Мембранные белки

Описание трансмембранных участков белков

Для нескольких трансмембранных белков, имеющих разную архитектуру трансмембранных участков, были определен ряд параметров (Таблица 1) при помощи БД (ОМР - Orientations of Proteins in Membranes).

PDB код	Название белка	Тип (спираль, баррель)	Какая мембрана (внутренняя или внешняя, организм, органелла)	Толщина гидрофобной части мембраны в ангстремах	Медиана числа остатков в одном трансмембранном участке
1xio	Сенсорный родопсин из Nostoc sp.	спираль	Внутренняя мембрана Грам-отрицательных бактерий	31.9 ± 1.5	22
2m6b	Человеческий рецептор глицина	Спираль	Эукариотическая плазматическая мембрана	26.8 ± 0.3	19
4bgn	Потенциал-чувствительный натриевый канал из Caldalkalibacillus thermarum	Спираль	Плазматическая мембрана Грам-положительных бактерий	27.0 ± 0.3	20,5
1bxw	OMPA из E. coli	Баррель	Внешняя мембрана Грам-отрицательных бактерий	25.4 ± 1.9	9,5
1uun	Порин MspA из Mycobacterium smegmatis	Баррель	Внешняя мембрана Грам-положительных бактерий	40.7 ± 2.1	9,5
2jk4	Человеческий потенциал-зависимый анионный канал	Баррель	Внешняя мембрана митохондрий	23.4 ± 2.3	7,9

Таблица 1. Описание трансмембранных белков с известной 3D структурой.

Трансмембранный белок 3QBG

Белок с PDB кодом 3QBG, является трансмембранным белком - галородопсином из археи Natronomonas (Рис 1).

Рис 1А. Структура галородопсина, вид сбоку. n-сторона сверху. Молекулы детергента показаны серым цветом. Рис 1Б. Структура галородопсина, вид сверху (с n-стороны).

Основания информация галородопсин суммирована в таблице 2. Часть информации была получена при помощи сервиса РРМ для галородопсина.

PDB код	Название белка	Организм	ТС-код	Тип (спираль, баррель)	Тип мембраны	Толщина гидрофобной части мембраны в ангстремах	Угол наклона спиралей к нормали	Медиана числа остатков в одном трансмембранном участке
3QBG	Галородопсин	Natronomonas pharaonis	3.E.1.2.2	7 cпиралей	-	34.0 ± 1.0	1.± 1	22,3

Таблица 2. Информация о белке 3QBG.

При помощи сервиса РРМ, по PDB структуре 3QBG были получены орентированные изображения галородопсина в мембранном бислое (Рис. 2).

Рис 2А. Структура галородопсина, вид сбоку. n-сторона сверху. Молекулы детергента показаны серым цветом. Рис 3Б. Структура галородопсина, вид сверху (с n-стороны). Поверхность мембраны показана синим и красным слоями.

В том же сервисе была получена разметка трансмембранных участков одной из трех субъединиц. Всего белок имеет 7 трансмембранных спиралей.

Transmembrane_secondary_structure_segments:
A  	1(31-55),2(68-89),3(121-138),4(149-173),5(174-195),6(213-234),7(243-264)

Поиск гомологов галородопсина 3QBG

При помощи blastp против БД RefSeq, с исключением домена Archaea, была создана репрезентативная выборка гомологов 3QBG. Последовательности гомологов были выровнены программой Muscle (Выравнивание).

Анализ множественного выравнивания

С выравниванием (с последовательностью галородопсина) была ассоциирована пространственная структура. Ориентируясь на структуру, в последовательности были размечены трансмембранные участки спиралей (выравнивание, аннотация TM_REAL_Halorhodopsin).

Далее, случайно был выбран гомолог галородопсина - опсин из Sordaria macrospora. Для него при помощи сервиса TMHMM были предсказаны трансмембранные участки, на основании последовательности белка (Таблица 3).

# XP_003349330.1_opsin Length: 307
# XP_003349330.1_opsin Number of predicted TMHs:  7
# XP_003349330.1_opsin Exp number of AAs in TMHs: 147.575
# XP_003349330.1_opsin Exp number, first 60 AAs:  13.23681
# XP_003349330.1_opsin Total prob of N-in:        0.24571
# XP_003349330.1_opsin POSSIBLE N-term signal sequence
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	outside	     1    48
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	TMhelix	    49    71
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	inside	    72    77
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	TMhelix	    78   100
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	outside	   101   134
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	TMhelix	   135   152
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	inside	   153   156
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	TMhelix	   157   176
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	outside	   177   185
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	TMhelix	   186   208
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	inside	   209   220
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	TMhelix	   221   243
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	outside	   244   252
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	TMhelix	   253   275
XP_003349330.1_opsin	TMHMM2.0	inside	   276   307

Таблица 3. Предсказание трансмембранных участков сервисом TMHMM для опсина из Sordaria macrospora.

Рис. 3. Графическое представление предсказаний трансмембранных участков для опсина в TMHMM. Спирали соответствуют областям красных пиков.

Предсказанные трансмембранные участки были размечены на множественном выравнивании (выравнивание, аннотация TM_PREDICTED_opsin).
Как видно, участки спиралей кажутся немного сдвинутыми относительно друг-друга, однако значительно перекрываются и нигде не перекрываются с соседними выделеными регионами.
Для проверки правильности предсказаний сервисом TMHMM аналогичная операция была проделана с самим галородопсином (Таблица 4).

# WEBSEQUENCE Length: 291
# WEBSEQUENCE Number of predicted TMHs:  7
# WEBSEQUENCE Exp number of AAs in TMHs: 151.9029
# WEBSEQUENCE Exp number, first 60 AAs:  22.15864
# WEBSEQUENCE Total prob of N-in:        0.00027
# WEBSEQUENCE POSSIBLE N-term signal sequence
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	outside	     1    31
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	TMhelix	    32    54
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	inside	    55    65
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	TMhelix	    66    88
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	outside	    89   119
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	TMhelix	   120   142
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	inside	   143   148
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	TMhelix	   149   171
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	outside	   172   176
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	TMhelix	   177   196
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	inside	   197   215
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	TMhelix	   216   238
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	outside	   239   247
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	TMhelix	   248   267
WEBSEQUENCE	TMHMM2.0	inside	   268   291

Таблица 4. Предсказание трансмембранных участков сервисом TMHMM для галородопсина 3QBG из Natronomonas pharaonis.

Рис. 4. Графическое представление предсказаний трансмембранных участков для галородопсина в TMHMM. Спирали соответствуют областям красных пиков.

На множественном выравнивании были отмечены указанные участки (выравнивание, аннотация TM_PREDICTED_Halorhodopsin).
Как видно, участки всех трех разметок хорошо повторяют друг-друга. Более того, нигде не происходит перекрывания соседних трансмембранных участков. Из этого можно сделать вывод о том, что сервис TMHMM хорошо предсказывает трансмембранные участки.

Далее, выравнивание было раскрашено на гидрофобные аминокислоты с порогом консервативности 34%. Как видно из выравнивания, консервативные блоки гидрофобных аминокислот отлично совпадают с размеченными трансмембранными спиралями. Эта закономерность хорошо иллюстрируется пространственной структурой субъединицы А белка, к которой применена таже цветовая схема (Рис. 5).

Рис. 5. Структура субъединицы белка 3QBG. n-сторона сверху. Консервативные гидрофильные аминокислоты выделены синим цветом, Консервативные гидрофобные,- красным. Остальная структура - серая.

Как видно (Рис. 5), консервативные гидрофобные аминокислоты локализуются только в трансмембранной части белка. Это важно для устойчивости белкового комплекса в гидрофобном окружении липидного бислоя.


Рис 1А. Структура галородопсина, вид сбоку. n-сторона сверху. Молекулы детергента показаны серым цветом.	Рис 1Б. Структура галородопсина, вид сверху (с n-стороны).


Рис 2А. Структура галородопсина, вид сбоку. n-сторона сверху. Молекулы детергента показаны серым цветом.	Рис 3Б. Структура галородопсина, вид сверху (с n-стороны). Поверхность мембраны показана синим и красным слоями.