Zur Strukturvorhersage der Membranproteine
Creators: name: Hildebrand, Peter
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2003
Subjects: subject: Membranproteine
subject: Strukturvorhersage
subject: Helixcap
subject: Aminosäurepräferenzen
subject: Membrane protein
subject: structure prediction
subject: helixcap
subject: amino acid preference
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WE 5160

description: Das Auffinden spezifischer Strukturmerkmale integraler Membranproteine ist eine wichtige Grundlage zum Verständnis der Stabilität und Faltung und die notwendige Voraussetzung zur Modellierung ihrer Raumstruktur. Die Aminosäurezusammensetzung der innerhalb des hydrophoben Bereichs der Membranabschnitte befindlichen alpha-Helices wird entscheidend durch dieses Milieu determiniert, wie der Vergleich mit beta-Barrel Membranproteinen und alpha-Helices globulärer Proteine zeigt. Die Untersuchung der Phi-, Psi- und Chi1-Winkel lieferte gleichwohl eine Reihe von signifikanten Besonderheiten welche speziell bei einigen polaren (Asn, Asp) bzw. aromatischen Aminosäuren (Trp, Tyr) deutlich miteinander korrelieren. Der Anteil kürzerer, der für alpha-Helices typischen i, i+4 Wasserstoffbrückenbindungen ist innerhalb der Membran insgesamt höher, was ebenfalls mit der Verschiebung der Phi- und Psi- Winkel korreliert. Die Geometrie von alpha-Helices integraler Membranproteine ist damit näherungsweise ideal. An den Enden von Membranhelices und in den Helixturns werden neben Pro und Gly häufig polare, amphiphile oder aromatische Aminosäuren gefunden. Die polaren und amphiphilen Aminosäuren liegen überwiegend in den Helixturns und im Bereich der polaren Lipidköpfchen auf der Seite der Helix, welche der Membran zugewandten ist. Zur Fettschicht im Zentrum der Membran hin ragen umgekehrt vorherrschend lipophile Aminosäureseitenketten. Dieser Gradient ist folgerichtig auch an der Aminosäurezusammensetzung der Helixcaps erkennbar, welche die transmembranen Helices zumeist intra- und extrazellulär abschließen. Helixcaps alpha-helikaler Membrandomänen sind somit spezifische, von den klassischen Caps globulärer Proteine unterscheidbare Strukturmotive. Die konsequente Trennung der Untersuchungen der alpha-helikalen Abschnitte innerhalb der hydrophoben Lipiddoppelschicht von den Helixenden im polar-wässrigen Milieu ermöglicht außerdem die Identifikation vieler Aminosäurepräferenzen für exponierte (Leu, Ile), oder verdeckte Positionen (Ser, Asn, Cys). Umgekehrt wie bei den alpha-Helices globulärer Proteine ist die Atomzusammensetzung der Solvent exponierten Aminosäureseitenketten im Zentrum der Membran doppelt so hydrophob wie im Proteininnern.
description: Sorting out structural patterns that are specific for integral membrane proteins is a crucial base for understanding their stability and folding and a valuable source for the modelling of their tertiary structure. The detailed comparison of alpha-helical with beta-barrel membrane proteins and alpha-helices of globular proteins pointed out, that the amino acid composition of integral membrane proteins is overwhelmingly directed by the influence of the surrounding hydrophobic milieu. Nevertheless the investigation of the phi-, psi und chi1-angles yielded remarkable peculiarities of alpha-helical membrane proteins that correlate strongly in particular for some polar (asn, asp) and aromatic (trp, tyr) amino acids. The portion of the shorter and stronger i, i+4 H-bonds, that is typically found in alpha-helices is higher within the borders of the membrane. This observation confirms the observed shift of the phi- and psi- angles as well. Consequently the geometry of alpha-helices in membrane proteins is nearly ideal. At the ends of alpha-helices and in the turns of integral membrane proteins pro, gly and those amino acids are predominant that contain polar, amphiphilic or aromatic side chains. Whilst the aromats are equally positioned at the protein inside, the polar or amphiphilic amino acids are largely found at the helix turns, or at the side of the helix that contacts the polar lipid head groups. In contrast merely hydrophobic side chains face the lipophilic tails of the fatty acids in the core of the membrane. This gradient consequently shapes the amino acid composition of the helix caps that frequently coat the transmembrane helices on both sides of the membrane, too. Hence helix caps of transmembrane domains are substantially specific structural patterns that must be distinguished from the classical caps, known from alpha-helices of globular proteins. The clear distinction of the alpha-helical parts that are in contact with the lipophilic tails of the fatty acids, from the helix ends that stretch out into the polar aqueous solvent, advances the identification of amino acid preferences either lipid-exposed (Leu, Ile) or protein-buried (Ser, Asn, Cys). Finally, in sharp contrast to the helices of globular proteins, in the core of the membrane, the atomic composition of the solvent exposed amino acid side chains is twice as hydrophobic as inside the protein.