Predikce membránových proteinů Role membránových proteinů: • Transportní proteiny (Na+/K+ pumpa) • Receptory pro vnější signály (Interleukin receptory) • Membránové enzymy (ATP syntáza) • Adheze buněk (Adheziny) Endoplasmatické retikulum Jádro Cytoplazma Cytoskelet Ribozomy Mitochondrie Lyzozomy Golgiho aparát Problematika MP • MP jsou kódovány přibližně 30 % genů • Struktury MP tvoří jenom 1,5 % struktur v PDB databázi (problematické řešení struktur) • Důležitost znalosti struktury MP • Vysoký potenciál pro vývoj léčiv ???? Interakce proteinů s membránou Interakce proteinů s cytoplazmatickou membránou: 1) Hydrofobní α-šroubovice 2) Svazek α-šroubovic 3) β-soudek 4) Amfipatická α-šroubovice 5) Hydrofobní smyčka 6) Post-translační modifikace 7) Elektrostatická interakce Dva typy membránových proteinů Transmembránové proteiny (TMP) Periferní membránové proteiny (PMP) Periferní MP • Hledání sekvenčních vzorů Hydrofilní Hydrofobní α-šroubovice Závitový kruh Periferní MP • Hledání sekvenčních vzorů • Důležitost náboje pro interakci s membránou Pozitivní náboj Negativní náboj Nepolární povrch Směrující k membráně Směrující do cytosolu Strukturní motivy transmembránových proteinů https://www.vet.cornell.edu/news/20200409/kawate-lab- unveils-structure-major-membrane-protein α-svazek (α-bundle) β-soudek (β-barrel) Proč jenom dva strukturní motivy? α-šroubovice β-skládaný list Zamezená interakce polárních skupin páteře proteinu s hydrofobním prostředím membrány. Důležitá je interakce bočních řetězců aminokyselin se zbytkem mastných kyselin. α-helix bundle C- C- N- N- 30 Å • Jedna AMK přidá 1,5 Å na délce α-šroubovice => Délka transmembránové šroubovice musí být minimálně 20 residuí. • AMK v α-šroubovici mají hydrofobní charakter. • Predikce je komplikována tím, že ne všechny helixy procházejí celou membránou: existují přerušované helixy, které jsou přerušeny uvnitř membrány, a reentrant loops, což jsou helixy, které se vrací zpět na stranu, ze které vyšly. 20-30 AMK Rhodopsin PDB: 1F88 Fotosyntetické reakční centrum PDB: 1PRC Oligomerizace MP (Pannexin) https://elifesciences.org/articles/54670 PDB: 6VD7 • Mnohé MP oligomerizují v membráně za vytvoření funkční jednotky • Funkční jednotka – heptamer • Vytvoření póru, který je uvnitř hydrofilní Role aromatických kyselin Trp (W), Tyr (Y) Polární část Nepolární část Duální charakter aminokyselin: Tyr Trp Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodní prostředí Vodní prostředí • Aromatické aminokyseliny Trp, Tyr mají amfifilní charakter • Tyto AMK pomáhají stabilizovat strukturu MP • Aromatická část interaguje s lipidovými mastnými kyselinami • Polární část interaguje s hlavičkou Orientace? ???? Cytoplasma Vnějšek buňky Orientace? - Důležitost kladného náboje Kladně nabité aminokyseliny: Arg Lys Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodní prostředí Vodní prostředí • Ze získaných struktur a experimentů byl pozorovaný zvýšený počet kladně nabitých aminokyselin Arg (R) a Lys (K) Orientace? – Důležitost kladného náboje Cytoplasma Vnějšek buňky Predikční nástroje https://embnet.vital-it.ch/software/TMPRED_form.html https://services.healthtech.dtu.dk/service.php?TMHMM-2.0 TMHMM TMpred Transmembránové proteiny: β-soudek • Vyskytují se jenom v membránách Gram-negativních bakterií a ve vnějších membránách mitochondrií a plastidů Porin PDB: 2OMF Transmembránové proteiny: β-soudek • Vyskytují se jenom v membránách Gram-negativních bakterií a ve vnějších membránách mitochondrií a plastidů • Transmembránové β-soudky jsou tvořeny antiparalelními β-vlákny (typicky dlouhé 9-11 residui) • Typickým sekvenčním znakem β-soudku je každá druhá aminokyselina hydrofobní Transmembránové proteiny: β-soudek Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodní prostředí Vodní prostředí • Vyskytují se jenom v membránách Gram-negativních bakterií a ve vnějších membránách mitochondrií a plastidů • Transmembránové β-soudky jsou tvořeny antiparalelními β-vlákny (typicky dlouhé 9-11 residui) • Typickým sekvenčním znakem β-soudku je každá druhá aminokyselina hydrofobní • Důležitá role aromatických kyselin Trp a Tyr Transmembránové proteiny: β-soudek • Vyskytují se jenom v membránách Gram-negativních bakterií a ve vnějších membránách mitochondrií a plastidů • Transmembránové β-soudky jsou tvořeny antiparalelními β-vlákny (typicky dlouhé 9-11 residui) • Typickým sekvenčním znakem β-soudku je každá druhá aminokyselina hydrofobní • Důležitá role aromatických kyselin Trp a Tyr • Orientace se určuje podle délky smyček: • Krátké smyčky a β-otočky směrují do cytoplazmy • Dlouhé smyčky směrují do vnějška buňky Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodní prostředí Vodní prostředí Cytoplasma Vnějšek buňky Predikční program pro TM β-soudek • http://bioinformatics.biol.uoa.gr/PRED-TMBB/