WikiDer > Карта контактов белка

Protein contact map
Карта контактов белка
Карта контактов с белками белка VPA0982 из Вибрион парагемолитический

А карта контактов белка представляет собой расстояние между всеми возможными аминокислотный остаток пары трехмерных структура белка используя двоичный двумерный матрица. Для двух остатков и , то элемент матрицы равен 1, если два остатка ближе, чем заданный порог, и 0 в противном случае. Были предложены различные определения контактов: расстояние между Cα-Cα атом с порогом 6-12 Å; расстояние между Cβ-Cβ атомы с порогом 6-12 Å (Cα используется для Глицин); и расстояние между боковой цепью центры масс.

Обзор

Контактные карты обеспечивают более сокращенное представление структуры белка, чем его полные трехмерные атомные координаты. Преимущество состоит в том, что карты контактов инвариантны к поворотам и сдвигам. Их легче предсказать машинное обучение методы. Также было показано, что при определенных обстоятельствах (например, при низком содержании ошибочно предсказанных контактов) можно восстановить трехмерные координаты белка, используя его карту контактов.[1][2]

Контактные карты также используются для белка наложение и для описания сходства между структурами белков.[3] Они либо предсказываются из белковая последовательность или рассчитывается по заданной структуре.

Предсказание карты контактов

При наличии большого количества геномных последовательностей становится возможным анализировать такие последовательности для совместные остатки. Эффективность этого подхода объясняется тем фактом, что мутация в позиции я белка, скорее всего, будет связан с мутацией в положении j чем с обратной мутацией в я если оба положения функционально связаны (например, участвуя в ферментативном домене, или будучи смежным в свернутом белке, или даже будучи смежным в олигомере этого белка).[4]

Существует несколько статистических методов для извлечения из множественное выравнивание последовательностей такие пары связанных остатков: наблюдаемые частоты встречаемости пар остатков в сравнении с ожидаемыми (OMES);[5] корреляция замещения на основе Маклахлана (McBASC);[6] статистический анализ связи; Взаимная информация (MI) методы на основе;[7] и недавно анализ прямой связи (DCA).[8][9]

Машинное обучение Алгоритмы смогли улучшить методы анализа MSA, особенно для негомологичных белков (т.е. неглубоких MSA).[10]

Предсказанные карты контактов использовались для прогнозирования мембранные белки где нацелены взаимодействия спираль-спираль.[11]

HB участок

Знание взаимоотношений между белокСтруктура и его динамическое поведение важны для понимания функции белка. Описание трехмерной структуры белка как сети водородная связь взаимодействия (HB сюжет)[12] был введен как инструмент для изучения структуры и функции белков. Анализируя сеть третичных взаимодействий, можно исследовать возможное распространение информации внутри белка.

График HB предлагает простой способ анализа белка вторичная структура и третичная структура. Водородные связи стабилизирующие вторичные элементы конструкции (вторичные водородные связи) и образовавшиеся между далекими аминокислота остатки - определяются как третичные водородные связи - легко различимы на графике HB, таким образом, аминокислотные остатки, участвующие в стабилизации структура белка и функция может быть идентифицирована.

Функции

На графике проводится различие между основной цепью - основной цепью, основной цепью -боковая цепь и боковая цепь-боковая цепь водородная связь взаимодействия. Бифуркационные водородные связи и множественные водородные связи между аминокислота остатки; и внутри- и межцепочечные водородные связи также указаны на графиках. Цветовая кодировка выделяет три класса водородных связей; короткие (расстояние меньше 2,5 Å между донором и акцептором), промежуточные (от 2,5 до 3,2 Å) и длинные водородные связи (более 3,2 Å).

Элементы вторичной конструкции на участке HB

Элементы вторичной структуры на участке HB, есть параллельные и антипараллельные листы местами.

В изображениях графика HB характерные закономерности вторичная структура элементы можно легко распознать, например:

  1. Спирали можно определить как полосы, непосредственно прилегающие к диагонали.
  2. Антипараллельный бета-листы появляются на графике HB как поперечно-диагональный.
  3. Параллельный бета-листы появляется на графике HB параллельно диагонали.
  4. Петли появляются как разрывы диагонали между поперечной диагональю бета-лист мотивы.

Примеры использования

Цитохром P450s

В цитохром P450s (P450s) находятся ксенобиотик-метаболизирующий мембрана-граница гем-содержащие ферменты, использующие молекулярные кислород и электроны из НАДФН цитохром Р450 редуктаза окислить их субстраты. CYP2B4, член семейства цитохрома P450 является единственным белком в этом семействе, чей Рентгеновская структура как в открытой 11, так и в закрытой форме публикуется 12. Сравнение открытой и закрытой структур структур CYP2B4 показывает крупномасштабность конформационный перестройка между двумя состояниями с наибольшим конформационным изменением вокруг остатков 215-225, которые широко открыты в безлигандном состоянии и закрываются после связывания лиганда; и область вокруг петли C около гема.

HB График и структура цитохрома P450 2B4 в закрытом виде

Изучение графика HB для закрытого и открытого состояний CYP2B4 показало, что перестройка третичных водородных связей отлично согласуется с текущими знаниями о цитохроме P450. каталитический цикл.

Первый шаг в P450 каталитический цикл определяется как связывание субстрата. Предварительное связывание лиганда вблизи входа разрывает водородные связи S212-E474, S207-H172 в открытой форме CYP2B4 и образуются водородные связи E218-A102, Q215-L51, фиксирующие вход в закрытой форме, как видно на графике HB .

Второй шаг - это перенос первого электрона из НАДФН через цепь переноса электронов. Для переноса электронов происходит конформационное изменение, которое запускает взаимодействие P450 с редуктазой цитохрома P450 НАДФН. Разрыв водородных связей между S128-N287, S128-T291, L124-N287 и образование S96-R434, A116-R434, R125-I435, D82-R400 в редуктазе цитохрома P450 НАДФН сайт привязки- как видно на графике HB - преобразование CYP2B4 в конформационное состояние, при котором происходит связывание НАДФН-цитохром Р450 редуктазы.

На третьем этапе кислород входит в CYP2B4 в закрытом состоянии - состоянии, в котором вновь образованные водородные связи S176-T300, H172-S304, N167-R308 открывают туннель, который имеет размер и форму кислород молекула.

Семья липокалинов

Бета-лактоглобулин в открытой (белый) и лиганд-связанной (красный) форме

В липокалин семья представляет собой большое и разнообразное семейство белков с такими же небольшими функциями гидрофобный переносчики молекул. Бета-лактоглобулин является типичным представителем семейства липокалинов. Было обнаружено, что бета-лактоглобулин играет роль в транспорте гидрофобных лигандов, таких как ретинол или же жирные кислоты.[13] Его Кристальная структура были определены [например, Qin, 1998] с разными лигандами, а также в безлигандной форме. Кристаллические структуры, определенные до сих пор, показывают, что типичный липокалин содержит восьмицепочечный антипараллельный-бочка, образующая коническую центральную полость, в которой связан гидрофобный лиганд. Структура бета-лактоглобулина показывает, что бочкообразная структура с центральной полостью белка имеет «вход», окруженный пятью бета-петли с центрами около 26, 35, 63, 87 и 111, которые претерпевают конформационные изменения во время связывания лиганда и закрывают полость.

Общая форма бета-лактоглобулина характерна для семейства липокалинов.[нужна цитата] В отсутствие альфа-спирали, главная диагональ почти исчезает, а поперечные диагонали, изображающие бета-листы доминируют в сюжете. На графике можно найти относительно небольшое количество третичных водородных связей с тремя областями высокой плотности, одна из которых соединена с петлей на остатках около 63, вторая соединена с петлей около 87 и третья область, которая соединен с областями 26 и 35. Пятая петля вокруг 111 представлена ​​только одной третичной водородной связью на графике HB.

В трехмерной структуре третичные водородные связи образуются (1) рядом со входом, непосредственно участвуя в конформационной перестройке во время связывания лиганда; и (2) в нижней части «ствола» .HB графики открытой и закрытой форм бета-лактоглобулина очень похожи, все уникальные мотивы могут быть распознаны в обеих формах. Различия в графиках HB открытой и связанной с лигандом формы показывают несколько важных индивидуальных изменений в структуре третичных водородных связей. В частности, образование водородных связей между Y20-E157 и S21-H161 в закрытой форме может иметь решающее значение для конформационной перегруппировки. Эти водородные связи лежат на дне полости, что позволяет предположить, что закрытие входа липокалина начинается, когда лиганд достигает дна полости и разрывает водородные связи R123-Y99, R123-T18 и V41-Q120. Известно, что липокалины имеют очень низкое сходство последовательностей при высоком структурном сходстве.[нужна цитата] Единственными консервативными областями являются именно области около 20 и 160 с неизвестной ролью.

Графики HB бета-лактоглобулина в открытой (2BLG) и лиганд-связанной (2AKQ) форме

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Pietal, MJ .; Bujnicki, JM .; Козловский, Л.П. (Июнь 2015). «GDFuzz3D: метод реконструкции трехмерной структуры белка по контактным картам, основанный на функции неевклидова расстояния». Биоинформатика. 31 (21): 3499–505. Дои:10.1093 / биоинформатика / btv390. PMID 26130575.
  2. ^ Вассура М., Маргара Л., Ди Лена П., Медри Ф., Фаризелли П., Casadio R (2008). «Реконструкция трехмерных структур из контактных карт белков». IEEE / ACM Transactions по вычислительной биологии и биоинформатике. 5 (3): 357–367. Дои:10.1109 / TCBB.2008.27. PMID 18670040. S2CID 6080543.
  3. ^ Холм Л., Сандер С. (август 1996 г.). «Картирование белковой вселенной». Наука. 273 (5275): 595–603. Bibcode:1996Sci ... 273..595H. Дои:10.1126 / science.273.5275.595. PMID 8662544. S2CID 7509134.
  4. ^ Fitch, W. M .; Марковиц, Э. (1970). «Улучшенный метод определения изменчивости кодонов в гене и его применение для определения скорости фиксации мутаций в процессе эволюции». Biochem. Genet. 4 (5): 579–593. Дои:10.1007 / bf00486096. PMID 5489762. S2CID 26638948.
  5. ^ Kass, I .; Горовиц, А. (2002). «Картирование путей аллостерической коммуникации в GroEL путем анализа коррелированных мутаций». Белки. 48 (4): 611–617. Дои:10.1002 / prot.10180. PMID 12211028. S2CID 40289209.
  6. ^ Gobel, U .; и другие. (1994). «Коррелированные мутации и контакты остатков в белках». Белки. 18 (4): 309–317. Дои:10.1002 / prot.340180402. PMID 8208723. S2CID 14978727.
  7. ^ Wollenberg, K. R .; Эчли, У. Р. (2000). «Разделение филогенетических и функциональных ассоциаций в биологических последовательностях с помощью параметрического бутстрапа». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 97 (7): 3288–3291. Bibcode:2000PNAS ... 97,3288 Вт. Дои:10.1073 / пнас.97.7.3288. ЧВК 16231. PMID 10725404.
  8. ^ Вес, М; Белый, РА; Szurmant, H; Hoch, JA; Хва, Т (2009). «Идентификация прямых контактов остатков во взаимодействии белок-белок посредством передачи сообщений». Proc Natl Acad Sci USA. 106 (1): 67–72. arXiv:0901.1248. Bibcode:2009ПНАС..106 ... 67Вт. Дои:10.1073 / pnas.0805923106. ЧВК 2629192. PMID 19116270.
  9. ^ Morcos, F; и другие. (2011). «Анализ прямого связывания при совместной эволюции остатков фиксирует нативные контакты во многих семействах белков». Proc Natl Acad Sci USA. 108 (49): E1293 – E1301. Дои:10.1073 / pnas.1111471108. ЧВК 3241805. PMID 22106262.
  10. ^ Хэнсон, Джек; Паливал, Кулдип К.; Литфин, Томас; Ян, Юэдун; Чжоу, Яоци (2018). «Точное предсказание карт контакта белков путем связывания остаточной двумерной двунаправленной долгосрочной краткосрочной памяти с сверточными нейронными сетями». Биоинформатика. 34 (23): 4039–4045. Дои:10.1093 / биоинформатика / bty481. PMID 29931279. S2CID 49335891.
  11. ^ Ло А., Чиу Й., Редланд Э.А., Лю П.С., Сунг Т.Й., Сюй В.Л. (2009). «Прогнозирование спирально-спиральных взаимодействий на основе контактов остатков в мембранных белках». Биоинформатика. 25 (8): 996–1003. Дои:10.1093 / биоинформатика / btp114. ЧВК 2666818. PMID 19244388.
  12. ^ Бикади З., Демко Л., Хазай Э. (2007). «Функциональная и структурная характеристика белка на основе анализа его сети водородных связей по графику водородных связей». Arch Biochem Biophys. 461 (2): 225–234. Дои:10.1016 / j.abb.2007.02.020. PMID 17391641.
  13. ^ Pérez, M. D .; Кальво, М. (1995). «Взаимодействие бета-лактоглобулина с ретинолом и жирными кислотами и его роль как возможная биологическая функция этого белка: обзор». Журнал молочной науки. 78 (5): 978–88. Дои:10.3168 / jds.S0022-0302 (95) 76713-3. PMID 7622732.

внешняя ссылка

  • ДИСТИЛЛ- прогнозирование структурных особенностей белка (включая карты контактов белковых остатков)
  • Инструменты структурной протеомики - включает карты контактов аминокислот
  • ПрофКон - прогнозирование контактов между остатками
  • TMHcon - прогнозирование контактов спираль-спираль, в частности, в трансмембранных частях мембранных белков
  • TMhit - Новый метод прогнозирования трансмембранного взаимодействия спираль-спираль на основе остатков контактов[мертвая ссылка]
  • CMAPpro - Сервер предсказания карты контактов белка
  • CMPyMOL —Инструмент для визуализации контактной карты белков в PyMOL[мертвая ссылка]