Особенности трансмембранных белков

Трансмембранные альфа-спирали и бета-баррели

Из базы анных OPM было отобрано несколько мембранных белков двух типов: содеражщих трансмембранные альфа-спирали или бета-барели. Данные о них приведены в таблице 1.

Таблица 1. Описание трансмембранных белков с известной 3D структурой

PDB код	Тип (спираль, баррель)	Какая мембрана (внутренняя или внешняя, организм, органелла)	Толщина гидрофобной части мембраны в ангстремах	Медиана числа остатков в одном трансмембранном участке
4dkl	спираль	плазматическая мембрана эукариот (Mus musculus)	25.4 ± 1.3 A	24
3rlb	спираль	мембрана Грам-положительных бактерий (Lactococcus lactis)	30.8 ± 1.8 A	18
1l9b	спираль	внутренняя мембрана Грам-отрицатеьных бактерий (Rhodobacter sphaeroides)	31.6 ± 0.8 A	20
3csl	баррель	внешняя мембрана Грам-отрицательных бактерий (Serratia marcescens)	25.4 ± 1.3 A	8
1uyn	баррель	внешняя мембрана Грам-отрицательных бактерий (Neisseria meningitidis)	25.3 ± 1.3 A	9
1i78	баррель	внешняя мембрана Грам-отрицательных бактерий (Escherichia coli)	26.5 ± 1.6 A	9

Из таблицы видно, что медиана числа остатков в одном трансмембранном участке ниже для бета-баррелей, в то же время для них стабильнее толщина гидрофобной части.

Поиск гомологов заданного белка

Дана 3D-структура 2YVX (AC Q5SMG8). Это структура магниевого транспортера E (Magnesium transporter MgtE) бактерии Thermus thermophilus. Поиск гомологов производился с помощью blastp по базе данных Refseq с пороговым значением e-value = 0.01. Последовательно был запущен поиск по следующим таксонам: Firmicutes, Proteobacteria, Verrucomicrobia, Tenericutes, Archae, Eukarya. Хорошие гомологи находились по большей части среди бактерий, среди высших эукариот таковых не было вообще. Из каждого таксона было взято по 1-3 последовательности.

Анализ структуры выданного белка

Белок MgtE присутсвует в бактериальных мембранах в виде димеров. Каждый мономер состоит из трех доменов:

Трансмембранный домен (5 мембранных α-спиралей, TM домен)
N-концевой цитоплазматический домен (N домен)
Удвоенный домен цистатион-β-синтазы (CBS домен)

Цитоплазматическая часть белка связана с мембранной через линкерную α-спираль (рис. 2).
Транспоретер работает по принципу отрицательной обратной связи: когда в клетке мало ионов магния, он открыт, когда их много - они связываются с линкерными спиралями и блокируют транспорт (рис. 2).


		Рисунок 1. Струткра димера белка MgtE в мембране согласно базе данных OPM (слева), та же структура с указанием доменов (в центре) и схема работы белка (справа).

Информация о рассматриваемом из баз OPM и TCBD представлена в таблице 2.

Таблица 2. Описание трансмембранного белка магниевого транспортера E (идентификатор PDB 2YVX, цепь А)

PDB ID	Организм	Тип мембраны	TC-код	Угол наклона спиралей к нормали	Количество трансмембранных спиралей
2YVX	Thermus thermophilus	Внутренняя мембрана Грам-отрицательных бактерий	1.A.26.1.2	19°	5

Расшифровка ТС-кода:

1 - каналы
1.A - каналы α-типа
1.A.26 - магниевые транспортеры E-типа (MgtE)
1.A.26.1.2 - магниевый канал MgtE бактерий

Анализ множественного выравнивания трансмембранных белков

Множественное выравнивание выбранных гомологичных белков было построено программой Muscle и визуализировано в программе JalView. Исходная последовательность (верхняя строка выравнивания) была проассоциирована со своей 3D-структурой, все выравнивание было окрашено по гидрофобности с порогом консервативности 10%.

Рисунок 2. Струтура мономера исходного белка с раскрасокй по гидрофобности (порог консервативности 10) (слева), предсказание расположения трансмембранных спиралей (красные) в последовательности гомолога по результатам работы программы TMHMM (справа).

Была добавлена строка описания TM_REAL, в которой отображены трансмембранные альфа-спирали исходной последовательности. Затем с помощью программы TMHMM было предсказано расположение трансмембранных альфа-спиралей в последовательности гомолога исходного белка из организма Spiroplasma diminutum (нижняя строка выравнивания). По полученным координатам была добавлена строка TM_PREDICTED, отображающая предсказанные трансмембранные спирали. Результаты показаны на рисунках 2 и 3.

Рисунок 3. Множественное выравнивание гомологов белка 2YVX с раскраской по гидрофобности и порогом консервативности 10%.

Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы:

Участки относящиеся к трансмембранным спиралям белков MgtE достаточно консервативны, в них чаще всего встречаются остатки лейцина, валина и изолейцина, что естественно, так как именно эти аминокислоты гидрофобны. Есть очень консерватинвые позиции глицина.
Участки, относящиеся к цитоплазматическим доменам гораздо менее консервативны, в некоторых последовательностях отсутствуют вовсе. Участки непосредственно между трансмембранными спиралями (повороты) достаточно консервативны.
В трансмембранных спиралях есть консервативные отстатки полярных аминокислот (например, глутамина и серина). Полярные остатки в спиарлях, видимо, нужны для правильной работы канала (закрытия/открытия, связывания ионов магния).
Программа TMHMM не предположила наличие лишних трансмембранных спиралей и не пропустила ни одной из существующих. Предсказанные спирали смещены относительно реальных в ту или иную сторону где-то на 10-20 нуклеотидов (Табл. 3). Такое смещение естественно, ведь рассматриваемый вид принадлежит к другому такосну, и такое различие могло легко возникнуть в результате эволюции.

Таблица 3. Сравнение координат трансмембранных альфа-спиралей.

2YVX (TM_REAL)		Гомолог (TM_PREDICTED)
Начало	Конец	Начало	Конец
277	306	291	313
319	336	323	345
355	381	375	394
388	412	409	431
424	443	451	473