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膜蛋白简介

2021-12-01 10:58:47  阅读:508  来源: 互联网

标签:膜蛋白 跨膜 螺旋 简介 蛋白质 疏水 结构


“好久没写博客啦,研究生一直在学生物相关知识,而且最近一直在飞书文档记录,突然想搬一点到博客里面来,给大家共享一下,如果有错误,欢迎大家指正。”

膜蛋白membrane Protein

膜蛋白介绍

  • 跨膜蛋白Transmembrane Protein:跨越整个膜具有细胞外区域和胞质内区域的蛋白质。结构一般是以a螺旋形式存在的。疏水性。
  • 分类(与膜的相互作用)
    • 外周膜蛋白(peripheral protein/extrinsic protein):与整合膜蛋白结合或者插入膜外周区域而暂时结合与膜上的蛋白质。通过疏水、静电、非工具相互作用实现可逆结合。
      • A 蛋白质与磷脂双层的胞质表面离子相互作用附着,(AB只是锚定膜的一侧,结构类似膜内蛋白)
      • B翻译后添加碳氢链附着(无特定结构或序列特征)
    • 整合膜蛋白(Integral membrane protein):与膜结合性很强,以B或a折叠镶嵌在膜内为环状脂质分子围绕。
      • C一部分嵌入在脂双层中,穿膜一次
      • D多次穿膜
    • 脂锚定蛋白:是膜蛋白以共价键与脂相连,并以脂肪酸链插入膜中,细胞外表面和胞质面都存在
  • 疏水属性量化:
    • 疏水性尺度(hydrophobic-scale):给每个氨基酸疏水性进行赋值
      • 计算: 测量水溶剂转移到模拟膜环境的转移自由能
      • 晶体学数据
      • GES方法
  • 跨膜蛋白数据库
    • TMbase:https://embnet.vital-it.ch/software/tmbase/TMBASE_doc.html
    • Steve White(https://blanco.biomol.uci.edu/mptopo/),膜蛋白三维结构
    • OPM数据库:https://opm.phar.umich.edu/), 包含相对于膜进行位置调整的膜蛋白结构。
    • memprotmd数据库:http://memprotmd.bioch.ox.ac.uk/ : 5000多个蛋白,并且包含gromacs运行脚本。

膜蛋白结构

静电相互作用是一种比较强的力,在真空中介电常数为1,而在水溶液中介电常数为78左右,因此蛋白质分子的静电相互作用被减弱,由于水分子的存在,蛋白质结构倾向于将亲水氨基放在外侧,疏水氨基放在内侧的结构,在a螺旋中会发现HP(亲疏水)格点模型(按照3.7一个折叠的循环亲疏水氨基酸排列)。但是在膜当中,由于磷脂双分子层的存在,膜内的介电常数为4~4左右,静电相互作用被放大了,膜蛋白的跨膜区域会出现的特征是:带电氨基酸出现概率变少,亲水在外疏水氨基酸在内的结构不再出现。

一般结构:

  • 螺旋长15~30个残基,(一般脂双层疏水核厚度为30A,跨膜约20个氨基酸)
  • 跨膜结构主要是非极性的
  • 多螺旋核心相互作用不一定疏水,可以是盐桥,正电负电残基
  • 螺旋是紧密包装,并且能够形成卷曲螺旋的结构
  • 跨膜折叠B链下一个位置包含面对酯(酸和醇的失水产物)的疏水残基,面向折叠内残基可为极性或者非极性
  • 跨膜折叠B链常有芳香族残基

一般方法

  • 二级结构预测
  • x射线晶体学 xray crystallography:三级四级
    • 根据电子密度大小,推测原子在空间的分布即分子结构
  • 电子显微学:三级四级结构

跨膜功能

一般我们关注的是第三种结构,因为这种结构往往是对应跨膜运输的功能性作用,比如K Na离子的运输(当离子从低浓度运输到高浓度是需要能量的,体内的能量由ATP提供),小分子物质运输、蛋白质通道等等。在跨膜结构是如何实现这种过程,结构特殊性,结构变化都是值得研究的点。
在信号传递的过程中,不一定需要跨膜蛋白传输物质,有一种可能方式是,与膜蛋白膜外结合,膜蛋白结构改变引起膜内结构变化,导致与膜内某蛋白或者物质结合,进而达到传递信息作用。

  • a跨膜(左)b跨膜(右)
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

a螺旋跨膜

  • a螺旋
  • 跨膜原因
    • 肽键极性通过形成氢键减弱、极性主链包裹在螺旋内部、疏水侧链暴露在螺旋外部、疏水侧链与脂双层的疏水烃链发生相互作用、非极性侧链向外与脂双层疏水烃链发挥作用、极性侧链向内形成亲水性孔道
  • 卷曲螺旋构象
    • 多个a螺旋相互交织,形成特殊疏水残基分布
      • ·a序列由7个氨基酸重复出现形成周期(7肽模式)

跨膜蛋白二级结构预测

  • 预测内容
    • 疏水区域,建立亲水性分布图(hydroppathic profile)
      • 滑动窗口,15~30个残基
    • 蛋白质的跨膜区(membrane spaning region,MSR)
      • 通过酪氨酸Tyr、色氨酸Trp(芳香族)侧链位置判断
      • 带电性:跨膜区内不带电、带电多膜外
  • 多螺旋膜蛋白
    • 预测:a跨膜螺旋区域、b螺旋方向、c 侧链相互作用
    • 螺旋包含疏水性,带电性。形成两亲性螺旋,使用疏水性矩(hydrophobic moment)量化
      • 螺旋轮图(可视化)
    • 膜内a螺旋预测:
      • 阳性内部规则,跨膜螺旋内部胞内环比胞外环有更多的精氨酸(R)和赖氨酸(K),带正电,有助于预测和定位N端和C端
  • 程序
    • 92年 TopPred预测完整跨膜蛋白拓扑,设置疏水性阈值
    • 统计方法:TMpred
    • 基于知识预测:
      • SOSUI:假说,膜蛋白必须有一个非常疏水的主要的跨膜螺旋
        • 输出预测跨膜螺旋片段的:疏水性分布图、螺旋轮图、膜拓扑方向图
      • 亲水性指数、两亲性指数、氨基酸电荷指数以及每个序列的长度
    • 进化信息
      • TMAP,基于序列联配
      • DAS密度排列界面,针对未找到同源序列的蛋白,基于使用氨基酸对的邻里选择NS的衍生打分矩阵。
    • 神经网络
      • PHDhtm,利用进化信息已调高预测
        • 找到查询序列的同源序列,生成多序列比对结果。
        • 动态规划
      • 隐马尔科夫模型HMM:
        • 定义一组状态:胞内环、胞外环、跨膜片段
        • TMHMM:
        • HMMTOP:

膜蛋白分子动力学

膜蛋白分子动力学研究

模拟步骤:

  • 准备蛋白质模拟体系:获得蛋白质的三维结构和确定可电离残基的电力状态(eg:pKa值)
    • 已知:PDB数据库(http://www.rcsb.org)、Steve White(https://blanco.biomol.uci.edu/mptopo/)
    • 未知结构:同源建模、从头预测
      • 质量评估:Procheck、WHAT_CHECK、Prove、
  • 构建脂质膜:
    • VMD:POPC、POPE
    • 网站下载
  • 组合膜和蛋白质:构建合理的膜-蛋白质体系是后面MD模拟成败的关键。需要人工判断,蛋白质膜中取向及膜与蛋白质的对齐。
    • VMD分析,寻找合适的跨膜区
    • OPM数据库(http://opm.phar.umich.edu)
    • 判断准则:判断蛋白质跨膜区(membrane spanning region,MSR)
  • 将蛋白质原子与发生冲突的水和脂质分子删除,添加水分子和平衡离子
    • https://www.charmm-gui.org/?doc=input/membrane
  • 能量优化
  • 约束动力学模拟:
    • 熔化,约束脂质分子的极性头部,高温下进行模拟,使得脂质分子长的尾部获得足够能量来调整结构。
  • 常规动力学模拟
    • 膜蛋白的周期边界性条件区别于普通蛋白,其周期边界性因为膜的存在,周期性体现在膜的左右方向,而穿过膜方向不存在周期性

标签:膜蛋白,跨膜,螺旋,简介,蛋白质,疏水,结构
来源: https://blog.csdn.net/sinat_36215255/article/details/121650437

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