膜蛋白简介

“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）
  
  

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