Краткое описание характеристик некоторых трансмембранных белков.

Для работы были случайно отобраны из базы данных OPM три белка с альфа-спиралями и три белка с бета-листами, отвечающими за трансмембранное положение. Основные данные взяты из самой базы данных, расчет медианы проводился при помощи библиотеки SciPy на языке программирования Python. Результаты представленны в Таблице 1.

У трансмембранных бета-баррелей толщина гидрофобной части и число остатков в трансмембранном участке в целом значительно меньше, чем у трансмембранных альфа-спиралей. Это связано с тем, что число остатков в альфа-спиралях имеет минимальный порог для организации и поддержания структуры.

Отбор гомологов белка из pdb: 3ZE3

Был произведен поиск гомологов при помощи сервиса blastp по базе refseq с e-value 1. После этого из 3002 результатов отобрано 10 гомологов по организмам, наиболее далеким от исходного и\или максимально характеризующим филогенетические группы к которым принадлежат. Отдельно следует уточнить, что судя по результатам blastp последовательность белка из pdb 3ZE3 очень (действительно очень) консервативна, из-за чего и возможет выбор самых далеких из известных гомологов для создания репрезентативной выборки: они являются достаточно далекими для внесения информации о вариативности в последовательности, но в то же всемя остаются достаточно близкими для видимой гомологии. Резульат в fasta-формате.Иллюстрация филогенетического дерева некоторых организмов по данным сервиса EMBL представлена на Рис.1

Основная информация о белке KDGL_ECOLI из pdb: 3ZE5

На основе данных из OPM получено описание белка, представленное в Таблице 2. (рассмотрена структура 3ZE5, т.к. 3ZE3 не представлено в OPM).

Анализ множественного выравнивания трансмембранных белков

Для полученных гомологов проведено множественное выравнивание при помощи сервиса t-coffee, резульат выравнивания в fasta-формате.

Было произведено предсказание трансмембранных спиралей для гомологичного белка из организма Salmanela bongori при помощи сервиса TMHMM Результат представлен в Таблице на Рис.2 и на Рис.3. Множественное выравнивание предсталвено на Рис.3 со схемой расскарски по гидрофобности (Hydrophobicity: гидрофобные остатки показаны красным цветом) с интенсивностью по консервативности позиции (порог: 30%). Дополнительно в полях TM_REAL и TM_PREDICTED буквой М отмечены трансмембранные участи реальные у E.coli и предстказанные у S.bongori соответственно. Трехмерная структура белка KDGL_ECOLI представлена на Рис.4, раскрашена цепь B, схема раскраски соответствует Рис.3, часть белка ориентированая в n-сторону мембраны (в сторону цитоплазмы) расположена сверху.

# gi|445925046|Salmonella Length: 122
# gi|445925046|Salmonella Number of predicted TMHs:  2
# gi|445925046|Salmonella Exp number of AAs in TMHs: 49.4591
# gi|445925046|Salmonella Exp number, first 60 AAs:  10.34369
# gi|445925046|Salmonella Total prob of N-in:        0.84048
# gi|445925046|Salmonella POSSIBLE N-term signal sequence
gi|445925046|Salmonella	TMHMM2.0	inside	     1    56
gi|445925046|Salmonella	TMHMM2.0	TMhelix	    57    79
gi|445925046|Salmonella	TMHMM2.0	outside	    80    98
gi|445925046|Salmonella	TMHMM2.0	TMhelix	    99   121
gi|445925046|Salmonella	TMHMM2.0	inside	   122   122

Как видно на Рис.3 участки, относящиеся к трансмембранным спиралям имеют явно консервативные позиции и качественно похожее ( по гидрофобности) окружение. В этих участках часто встречаются аминокислоты: валин, аланин, лейцин, а так же серин. В межспиральном участке наблюдаются как консервативные, так и не консерванитвные участки. В самих спиралях при этом есть консервативные заряженные остатки (аргинин), которые возможно выполняют какую-либо функциональную роль.
При этом наблюдается совпадение предсказания TMHMM и реальной трансмембранной организации, там где оно произошло. Один из участков предсказан полностью, другой не полно, третий не предсказан совсем. Возможно третий участкок не достаточно явно функционально выражен для надлежащего предсказания.

Увеличим клетку до размеров дыни. С чем можно сравнить толщину мембраны?

Дыни имеют размер от 18-20 см в длину около 14 см в диаметре. Опишем дыню, как шар шар диаметра 16 см. Для сравнения возьмем среднюю эукариотическую клетку: её размер - 10-50 мкм. Положим размер равным 30 мкм. Толщина мембраны составляет - 7-8 нм. Тогда толщина мембраны клетки размера дыни будет: (7.5*10^(-9) * 16*10^(-2))/30*10^(-6) м = 4*10-5 м. Мембрану такой толщины можно сравнить со слоем толщиной в одну среднюю эукариотическую клетку.

Проверка правила "positive inside" для трансмембранных белков

Для белка KDGL_ECOLI проверку правила positive inside для трансмембранных белков (часть белка, расположенная с n-стороны от мембраны, содержит больше положительно заряженных остатков) можно сделать по выравниванию, представленному на Рис.3, т.к. организация структуры выглядит так: всё что не трансмембраннно, находится с n-стороны. Как видно из Рис.3, положительно заряженные аминокислоты встречаются на протяжении всей цепи белка, но все же их больше не в трансмембранной зоне,т.е. согласно рассматриваемой структуре (3ZE5) их больше с n-стороны от мембраны. Получается для данного белка правило выполняется.

Проверка работы сервиса, предсказывающего ТМ бета-баррель по последовательности

Для предсказания исползован сервис PRED-TMBB. Для работы выбран белок OprH (pdb 2lhf) из Pseudomonas aeruginosa. Средствами ПО blast найден гомолог из Pseudomonas stutzeri: мембранный белок ref|YP_001170938.1. Далее сервисом PRED-TMBB проведено предсказание для обоих белков. Как видно из Рис.5 и Рис.6 сервис не очень точно предсказал организацию Oprh (перепредсказал некоторые участки, и сдвинул трансмембранные области по сравнению с известной сруктурой) при этом у гомолога участки предсказаны сравнительно верно, но довольно скудно.

Проверка гипотезы, что остатки бета-барреля, обращенные в мембрану, гидрофобны

Для работы выбран белок OprH (pdb 2lhf) из Pseudomonas aeruginosa. При помощи сервиса Sheep оплучена карта расположения на правления остатков.

Как видно из Рис.8, в целом, гипотеза верна: остати бата-барреля, обращеные в мембрану, гидрофобны. При этом наблюдаютя некоторые исключения, возможно вызванные функциональной особенностью.