Hydropathy Plot

Hydropathy plot은 protein의 amino acid sequence로부터 membrane-spanning segment를 예측하는 방법이다. X-ray crystallography와 single-particle cryo-electron microscopy의 발전으로 많은 membrane protein의 3차원 구조가 결정되었으며, 이는 amino acid sequence로부터 lipid bilayer를 확장하는 polypeptide chain 부분을 예측할 수 있음을 확인해주었다.

원리

Membrane-spanning α Helix의 특성

Transmembrane segment를 식별하기 위한 기준:

• 길이: 약 20-30 amino acid를 포함하는 segment¹
• Hydrophobicity: 높은 정도의 hydrophobicity
• 구조: α helix로 lipid bilayer를 span하기에 충분한 길이

이러한 segment는 hydropathy plot에서 종종 식별될 수 있다.

방법론

Free Energy 계산

Hydropathy plot 생성 과정:

1. Segment 설정

   • 고정된 크기의 segment 선택 (보통 10-20 amino acid)
   • Polypeptide chain의 각 연속적인 amino acid에서 시작하여

2. Free Energy 계산

   • Polypeptide chain의 연속적인 segment를 nonpolar solvent에서 물로 transfer하는데 필요한 free energy 계산
   • Model compound로부터 얻은 data를 사용하여 각 segment의 amino acid 조성으로부터 계산

3. Hydropathy Index

   • Y축에 segment의 hydropathy index를 plot
   • Chain에서의 위치의 함수로 표시
   • Positive value: 물로의 transfer에 free energy 필요 (segment가 hydrophobic)²³
   • 값은 필요한 energy 양의 index

4. 결과 해석

   • Amino acid sequence에서 hydrophobic segment의 위치에 peak 나타남

예시

위 그림은 두 membrane protein의 hydropathy plot을 보여준다:

(A) Glycophorin

• Single membrane-spanning α helix 보유⁴⁵
• Hydropathy plot에서 하나의 corresponding peak

특성:

• Peak의 위치가 transmembrane segment 위치를 나타냄
• Peak의 높이가 hydrophobicity 정도를 나타냄

(B) Bacteriorhodopsin

• 7개의 membrane-spanning α helix 보유⁶⁷⁸
• Hydropathy plot에서 7개의 corresponding peak

특성:

• 각 peak가 하나의 transmembrane helix에 대응
• 7개의 distinct peak가 명확히 보임

한계

β Barrel의 경우

Hydropathy plot은 membrane-spanning β barrel의 segment를 식별할 수 없다:⁹¹⁰

이유:

• β barrel을 횡단하는데 10개 이하의 amino acid로 충분
• Extended β strand로서
• 번갈아가며 나타나는 amino acid side chain만 hydrophobic하면 됨
• 따라서 hydropathy plot에서 명확한 peak를 형성하지 않음¹¹¹²

옆의 helix와 붙어있는 경우

끼어있는 helix는 모든 AA가 hydrophobic일 필요가 없음.

Partial Membrane Insertion

Multipass transmembrane protein은:

• Membrane을 완전히 span하지 않는 region도 포함 가능
• Membrane의 양쪽에서 folding하여 들어감
• Transmembrane α helix 사이의 공간으로 squeeze됨
• Bilayer의 hydrophobic core와 접촉하지 않음

이러한 region의 특성:

• 다른 polypeptide region과만 상호작용
• Hydrogen-bonding을 maximize할 필요 없음
• 다양한 secondary structure 가질 수 있음
• Partway across bilayer만 확장하는 helix 포함 가능

위 그림은 aquaporin water channel의 두 short α helix를 보여준다. 각각이 lipid bilayer를 halfway만 span한다. 이러한 colored helix는 protein-protein interaction에 의해 형성된 interface에 묻혀 있다.

결과:

• 이러한 region은 hydropathy plot에서 식별될 수 없음
• Protein의 3차원 구조 결정으로만 밝혀짐
• 또는 구조가 알려진 homologous protein과의 sequence alignment로

관련 개념

• Membrane protein
• Lipid bilayer

Footnotes

1. 2025 중간 5번 — ⑤번 선지: TM α-helix는 약 20-30개의 연속 소수성 잔기가 필요 — 10개 이하로는 불충분 (오답) ↩

2. 2025 중간 5번 — ②번 선지: Hydropathy plot에서 양의 값이 소수성 성질을 의미 (정답) ↩

3. 2023 중간 17번 — ②번 선지: 양의 값은 소수성(물과 친화도 낮음)을 의미함 — “물과 친화도 높음”이라는 선지는 틀림 (오답) ↩

4. 2023 중간 17번 — ③번 선지: (A) Glycophorin은 single membrane-spanning α helix 1개 → 3개라는 선지는 틀림 (오답) ↩

5. 2025 중간 5번 — ④번 선지: (A) Glycophorin은 single α-helix로 막을 통과 — β-sheet 3개라는 선지는 틀림 (오답) ↩

6. 2023 중간 17번 — Hydropathy plot에서 7개의 peak = 7개의 α-helix를 가진 7-pass transmembrane protein으로 예측할 수 있다는 내용이 정답 근거로 활용됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

7. 2023 중간 17번 — ⑤번 선지: 여러 양의 peak = 여러 α-helix (β-sheet가 아님); Bacteriorhodopsin 7개 peak = 7 α-helix (오답) ↩

8. 2025 중간 5번 — ①번 선지: (B) Bacteriorhodopsin은 7개의 α-helix → 4개라는 선지는 틀림 (오답) ↩

9. 2023 중간 17번 — ④번 선지: β-barrel은 hydropathy plot으로 식별 불가 → “소수성으로 판단하기 쉽다”는 틀림 (오답) ↩

10. 2025 중간 5번 — ③번 선지: β-barrel의 막 접촉 부분은 hydropathy plot으로 식별 불가 (오답) ↩

11. 2022 중간 17번 — β-barrel transmembrane protein은 hydropathy plot으로 예측이 어렵다는 내용이 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

12. 2023 중간 23번 — β-barrel 막단백질은 짧은 β strand(10개 이하 아미노산)가 Extended β strand로 막을 횡단하며, 격번 아미노산의 소수성 side chain이 지질과 접촉한다는 내용이 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩