белка p K a Расчеты
В вычислительной биологии расчеты pKa используются белка в для оценки pKa аминокислот значений виде том , в каком они существуют в белках . Эти расчеты дополняют значения p K a, сообщаемые для аминокислот в их свободном состоянии, и часто используются в областях молекулярного моделирования , структурной биоинформатики и вычислительной биологии .
аминокислот p K a Значения
[ редактировать ]p K a Значения аминокислот боковых цепей играют важную роль в определении pH-зависимых характеристик белка. зависимость активности ферментов от pH от pH и зависимость стабильности белка Например, представляют собой свойства, которые определяются значениями p K a боковых цепей аминокислот.
Значения p K a боковой цепи аминокислоты в растворе обычно выводятся из значений p K a модельных соединений (соединений, которые подобны боковым цепям аминокислот). См. раздел «Аминокислота» , где указаны значения p K a всех боковых цепей аминокислот, полученные таким образом. Существуют также многочисленные экспериментальные исследования, которые дали такие значения, например, с помощью ЯМР-спектроскопии .
модели В таблице ниже перечислены значения p K a , которые часто используются при расчете p K a белка , а также содержится третий столбец, основанный на исследованиях белков. [1]
| Аминокислота | п К а | п К а |
|---|---|---|
| Асп (Д) | 3.9 | 4.0 |
| Клей) | 4.3 | 4.4 |
| Злой (R) | 12.0 | 13.5 |
| Свет (К) | 10.5 | 10.4 |
| Его (Н) | 6.08 | 6.8 |
| Цис (C)(–SH) | 8.28 | 8.3 |
| Телец (Y) | 10.1 | 9.6 |
| N-термин | 8.0 | |
| C-термин | 3.6 |
Влияние белковой среды
[ редактировать ]
Когда белок сворачивается, титруемые аминокислоты в белке переносятся из среды, подобной раствору, в среду, определяемую трехмерной структурой белка. Например, в развернутом белке аспарагиновая кислота обычно находится в среде, в которой титруемая боковая цепь подвергается воздействию воды. Когда белок сворачивается, аспарагиновая кислота может оказаться глубоко внутри белка, не подвергаясь воздействию растворителя.
Более того, в свернутом белке аспарагиновая кислота будет ближе к другим титруемым группам белка, а также будет взаимодействовать с постоянными зарядами (например, ионами) и диполями в белке. Все эти эффекты изменяют значение p K a боковой цепи аминокислоты, и методы расчета p K a обычно рассчитывают влияние белкового окружения на модельное значение p K a боковой цепи аминокислоты. [2] [3] [4] [5]
аминокислоты Обычно влияние белкового окружения на значение р К а разделяют на рН-независимые эффекты и рН-зависимые эффекты. Независимые от pH эффекты (десольватация, взаимодействие с постоянными зарядами и диполями) добавляются к значению модели p K a , чтобы получить собственное значение p K a . Эффекты, зависящие от pH, не могут быть добавлены таким же простым способом, и их необходимо учитывать с использованием суммирования Больцмана, итераций Танфорда-Роксби или других методов.
Взаимодействие собственных значений p K a системы с энергиями электростатического взаимодействия между титруемыми группами может вызывать весьма впечатляющие эффекты, такие как кривые титрования , отличные от кривых Хендерсона-Хассельбаха , и даже эффекты обратного титрования. [6]
На изображении справа показана теоретическая система, состоящая из трех кислотных остатков. В одной группе отображается событие обратного титрования (синяя группа).
p K a методы расчета
[ редактировать ]Для расчета значений белка p K a доступно несколько пакетов программного обеспечения и веб-сервер .
Используя уравнение Пуассона – Больцмана
[ редактировать ]Некоторые методы основаны на решениях уравнения Пуассона-Больцмана (PBE), часто называемых методами на основе FDPB ( FDPB означает « конечная разность Пуассона-Больцмана»). PBE — это модификация уравнения Пуассона , которая включает описание влияния ионов растворителя на электростатическое поле вокруг молекулы.
Веб-сервер H ++ , [7] веб- сервер ПКД , [8] MCCE2 , Карлсберг+ , [ мертвая ссылка ] PETIT и GMCT используют метод FDPB для расчета значений p K a боковых цепей аминокислот.
Методы на основе FDPB рассчитывают изменение значения p K a боковой цепи аминокислоты, когда эта боковая цепь перемещается из гипотетического полностью сольватированного состояния в свое положение в белке. Для выполнения такого расчета необходимы теоретические методы, позволяющие рассчитать влияние внутренней части белка на значение apKa а , также знание значений pKa боковых цепей аминокислот в их полностью сольватированных состояниях. [2] [3] [4] [5]
Эмпирические методы
[ редактировать ]Набор эмпирических правил, связывающих структуру белка со значениями pKa остатков, ионизируемых был разработан Ли, Робертсоном и Йенсеном. [9] Эти правила составляют основу доступной через Интернет программы PROPKA для быстрого прогнозирования значений p K a . Недавняя программа эмпирического прогнозирования p K a была выпущена Tan KP et.al. с онлайн-сервером веб-сервера DEPTH . [10]
Методы на основе молекулярной динамики (МД)
[ редактировать ]Молекулярно-динамические методы расчета значений p K a позволяют учесть полную гибкость титруемой молекулы. [11] [12] [13]
Методы, основанные на молекулярной динамике, обычно являются гораздо более дорогостоящими в вычислительном отношении и не обязательно более точными способами прогнозирования значений p K a , чем подходы, основанные на уравнении Пуассона-Больцмана . Ограниченная конформационная гибкость также может быть реализована в рамках подхода континуальной электростатики, например, для рассмотрения множественных ротамеров боковой цепи аминокислот. Кроме того, широко используемые в настоящее время молекулярные силовые поля не учитывают электронную поляризуемость, которая может быть важным свойством при определении энергии протонирования.
Определение значений p K a по кривым титрования или расчетам свободной энергии
[ редактировать ]При титровании протонируемой p группы можно определить так называемый K a 1 ⁄ 2 которое равно значению pH, при котором группа протонирована наполовину (т.е. когда 50% таких групп будут протонированы). р К а 1 ⁄ 2 равен коэффициенту Гендерсона–Хассельбаха p K a (p K ХХ
а ) если кривая титрования соответствует уравнению Хендерсона–Хассельбаха . [14] Большинство методов расчета p K a молчаливо предполагают, что все кривые титрования имеют форму Хендерсона-Хассельбаха, и p K a поэтому значения в программах расчета p K a часто определяются таким образом. В общем случае нескольких взаимодействующих протонируемых центров p K a 1 ⁄ 2 значение не имеет термодинамического смысла. Напротив, значение p K a Хендерсона – Хассельбаха можно вычислить по свободной энергии протонирования через
и, таким образом, в свою очередь связана со свободной энергией протонирования сайта через
Свободную энергию протонирования в принципе можно вычислить по вероятности протонирования группы ⟨ x ⟩ (pH), которую можно прочитать по ее кривой титрования.
![{\displaystyle \Delta G^{\mathrm {prot} }(\mathrm {pH})=-\mathrm {RT} \ln \left[{\frac {\langle x\rangle }{1-\langle x\ звенеть }}\вправо]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/481d28b9f4ceef7840b1a2e9bce5c0e4b450067b)
Кривые титрования можно рассчитать в рамках подхода непрерывной электростатики с помощью формально точных, но более сложных аналитических методов или методов Монте-Карло (MC) или неточных, но быстрых приближенных методов. Методы MC, которые использовались для расчета кривых титрования. [15] Метрополис МС [16] [17] или Ван-Ландау MC . [18] Приближенными методами, использующими подход среднего поля для расчета кривых титрования, являются метод Танфорда-Роксби и гибриды этого метода, которые сочетают в себе точную статистическую механику внутри кластеров сильно взаимодействующих сайтов с трактовкой межкластерных взаимодействий в среднем поле. [19] [20] [21] [22] [23]
На практике может быть трудно получить статистически сходимые и точные значения свободной энергии протонирования из кривых титрования, если ⟨ x ⟩ близко к значению 1 или 0. В этом случае можно использовать различные методы расчета свободной энергии протонирования для получения свободной энергии протонирования. энергия [15] такие как предвзятый Metropolis MC, [24] возмущение свободной энергии , [25] [26] термодинамическая интеграция , [27] [28] [29] метод неравновесной работы [30] или метод коэффициента приемки Беннета . [31]
Заметим, что p K ХХ
значение обычно зависит от значения pH. [32]
Эта зависимость мала для слабо взаимодействующих групп, таких как хорошо сольватированные боковые цепи аминокислот на поверхности белка, но может быть большой для сильно взаимодействующих групп, таких как те, которые скрыты в активных центрах ферментов или интегральных мембранных белках. [33] [34] [35]
Несмотря на то, что доступно множество методов прогнозирования pKa белков, их точность часто существенно различается из-за тонких, а зачастую и радикальных различий в стратегии. [36]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хасс и Малдер (2015) Анну. Преподобный Биофиз. том 44, стр. 53–75 doi 10.1146/annurev-biophys-083012-130351 .
- ^ Перейти обратно: а б Башфорд (2004) Front Biosci. том. 9 стр. 1082–99 дои 10.2741/1187
- ^ Перейти обратно: а б Ганнер и др. (2006) Биохим. Биофиз. Акта об. 1757 (8) стр. 942–68 doi 10.1016/j.bbabio.2006.06.005
- ^ Перейти обратно: а б Ульманн и др. (2008) Фотосинт. Рез. 97 том. 112 стр. 33–55 doi 10.1007/s11120-008-9306-1
- ^ Перейти обратно: а б Антосевич и др. (2011) Мол. БиоСист. том 7 стр. 2923–2949 дои 10.1039/C1MB05170A
- ^ А. Онуфриев, Д.А. Кейс и Г.М. Ульманн (2001). Биохимия 40: 3413–3419 doi 10.1021/bi002740q
- ^ «H++ (вычислительное предсказание состояний протонирования и pK ионизируемых групп в макромолекулах через Интернет)» . newbiophysicals.cs.vt.edu . Проверено 26 января 2023 г.
- ^ Тайнан-Коннолли, Б.М.; Нильсен, Дж. Э. (22 декабря 2006 г.). «Изменение значений рКа белка» . Белковая наука . 16 (2): 239–249. дои : 10.1110/ps.062538707 . ISSN 0961-8368 . ПМК 2203286 . ПМИД 17189477 .
- ^ Ли, Хуэй; Робертсон, Эндрю Д.; Дженсен, Ян Х. (17 октября 2005 г.). «Очень быстрое эмпирическое предсказание и рационализация значений рКа белка» . Белки: структура, функции и биоинформатика . 61 (4): 704–721. дои : 10.1002/прот.20660 . ПМИД 16231289 . S2CID 38196246 .
- ^ Тан, Куан Перн; Нгуен, Тхань Бинь; Патель, Сиддхарт; Варадараджан, Рагхаван; Мадхусудхан, MS (1 июля 2013 г.). «Глубина: веб-сервер для расчета глубины, размеров полостей, обнаружения потенциальных полостей, связывающих лиганды для малых молекул, и прогнозирования pKa ионизируемых остатков в белках» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (П1): W314–W321. дои : 10.1093/нар/gkt503 . ISSN 1362-4962 . ПМЦ 3692129 . ПМИД 23766289 .
- ^ Доннини и др. (2011) J. Chem. Теория Комп. том 7 стр. 1962–78 doi 10.1021/ct200061r .
- ^ Уоллес и др. (2011) J. Chem. Теория Комп. том 7, стр. 2617–2629 doi 10.1021/ct200146j .
- ^ Го и др. (2012) J. Chem. Теория Комп. том 8, стр. 36–46, doi 10.1021/ct2006314 .
- ^ Ульманн (2003) J. Phys. хим. Б том 107 стр. 1263–71 doi 10.1021/jp026454v .
- ^ Перейти обратно: а б Ульманн и др. (2012) Дж. Компьютер. хим. том 33 стр. 887–900 дои 10.1002/jcc.22919
- ^ Метрополис и др. (1953) J. Chem. Физ. том 23 стр. 1087–1092 doi 10.1063/1.1699114
- ^ Бероза и др. (1991) Учеб. Натл. акад. наук. США, том 88, стр. 5804–5808, doi 10.1073/pnas.88.13.5804.
- ^ Ван и Ландау (2001) Phys. Ред. E, том 64, стр. 056101 doi 10.1103/PhysRevE.64.056101
- ^ Танфорд и Роксби (1972) Биохимия, том 11, стр. 2192–2198 дои 10.1021/bi00761a029
- ^ Башфорд и Карплюс (1991) J. Phys. хим. том 95, стр. 9556–61, doi 10.1021/j100176a093
- ^ Гилсон (1993) Белки , том 15, стр. 266–82, doi 10.1002/prot.340150305
- ^ Антосевич и др. (1994) Дж. Мол. Биол. том 238 стр. 415–36 дои 10.1006/jmbi.1994.1301
- ^ Спасов и Башфорд (1999) J. Comput. хим. том 20 стр. 1091–1111 doi 10.1002/(SICI)1096-987X(199908)20:11<1091::AID-JCC1>3.0.CO;2-3
- ^ Бероза и др. (1995) Биофиз. J. vol 68 pp. 2233–2250 doi 10.1016/S0006-3495(95)80406-6
- ^ Цванциг (1954) J. Chem. Физ. том 22 с. 1420–1426 дои 10.1063/1.1740409
- ^ Ульманн и др. 2011 Дж. Физика. хим. Б. том 68, стр. 507–521 doi 10.1021/jp1093838
- ^ Кирквуд (1935) J. Chem. Физ. том 2 стр. 300–313 doi 10.1063/1.1749657
- ^ Брукнер и Бореш (2011) J. Comput. хим. том 32 стр. 1303–1319 doi 10.1002/jcc.21713
- ^ Брукнер и Бореш (2011) J. Comput. хим. том 32 стр. 1320–1333 doi 10.1002/jcc.21712
- ^ Яржинский (1997) Phys. Rev. E , том, стр. 2233–2250, doi 10.1103/PhysRevE.56.5018.
- ^ Беннетт (1976) J. Comput. Физ. том 22 стр. 245–268 doi 10.1016/0021-9991(76)90078-4
- ^ Бомбарда и др. (2010) J. Phys. Ткань. Том Б, 114 стр. 1994–2003 гг., номер 10.1021/jp908926w .
- ^ Башфорд и Герверт (1992) Дж. Мол. Биол. том 224 стр. 473–86 дои 10.1016/0022-2836(92)91009-Э
- ^ Спасов и др. (2001) Дж. Мол. Биол. том 312 стр. 203–19 doi 10.1006/jmbi.2001.4902
- ^ Ульманн и др. (2011) J. Phys. хим. B том 115 стр. 10346–59 doi 10.1021/jp204644h
- ^ Ванлей Вэй, Эрве Хогс и Траян Сулеа (2023) J. Chem. Инф. Модель. том 63, вып. 16, с. 5169–5181 [1]
Внешние ссылки
[ редактировать ]- AccelrysPKA [ мертвая ссылка ] на основе Accelrys CHARMm K — Расчет p
- H++ p K a на основе Пуассона–Больцмана. — расчеты
- MCCE2 — Мультиконформационная электростатика сплошных сред (Версия 2)
- Карлсберг+ [ мертвая ссылка ] - p K расчет с несколькими конформациями, адаптированными к pH.
- PETIT — Протонное и электронное ТИТрирование
- GMCT — обобщенное титрование Монте-Карло
- Веб-сервер DEPTH — Эмпирический расчет значений p K a с использованием глубины остатка в качестве основной функции.