Predikce membránových proteinů C3210 Strukturní Bioinformatika 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 Lysozomy 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 ???? Specifické prostředí Nasycené mastné kyseliny Nenasycené mastné kyseliny Glycerol Fosfátová skupina HydrofilníhlavičkaHydrofobníocásek Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodné prostředí Vodné prostředí Specifické prostředí Nasycené mastné kyseliny Nenasycené mastné kyseliny Glycerol Fosfátová skupina HydrofilníhlavičkaHydrofobníocásek 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 • 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 Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodné prostředí Vodné prostředí Orientace? ???? Cytoplasma Vnějšek buňky Orientace? – Důležitost kladného náboje Kladně nabité aminokyseliny: Arg Lys Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodné prostředí Vodné 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 • 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 Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodné prostředí Vodné prostředí 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 Cytoplasma Vnějšek buňky Přechodné rozhraní Přechodné rozhraní Hydrofobní zóna Vodné prostředí Vodné prostředí Predikční program pro TM β-soudek • http://bioinformatics.biol.uoa.gr/PRED-TMBB/