חלבון הממברנה במקום. החלבונים ניתן לחלץ ולטהר, אבל הפונקציות בפועל שלהם לא ניתן להעריך ללא ממברנה. לכן, חלבונים ממברנה מבודדים הם מחדש על ידי שילוב לתוך קרום שומנים מלאכותיים, כגון ליפוזום. וידאו זה יציג את העקרונות של שחזור חלבון ממברנה, הליך שיקום כללי, וכמה יישומים בביוכימיה.

קרום התא מורכב בעיקר פוספוליפידים וחלבוני ממברנה. הפוספוליפידים יוצרים דו-שכבתית שבה ראשי הפוספט ההידרופיליים מתקשרים עם הפנים והחיצוניות המ מימיות של התא, בעוד זנבות חומצת השומן ההידרופובית מתקשרים זה עם זה בשכבת הדו-שכבתית.

חלבונים מסוימים ממברנה אינטראקציה רק עם הממברנה על ידי אינטראקציות אלקטרוסטטיות או לאcovalent. אחרים, הנקראים “חלבונים אינטגרליים”, מוטבעים בשכבת השומנים.

כמו הדו-שכבתי, חלבונים אינטגרליים יש קצוות הידרופיליים ומרכז הידרופובי, והם מוחזקים במקום על ידי אינטראקציות הידרופוביות. חלבונים אינטגרליים המשתרעים על פני הממברנה כולה ידועים בשם ‘חלבוני טרנס-מברן’.

האינטראקציות בין חלבונים אלה לבין הממברנה כל כך חזקות שאפילו ליסת התאים לא תפריד ביניהם. חומר פעילי שטח מיוחד הנקרא חומר ניקוי משמש לחילוץ החלבונים. בדומה לפוספוליפידים, לדטרגנטים יש ראשים הידרופיליים וזנבות ליפופיליים, והם יכולים להיכנס לממברנה בחופשיות.

בתוך הממברנה, הזנבות הליפופיליים של חומר הניקוי מתקשרים עם ליבת החלבון ההידרופובית. זה מקיף את החלבון עם קליפה של ראשי דטרגנט הידרופילי, אשר משבש את אינטראקציות חלבון שומנים.

קומפלקס החלבון-דטרגנט מופרד כעת בקלות מהקרום. חומר הניקוי הופך את המתחם למסיס בפתרונות מימיים, ומוכן לחזרה בקרום מלאכותי.

חלבונים הם לעתים קרובות reconsuted בממברנות של ליפוזומים, שהם שלל מלאכותי. כדי להכין ליפוזומים, שומנים מיובשים הם hydrated ונסער כדי לגרום היווצרות ארסיות. כאשר חומר ניקוי מתווסף, הוא משולב לתוך ממברנות ליפוזום.

כדי לשחזר את החלבון, חלבונים solubilized וליפוזומים משולבים, ולאחר מכן דטרגנט מוסר מן הפתרון על ידי דיאליזה או ספיחה כימית. החלבונים והליפוזומים מתאספים במהירות לפרוטוליפוזומים, כך שרק הקבוצות ההידרופיליות חשופות. החלבונים מתפקדים כפי שהם פועלים בקרום התא, וניתן לחקורם בבידוד.

עכשיו שכיסינו את היסודות של שחזור חלבונים, בואו נעבור על פרוטוקול לחזרת חלבוני הממברנה בליפוזומים.

כדי להתחיל לבודד את חלבוני הממברנה, התאים הם lysed. תאים לא שבורים מוסרים עם צנטריפוגה.

סופר-נט הוא צנטריפוגה במהירות גבוהה יותר כדי כדורי הממברנות. הכדור מושעה מחדש ומתווסף חומר ניקוי כדי לחלץ את החלבונים.

שאר פסולת התאים מוסרת על-ידי צנטריפוגה נוספת. החלבון מטוהר מן supernatant עם כרומטוגרפיה עמודה ולאחר מכן מרוכז או מטוהר עוד יותר לפי הצורך.

כדי להתחיל להכין את הליפוזומים, השעיה של פוספוליפידים בממס אורגני מיובש תחת חנקן או ארגון.

הפוספוליפידים הם hydrated עם חוצץ הידרציה, ואת התערובת הוא sonicated כדי לסיים את יצירת ליפוזומים.

חומר ניקוי מתווסף solubilize ליפוזומים, אשר לאחר מכן משולב עם החלבונים.

חומר הניקוי מוסר לאחר מכן על-ידי ספיחה על חרוזי פוליסטירן, דיאליזה או עמודת כריכת חומר ניקוי. הפרוטאוליפוזומים המתקבלים מוכנים לטיהור ולהשתמש בהם בניסויים הבאים.

עכשיו שאתם מכירים את היסודות של הליך שחזור חלבונים ממברנה, בואו נסתכל על כמה יישומים של שחזור חלבונים בביוכימיה.

חלבון הובלת ממברנה הוקם מחדש כדי לקבל הבנה ברורה יותר של מנגנון ההובלה שלו. תפקידו לאחר שחזור אומת עם שפכים של יונים יוד. לאחר מכן, פעילות התחבורה נחקרה בנוכחות מעכבי ערוץ יונים מולקולות קטנות שונות ו potentiators. בדרך זו, ניתן ללמוד את האינטראקציות הישירות של מולקולות קטנות אלה עם חלבון התחבורה.

חלבוני ממברנה מחייבי כלורופיל וקרוטנואידים בצמחים קוצרים אור, מקדמים הפרדת מטען ומפחיתים נזקי אור. על ידי שחזור חלבונים אלה קצירת אור, הדינמיקה המתקפלת שלהם אינטראקציה עם פיגמנטים ניתן ללמוד. לחלבונים שצורפים אור שהוחזרו בטכניקה זו היו תכונות אופטיות דומות מאוד לחלבונים המקומיים. ספקטרוסקופיית פליטת פלואורסצנטיות יכולה לשמש לחקר העברת אנרגיה מפיגמנטים לחלבונים לקציר אור משוחזרים.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על שחזור חלבוני הממברנה. שחזור הוא דרך להעביר חלבונים חשובים לחיקוי תאים להמשך חקירה. וידאו זה כיסה את העקרונות של שחזור חלבונים, פרוטוקול שחזור, וכמה יישומים בביוכימיה. תודה שצפיתם!

Procedura

שחזור הוא תהליך של החזרת ביומולקול מבודד לצורה או לתפקוד המקורי שלו. זה שימושי במיוחד לחקר חלבוני ממברנה, המאפשרים תפקודים תאיים חשובים ומשפיעים על התנהגותם של שומנים סמוכים. כדי לחקור את הפונקציה של חלבוני ממברנה מטוהרים במקום, הם חייבים להיות מחדש על ידי שילובם לתוך קרום שומנים מלאכותי. וידאו ז…

Divulgazioni

No conflicts of interest declared.

Trascrizione

Reconstitution is the process of restoring an isolated biomolecule to its original form or functionality. This approach is often used when studying membrane proteins, which enable many important cellular processes and affect the behavior of neighboring lipids. However, the complexity of the cell environment makes membrane protein functions difficult to study in situ. The proteins can be extracted and purified, but their actual functions cannot be evaluated without a membrane. Therefore, isolated membrane proteins are reconstituted by integration into an artificial lipid membrane, such as a liposome. This video will introduce the principles of membrane protein reconstitution, a general reconstitution procedure, and a few applications in biochemistry.

Cell membranes primarily consist of phospholipids and membrane proteins. The phospholipids form a bilayer in which the hydrophilic phosphate heads interact with the aqueous interior and exterior of the cell, while the hydrophobic fatty acid tails interact with each other in the bilayer.

Some membrane proteins only interact with the membrane by electrostatic or noncovalent interactions. Others, called ‘integral proteins’, are embedded in the lipid bilayer.

Like the bilayer, integral proteins have hydrophilic ends and a hydrophobic center, and are held in place by hydrophobic interactions. Integral proteins that span the entire membrane are known as ‘transmembrane proteins’.

The interactions between these proteins and the membrane are so strong that even lysing the cells will not separate them. A special surfactant called a detergent is used to extract the proteins. Similar to phospholipids, detergents have hydrophilic heads and lipophilic tails, and can enter the membrane freely.

Inside the membrane, the lipophilic tails of the detergent interact with the hydrophobic protein core. This surrounds the protein with a shell of the hydrophilic detergent heads, which disrupts the protein-lipid interactions.

The protein-detergent complex is now easily separated from the membrane. The detergent makes the complex soluble in aqueous solutions, and ready for reconstitution in an artificial membrane.

Proteins are often reconstituted in the membranes of liposomes, which are artificial vesicles. To prepare liposomes, dried lipids are hydrated and agitated to induce vesicle formation. When a detergent is added, it is incorporated into the liposome membranes.

To reconstitute the protein, the solubilized proteins and liposomes are combined, and then the detergent is removed from solution by dialysis or chemical adsorption. The proteins and liposomes rapidly assemble into proteoliposomes, so only the hydrophilic groups are exposed. The proteins then function as they would in a cell membrane, and can be investigated in isolation.

Now that we’ve covered the basics of protein reconstitution, let’s go over a protocol for reconstituting membrane proteins in liposomes.

To begin isolating the membrane proteins, the cells are lysed. Unbroken cells are removed with centrifugation.

The supernatant is centrifuged at a higher speed to pellet the membranes. The pellet is re-suspended and a detergent is added to extract the proteins.

The remaining cell debris is removed by additional centrifugation. The protein is purified from the supernatant with column chromatography and then concentrated or purified further as needed.

To begin preparing the liposomes, a suspension of phospholipids in organic solvent is dried under nitrogen or argon.

The phospholipids are hydrated with hydration buffer, and the mixture is sonicated to finish creating the liposomes.

Detergent is added to solubilize the liposomes, which is then combined with the proteins.

The detergent is then removed by adsorption onto polystyrene beads, dialysis, or a detergent-binding column. The resulting proteoliposomes are ready to be purified and used in subsequent experiments.

Now that you are familiar with the basics of a membrane protein reconstitution procedure, let’s look at a few applications of protein reconstitution in biochemistry.

A membrane-transport protein was reconstituted to gain a clearer understanding of its transport mechanism. Its function post-reconstitution was verified with an efflux of iodide ions. Then, the transport activity was studied in the presence of various small molecule ion channel inhibitors and potentiators. In this way, the direct interactions of these small molecules with the transport protein could be studied.

Chlorophyll and carotenoid-binding membrane proteins in plants harvest light, promote charge separation, and mitigate light damage. By reconstituting these light-harvesting proteins, their folding dynamics and interaction with pigments can be studied. The light-harvesting proteins reconstituted with this technique had very similar optical properties to the native proteins. Fluorescence emission spectroscopy can then be used to study energy transfer from pigments to the reconstituted light-harvesting proteins.

You’ve just watched JoVE’s video on reconstitution of membrane proteins. Reconstitution is a way to transfer important proteins to a cell mimic for further investigation. This video covered the principles of protein reconstitution, a reconstitution protocol, and a few applications in biochemistry. Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Reconstitution of Membrane Proteins. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Video correlati