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Biochemistry
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Reconstitution of Membrane Proteins
  • 00:00Overview
  • 01:03Principles of Membrane Protein Reconstitution
  • 03:46Protocol for Reconstitution of Membrane Proteins in Liposomes
  • 05:13Applications
  • 06:33Summary

막 단백질의 재구성

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Overview

재구성은 고립 된 생체 분자를 원래의 형태 또는 기능으로 되돌리는 과정입니다. 이것은 중요한 세포 기능을 가능하게 하고 가까운 지질의 행동에 영향을 미치는 막 단백질을 공부하기 위해 특히 유용합니다. 정수막 단백질의 기능을 연구하려면 인공 지질 막에 통합하여 재구성해야합니다.

이 비디오는 세제를 이용한 단백질 분리, 지질을 이용한 인공 소포 형성, 고립된 단백질을 인공 소포에 통합, 용액으로부터 세제분리와 같은 막 단백질 재구성 개념 및 관련 절차를 소개합니다. 마지막으로, 두 가지 응용 프로그램이 적용됩니다: 막 수송 단백질의 재구성 및 빛 수확 단백질의 재구성.

재구성은 고립 된 생체 분자를 원래의 형태 또는 기능으로 복원하는 과정입니다. 이 접근법은 많은 중요한 세포 과정을 가능하게 하고 이웃 지질의 행동에 영향을 미치는 막 단백질을 공부할 때 수시로 이용됩니다. 그러나, 세포 환경의 복잡성은 막 단백질 기능을 시상에서 공부하기 어렵게 만듭니다. 단백질은 추출하고 정제될 수 있습니다, 그러나 그들의 실제 기능은 막 없이 평가될 수 없습니다. 따라서, 고립된 막 단백질은 리포솜과 같은 인공 지질막으로의 통합에 의해 재구성된다. 이 비디오는 막 단백질 재구성의 원리, 일반적인 재구성 절차 및 생화학에 있는 몇몇 응용을 소개할 것입니다.

세포막은 주로 인지질및막 단백질로 구성됩니다. 인지질은 성수기 인산염 머리가 세포의 수성 내부 및 외부와 상호 작용하는 이중 층을 형성하고 소수성 지방산 꼬리는 이중 층에서 서로 상호 작용합니다.

일부 멤브레인 단백질은 정전기 또는 비동적 상호 작용에 의해서만 멤브레인과 상호 작용합니다. ‘일체성 단백질’이라고 불리는 다른 사람들은 지질 이중층에 내장되어 있습니다.

이중 층처럼, 일체형 단백질은 소수성 끝과 소수성 센터를 가지고 있으며, 소수성 상호 작용에 의해 제자리에 개최됩니다. 전체 막에 걸친 일체형 단백질은 ‘막 단백질’로 알려져 있습니다.

이 단백질과 막 사이 상호 작용은 세포를 lysing조차 그(것)들을 분리하지 않을 것이라는 것을 너무 강합니다. 세제라는 특수 계면 활성제는 단백질을 추출하는 데 사용됩니다. 인지질과 마찬가지로 세제는 친수성 머리와 지혈성 꼬리를 가지고 있으며 멤브레인을 자유롭게 입력 할 수 있습니다.

막 안쪽에서는 세제의 리포필성 꼬리가 소수성 단백질 코어와 상호 작용합니다. 이것은 단백질 지질 상호 작용을 방해하는 친수성 세제 헤드의 껍질로 단백질을 포위합니다.

단백질 세제 복합체는 이제 막에서 쉽게 분리됩니다. 세제는 수성 용액에서 복잡한 용해성으로 용해되고 인공 멤브레인에서 재구성 할 준비가되어 있습니다.

단백질은 인공 소포인 리포솜의 막에서 종종 재구성됩니다. 지질을 준비하기 위해 말린 지질은 수분을 공급하고 교반하여 소포 형성을 유도합니다. 세제를 첨가하면 리포솜 막에 통합됩니다.

단백질을 재구성하기 위해 용윤화된 단백질과 리포솜이 결합된 다음 투석 또는 화학 흡착에 의해 용액에서 세제를 제거합니다. 단백질과 리포솜은 프로테오올리포좀으로 빠르게 조립되므로 친수성 그룹만 노출됩니다. 단백질은 그 때 세포막에서 와 같이 작동하고, 격리에서 조사될 수 있습니다.

이제 우리는 단백질 재구성의 기초를 다루었으니, 리포솜에서 막 단백질을 재구성하기 위한 프로토콜을 살펴보겠습니다.

막 단백질을 격리하기 시작하려면 세포가 lysed됩니다. 끊어지지 않은 세포는 원심분리로 제거됩니다.

상체는 멤브레인을 펠릿하는 더 빠른 속도로 원심분리됩니다. 펠릿은 다시 중단되고 단백질을 추출하기 위해 세제가 추가됩니다.

나머지 세포 파편은 추가 원심분리에 의해 제거됩니다. 단백질은 열 크로마토그래피로 상체에서 정제된 다음 필요에 따라 더 농축또는 정제됩니다.

리포솜을 준비하기 시작하려면 유기 용매에서 인지질을 현탁하는 것이 질소 또는 아르곤 하에서 건조됩니다.

인지질은 수분 공급 버퍼로 수화되고, 혼합물은 리포솜 생성을 완료하기 위해 초음파 처리된다.

세제는 리포솜을 용해시키기 위해 첨가되며, 이는 단백질과 결합됩니다.

그런 다음 세제는 폴리스티렌 구슬, 투석 또는 세제 결합 컬럼에 흡착하여 제거됩니다. 결과 프로테오폴좀은 정제되어 후속 실험에 사용될 준비가 되어 있습니다.

이제 막 단백질 재구성 절차의 기본 사항에 익숙해지면 생화학에서 단백질 재구성의 몇 가지 응용 을 살펴 보겠습니다.

막 수송 단백질은 그것의 수송 기계장치의 명확한 이해를 얻기 위하여 재구성되었습니다. 그 기능 사후 재구성은 요오드 이온의 효능으로 확인되었다. 이어서, 수송 활성은 다양한 소분자 이온 채널 억제제 및 전위제의 존재에서 연구되었다. 이런 식으로, 수송 단백질을 가진 이 작은 분자의 직접적인 상호 작용은 공부될 수 있었습니다.

식물에서 엽록소및 카로티노이드 결합 막 단백질은 빛을 수확하고, 전하 분리를 촉진하고, 광 손상을 완화합니다. 이러한 빛 수확 단백질을 재구성함으로써 접이식 역학및 안료와의 상호 작용을 연구할 수 있습니다. 이 기술로 재구성된 빛 수확 단백질은 토착 단백질과 매우 유사한 광학 적 특성을 가지고 있었습니다. 형광 방출 분광법은 그 때 재구성된 광 수확 단백질에 안료에서 에너지 전송을 연구하기 위하여 이용될 수 있습니다.

막 단백질의 재구성에 대한 JoVE의 비디오를 방금 시청했습니다. 재구성은 추가 조사를 위해 중요한 단백질을 세포 모방세포로 옮기는 방법입니다. 이 비디오는 단백질 재구성의 원리, 재구성 프로토콜 및 생화학에 있는 몇몇 응용을 다루었습니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

Procedure

재구성은 고립 된 생체 분자를 원래의 형태 또는 기능으로 되돌리는 과정입니다. 이것은 중요한 세포 기능을 가능하게 하고 가까운 지질의 행동에 영향을 미치는 막 단백질을 공부하기 위해 특히 유용합니다. 정수막 단백질의 기능을 연구하려면 인공 지질 막에 통합하여 재구성해야합니다. 이 비디오는 세제를 이용한 단백질 분리, 지질을 이용한 인공 소포 형성, 고립된 단백질을 인공 소포에 통합, 용액으?…

Disclosures

No conflicts of interest declared.

Transcript

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!

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

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