Особенности мембранных белков

В этом задании мы будете работать с отобранными мембранными белками, у которых мембранная часть представляет собой одну или несколько α-спиралей или β-баррель. Мы будем говорить о белке 3V5S. Статья о белке. PDB файл. 

>3V5S:A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
MVILGVGYFLLGLILLYYGSDWFVLGSERIARHFNVSNFVIGATVMAIGTSLPEILTSAYASYMHAPGISIGNAIGSCIC
NIGLVLGLSAIISPIIVDKNLQKNILVYLLFVIFAAVIGIDGFSWIDGVVLLILFIIYLRWTVKNGSAEIEENNDKNNPS
VVFSLVLLIIGLIGVLVGAELFVDGAKKIALALDISDKVIGFTLVAFGTSLPELMVSLAAAKRNLGGMVLGNVIGSNIAD
IGGALAVGSLFMHLPAENVQMAVLVIMSLLLYLFAKYSKIGRWQGILFLALYIIAIASLRMGGGSLVPRGSRSHHHHHHH

Описание трансмембранных белков с известной 3D структурой

Для трех трансмембранных бета-баррелей и трех трансмембранных альфа-спиральных белков определим несколько параметров, перечисленных в Таблице 1. Будем использовать базу данных OPM или PDBTM. Толщину гидрофобной части мембраны можно измерить в Jmol (правая кнопка мыши => measure => distance). Можно использовать информацию о толщине гидрофобной части мембраны из БД OPM. Дополнительные данные об этих же белках (включая их коды TC) можно найти в базе данных TCBD.

Таблица 1. Описание трансмембранных белков с известной 3D структурой

PDB код

Тип

Мембрана

Толщина гидрофобной части мембраны в ангстремах

Медиана числа остатков в одном трансмембранном участке

3V5S

спираль

Мембрана археи, Methanococcus jannaschii

29.6 ± 1.6 A

20

2WSW

спираль

Внутренняя мембрана, Proteus mirabilis

29.8 ± 0.5 A

17

3L1L

спираль

Внутренняя мембрана, Escherichia coli

28.8 ± 1.4 A

17

4EPA

баррель

Трансмембранный, Yersinia pestis

23.6 ± 0.8 A

7

3PIK

баррель

Внешняя мембрана, Escherichia coli

24.3 ± 1.2 A

10

1osm

баррель

Внешняя мембрана, Klebsiella pneumoniae

24.0 ± 1.1 A

7

Отбор гомологов белка 3V5S

Осуществим поиск BLAST, в качестве исходной последовательности используя структуру белка 3V5S. При этом следует немного изменить параметры программы. Итоговый запуск: увеличим максимальное количество хитов (max target hits), которые будет искать программа, со стандартных 100 до 5000. В поле Organism введем название филума - Euryarchaeota, и выставим галочку напротив "Exclude", тем самым запретим BLAST выдавать сходные белки из того же филума. Добавим еще одно поле Organism, щелкнув на "+" справа от первого поля; аналогичным образом исключим из поля поиска всех эукариот (Eukaryota). Порог e-value оставим пока высоким - e-value = 9e-05. В качестве базы данных используем RefSeq - крупную базу данных, где представлены полные геномы.
Отдельно так же запустим поиск только по филуму Eukaryota с теми же параметрами.
Результаты поиска гомологов представлены в табл.2.

Табл. 2. Организмы из разных таксонов, в которых присутствует структуру белка 3V5S или его гомологи
Домен Филум/Царство Название организма protein_id (RefSeq)
Archaea •Nitrosopumilales Nitrosopumilus sp. SJ WP_016939661.1
•Sulfolobales Acidianus hospitalis W1 YP_004458682.1
Bacteria •Clostridiales Ruminococcus lactaris WP_023920887.1
•Nitrospinales Nitrospina gracilis WP_005010845.1
•Spirochaetales Leptonema illini WP_002770140.1
•Vibrionales Vibrio ichthyoenteri WP_006713555.1
•Oscillatoriales Lyngbya aestuarii WP_023066898.1
•Actinomycetales Nesterenkonia alba WP_022873569.1
Eukaryotes •Mammalia Mus musculus NP_444425.1
•Insecta Drosophila melanogaster NP_001247213.1
•Eurotiale Aspergillus oryzae RIB40 XP_001821870.1
•Chlorophyta Ostreococcus tauri XP_003079066.1
•Coscinodiscophyceae Thalassiosira pseudonana CCMP1335 XP_002290483.1

FASTA-файл с последовательностями отобранных гомологов.

Анализ структуры белка 3V5S

В базе данных OPM найдем информацию о белке 3V5S. ТС-код можно найти на сайте TCBD. Полученный данные представлены в табл.3.

Таблица 3. Описание структуры трансмембранного белка Sodium/Calcium Exchanger from Methanococcus jannaschii (идентификатор PDB 3V5S, цепь A)

PDB ID

Организм

Тип мембраны

ТС-код

Угол наклона спиралей (α-тяжей) к нормали

Количество трансмембранных спиралей

3V5S

Methanococcus jannaschii

Archaebacterial membran

2.A.19.5.3

1 ± 2°

10

Для начала объясним, как строится TC-код:
обычно он состоит из пяти компонентов следующим образом: VWXYZ,
где V - (число) соответствует классу транспортера;
W (БУКВА) соответствует подклассу транспортера, который в случае первичных активных переносчиков относится к источнику энергии, используемой для управления транспортом;
X (число) соответствует семье транспортера (иногда на самом деле надсемейству);
Y (число) соответствует подсемейству, в котором находится транспортер,
а Z соответствует определенному транспортеру с определенным субстратом.

Опишем, что означают для белка 3V5S каждое из полей его TC-кода 2.A.19.5.3
2: Electrochemical Potential-driven Transporters

Вторичные переносчики операторского типа. Транспортные системы включены в данную категорию, если они используют перевозчико-опосредованный процесс для катализа унипорта, антипорта и / или симпорта.

2.A Porters (унипортеры, симпортеры, антипортеры)
2.A.19 The Ca2+:Cation Antiporter (CaCA) Family

Антипорт — два или более вещества транспортируются в противоположных направлениях в результате тесно связанного процесса, который не связан напрямую ни с одной из форм энергии, кроме хемиосмотической.

Анализ множественного выравнивания трансмембранных белков

Выравним последовательности гомологов трансмембранного белка 3V5S в программе MUSCLE и загрузим полученное выравнивание в программу JalView (см. рис.1).
Выберем цветовую схему (в меню Colour), которая позволит визуально различать гидрофобные и гидрофильные остатки (Hydrophobicity: гидрофобные остатки выделены красным цветом).

Рис.1 Выравнивание гомологов белка 3V5S

Порог by Conservation - 25%

(Полное изображение выравнивания доступно при клике на картинке)


На рис.1 в строке аннотации "TM_REAL" помечены участки выравнивания, отвечающие трансмембранным спиралям в белке 3V5S буквой "М". Для последовательности гомолога WP_022873569.1 получено предсказание трансмембранных спиралей, выдаваемых программой TMHMM. В строке аннотации "TM_PREDICTED" помечены буквой "М" участки, предсказанные TMHMM.

Рис.2 Структура белка 3V5S

Белок расположен так, чтобы его часть, ориентированная в n-сторону мембраны оказалась сверху, а ориентированная в p-сторону - снизу.

(Увеличенное изображение доступно при клике на картинке)


Заметим из рис.1 и рис.2, что участки, относящиеся к трансмембранным спираляи достаточно консервативны. Чаще всего встречаются неполярные остатки. Трансмембранные участки действительно в основном из гидрофобных остатков.
Самые консервативные позиции:

Критерии отбора в консервативные позиции - менее 3-ех замен в позиции, причем замены не сильно отличаются функционально. Или более 2-ух замен, но консервативны функционально (полярные/неполярные).

В то время как в участках между спиралями не наблюдается консервативности.

Посмотрим, насколько совпадают нанесения результатов программы TMHMM и реальной структурной информации на выравнивания.

Отличия результатов TMHMM (поле TM_PREDICTED) от реальной структуры (TM_REAL)

(координаты представлены по белку WP_022873569.1)

В остальном предсказанная вторичная структура очень хорошо коррелируется с реальной.

© Nuzhdina Ekaterina, 2012