Описание трансмембранных белков с известной 3D-структурой

PDB ID	Тип	Организм и тип мембраны	Толщина гидрофобной части мембраны, Å	Медиана числа остатков в одном трансмембранном участке
3RKO	спираль	Escherichia coli, внутренняя мембрана грамотрицательных бактерий	29.6	20
3J08	спираль	Archaeoglobus fulgidus, мембрана архей	27.6	17
1LGH	спираль	Rhodospirillum molischianum, внутренняя мембрана грамотрицательных бактерий	29.7	20.5
2FGQ	баррель	Comamonas acidovorans, внешняя мембрана грамотрицательных бактерий	25.0	8
1UYN	баррель	Neisseria meningitidis, внешняя мембрана грамотрицательных бактерий	25.3	9
1I78	баррель	Escherichia coli, внешняя мембрана грамотрицательных бактерий	26.5	9

Отбор гомологов

Будем искать гомологи белка c PDB ID 3J08 (в UniProt это COPA_ARCFU). Он из археи Archaeoglobus fulgidus, которая принадлежит к филуму Euryarchaeota, поэтому эту группу мы из поиска исключаем. Будем искать через PSI-BLAST по базе swissprot. Проведено 5 итераций с ограничением в 500 хитов и e-value 1e–10. Из получившихся в итоге 399 результатов большая часть имела покрытие выравнивания 75-90%. Выравнивания, покрывавшие менее 70% запроса, были удалены (всего около 40 находок), поскольку для выравнивания такие обрывки годятся слабо.

Через выдачу GenBank из оставшихся 366 белков были отобраны находки: 5 из эукариот (человек, дрозофила, посевной рис, дуналиелла, дрожжи) и 5 из прокариот (кишечная палочка, Agrobacterium tumefaciens, Bacillus anthracis, Streptomyces coelicolor, Nostoc sp.). При отборе я оставлял белки, у которых в названии упомянуты протонные или катионные АТФазы (такими были почти все), и старался представить наибольшее разнообразие в пределах больших групп эукариот и прокариот.

Последовательности отобранных гомологов были сохранены в файл homologs.fasta.

Анализ структуры выданного белка

Поскольку белок один, то заполнение таблицы явно излишне. Белок имеет PDB ID 3J08. Он из археи Archaeoglobus fulgidus, соответственно, мембрана архейного типа. Наклон спиралей к нормали: 29°, всего их две (в двух цепях, A и B, симметричны). Белок называется CopA (Copper efflux ATPase), то есть это АТФ-зависимая помпа ионов меди. Структура отсутствует в базе TCBD, однако поиском можно найти, что TC-код для этого типа АТФазы — 3.A.3.5.7 (3: белки главного активного транспорта; 3.A: транспортеры, работающие на энергии гидролиза дифосфатной связи; 3.A.3: P-АТФазы; 3.A.3.5: АТФазы, связанные с ионами меди и серебра).

Анализ множественного выравнивания

Выравнивание построено с помощью Muscle:

muscle < homologs.fasta > homologs_aligned.fasta

Далее оно было загружено в JalView, структура ассоциирована по PDB ID, и выяснилось, что первая попытка в общем и целом провалилась: подобранные гомологи выровнялись с исходным белком не по трансмембранным спиралям, а по группам остатков в цитоплазме.

Второй подход к снаряду

Поскольку в UniProt оказалось довольно много белков с именем COPA_* (эти уж точно должны хорошо выровняться), выберем что-нибудь из них. В досмотренной части UniProt белков с именем COPA_* и содержащим в названии слово «АТФаза» набралось 33. Из них были отобраны белки из Bacillus subtilis, Escherichia coli, Helicobacter pylori, Enterococcus hirae, Staphylococcus aureus, Salmonella typhimurium, Vibrio cholerae, Yersinia pestis. Всего 8. Еще две были отобраны из нерецензируемой части UniProt: Nitrosomonas europaea и Caldilinea aerophila. Последовательности были сохранены в homologs2.fasta, выровнены с помощью Muscle (homologs2_aligned.fasta) и загружены в JalView.

В этот раз трансмембранные спирали оказались вполне неплохо выровнены друг с другом. Во всяком случае, теперь их консервативность сравнима с цитоплазматической частью.

Анализ TMHMM велся для белка из кишечной палочки. Предсказание оказалось весьма и весьма точным.

Раскраска белка по стандартной схеме Hydrophobicity (чем краснее, тем гидрофобнее), трансмембранный участок снизу, цитоплазменный — сверху.

Консервативность трансмембранного и цитоплазменного участков приблизительно одинаковы. Гидрофобность аминокислот в трансмембранных спиралях заметно выше, чем в цитоплазме, в трансмембранном участке больше, чем в среднем в белке, остатков валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина. В трансмембранных спиралях действительно встречаются высококонсервативные заряженные и полярные остатки: глутамин, аспарагин, аспарагиновая кислота, серин. Сам я, признаюсь, не догадался, зачем они нужны, но в литературе написано, что они удерживают белок от выскальзывания из мембраны. Логично.

Выравнивание (несущественная часть в начале и в конце исключена):