葡萄糖转运蛋白GLUT体结构的总结报告PPT

二、 转运 机制
• 当XylE处在向胞外开放时, Asp27很容易被质子化, 质子化的天冬氨酸 会引起与它相互作用的氨基酸残基侧链发生构象变化, 与此同时, 底 物分子(木糖)可以进入底物结合位点; 与蛋白结合的底物分子可以诱 导蛋白发生较大构象变化, 使蛋白从向胞外开放变成向胞内开放; 随 后底物从蛋白上结合位点脱离, Asp27也去质子化, 此时构象变得不稳 定, 蛋白恢复向胞外开放状态. 如果Asp27不能去质子化, 即使底物从 蛋白脱离也不能使蛋白完成空转, 将稳定在向胞内开放状态.而GLUT1 是一个协助转运蛋白(uniporter/facilitator),它就像一直处于质子 化状态下的质子共转运蛋白. 底物结合和释放已经可以起到诱导蛋白 构象变化的作用, 不需要质子参与.
更有意思的是, 研究发现一类只有 3次跨膜结构域的糖转运蛋白 SemiSWEET, 它们在细胞膜上可 能形成多聚体行使功能. 可能从进 化上来讲, MFS超家族蛋白是由3 次跨膜蛋白融合形成.除了跨膜结 构域外, 部分MFS超家族蛋白还具 有胞内结构域. 以XylE和GLUT1为 例, 在胞内区域还存在几个由-螺 旋组成的胞内结构域.螺旋中的多 个带电荷氨基酸残基会与跨膜结构 域上的氨基酸残基产生相互作用, 底物转运实验也已经证实这些位置 上的突变会影响转运. 进行序列比对发现, 这些氨基酸残基在所有的糖转运蛋白中都十分保守, 说明 这个结构域在该家族中保守, 并发挥重要功能
研究介绍 • 首先获得了GLUT1-4在大肠杆菌中的同源蛋白， XylE的结构。XylE在肠杆菌中负责将D-木糖以质 子依赖的方式同向转运进入细胞。它与人的 GLUT1-4蛋白有着高达50%的序列相似性，进化上 高度保守。细菌GLUT1–4同源物XylE分别与D-木 糖、D-葡萄糖和6-溴-6-脱氧-d-葡萄糖构成的三 种复合物的晶体结构，分辨率分别为2.8、2.9 和 2.6埃。其三维晶体结构中包含一个典型的由12个 跨膜片段和一个独特的四螺旋结构域构成的主要 协同转运蛋白超家族 (Major Facilitator Superfamily，MFS)折叠。 XylE被捕获在一个面向外（outward-facing）、 部分闭合的构象中。
• ( 1 ) G L U T 1 功能完全缺失将致死，功能部分 缺失会使细胞对葡萄糖吸收不足而导致大脑萎缩、 智力低下、发育迟缓、癲痫等系列疾病，同时也会 因葡萄糖不能及时为人体利用消耗而导致血糖浓度 的异常升高。 • ( 2 ) G L U T 1 在癌细胞的新陈代谢过程中也发 挥着重要功能。癌细胞需要消耗超量葡萄糖也需要 通过转运蛋白来摄取，才能维持其生长扩增，由此 引起GLUT1在细胞中显著过量往往意味着有癌变发 生。因此，如能研究清楚GLUT1的组成、结构和工 作机理，就有可能通过调控它实现葡萄糖转运的人 工干预，有可能达到治疗相关疾病的目的。
重点分析
• GLUT1的三维晶体结构呈现经典的MFS家族折叠 方式----12个跨膜螺旋组成N端和C端两个结构域。 两个结构域之间的腔孔朝向胞内区，即该结构呈 现向内开放构象。而在结晶中用到的去污剂头部 恰好是葡萄糖苷，其结合位点与此前XylE中观测 到的葡萄糖结合位点基本重合，证实了MFS家族 具有单一结合位点。有趣的是，GLUT1在胞内可 溶区还具有一个由4个α螺旋组成的结构域（简称 ICH），这一序列只在MFS中的糖转运蛋白亚家族 中(Sugar Porter subfamily)观察到，因此ICH是属 于该家族蛋白的特有结构特征。
这其中的原因可能是GLUT1各 种不同构象之间的能垒都较 低, 自由热运动就足以完成 构象变化, 即使没有底物存 在,GLUT1也处在一个高度动 态的状况下, 底物的出现便 能够诱导整个过程.GLUT1的 生理功能是维持细胞膜两侧 的葡萄糖浓度平衡当两侧葡 萄糖浓度等同时, GLUT1同样 可能对葡萄糖分子进行转运, 完成类似交换.
一、结构特征 • MFS 超家族转运蛋白的结构特征MFS超家族的成员蛋 白大多由400~600个氨基酸残基组成, N和C端都位于胞 内. 蛋白二级结构预测提示其大多具有12次-螺旋跨膜 结构域, 其他一些具有14或者24次-螺旋的则可能是进 化过程中以12次跨膜-螺旋为基础产生的. 这种独特的 折叠方式也被命名为“MFS fold”. 在“MFS fold”中, 12次 螺旋可以分为2个结构域: N端结构域和C端结构域. 每 个结构域都由6个-螺旋组成, 虽然2个结构域中氨基酸 序列只有很低的序列同源性, 但从结构上观察2个结构域 呈现二次赝对称(two-fold psudosymmetry).同时MFS 超家族蛋白的结构和序列分析提示可能存在3次跨膜重 复构成的特性, 结构和功能分析都支持MFS蛋白每个结 构域都是以3+3反转重复(inverted 3+3 repeats)的组成.
• 而从进化上讲, 对于哺乳动物这样的多细胞生物来说, 更多的是需要整个生命 体内部的稳态和平衡, 像GLUT1这样的协助转运蛋白更有利于个体的生存; 而 对于大肠杆菌这样的单细胞来说, 它们的生存环境本身充满了严酷的竞争, 像 XylE这样的共转运蛋白可以帮助他们从贫乏的外界摄取更多的营养物质.
研究介绍 • 在研究这些同家族糖转运蛋白的结构与机理过程 中，她们对于MFS家族的工作机理有了深入了解， 分析出GLUT1结晶的瓶颈在于高度动态、结构不稳 定。针对这一问题，她们寻找可以将GLUT1锁定于 某一构象的致病突变体，同时利用低温结晶进一 步稳定蛋白构象，终于克服了GLUT1重组表达、纯 化结晶的一系列技术障碍，获得了GLUT1的晶体结 构。
价值意义
• 1、提供的结构和生物化学信息可为了解葡糖糖转 运蛋白和糖转运蛋白的功能和机制提供重要的框 架。 • 2、这一结构模型由于是以具有高度同源的XylE蛋 白的晶体结构为基础，比以往研究报道的结果更 为准确。利用GLUT1的晶体结构可以精确地定位与 疾病相关的突变氨基酸，揭示其致病机理。 • 3、在人类攻克癌症、糖尿病等重大疾病的探索道 路上迈出了极为重要的一步。
葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构
宏观评述
一、背景介绍 二、研究介绍 三、价值意义
重点分析
一、结构特征 二、转运机制
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宏观评述
背景介绍
• 葡萄糖（D-glucose）是地球上包括从细菌到人类各种 生物已知最重要、最基本的能量来源，也是人脑和神 经系统最主要的供能物质。葡萄糖代谢的第一步就是 进入细胞：亲水的葡萄糖作为一种有机大分子不能自 由穿透疏水的脂质双层结构细胞膜进入细胞，其进出 细胞需要通过镶嵌于细胞膜上的葡萄糖转运蛋白 （glucose transporters）简称葡萄糖转运体（GLUT） 转运功能才能得以实现。其中一类属于主要协同转运 蛋白超家族（Major Facilitator Superfamily，简称 MFS）的转运蛋白是大脑、神经系统、肌肉、红细胞等 组织器官中最重要的葡萄糖转运蛋白（glucose transporters，简称GLUTs）。