Кіріспе
Дисплей атауы:Белгілік биологияда ақуыздық pKa есептеулері ақуыздықтардың ішінде бар амин қышқылдарының pKa мәндерін бағалау үшін қолданылады. Бұл есептеулер амин қышқылдарының еркін күйінде есептелген pKa мәндерін толықтырады және молекулалық модельдеу, құрылымдық биоинформатика және есептеу биологиясы салаларында жиі қолданылады.
In computational biology, protein pKa calculations are used to estimate the pKa values of amino acids as they exist within proteins. These calculations complement the pKa values reported for amino acids in their free state, and are used frequently within the fields of molecular modeling, structural bioinformatics, and computational biology.
Амин қышқылдарының pKa мәндері
Амин қышқылдарының бүйірлік тізбектерінің pKa мәндері ақуыздың pH-ға тәуелді сипаттамаларын айқындауда маңызды рөл атқарады. Мысалы, ферменттер белсенділігінің pH тәуелділігі және белок тұрақтылығының pH тәуелділігі амин қышқылдарының бүйірлік тізбектерінің pKa мәндерімен анықталады. Ерітіндідегі амин қышқылының бүйірлік тізбектерінің pKa мәндері әдетте модельдік қосылыстардың (амин қышқылдарының бүйірлік тізбектеріне ұқсас қосылыстардың) pKa мәндерінен анықталады. Осылайша алынған барлық аминқышқылдардың бүйірлік тізбектерінің pKa мәндері үшін аминқышқылды қараңыз. Сондай-ақ, көптеген эксперименталды зерттеулер осындай мәндерді берді, мысалы, NMR спектроскопиясын пайдалану арқылы. Төмендегі кестеде ақуыздың pKa-ны есептеуде жиі қолданылатын pKa-ның модельдік мәндері келтірілген, ал үшінші баған ақуыз зерттеулеріне негізделген. Амин қышқылы pKa pKa Asp (D) 3. 9 4.0 Glu (E) 4.3 4.4 Arg (R) 12. 0 13. 5 Lys (K) 10. 5 10. 4 His (H) 6. 08 6. 8 Cys (C) (SH) 8. 28 8. 3 Tyr (Y) 10. 1 9. 6 N термині 8. 0 C термині 3. 6
Белсенді ортаның әсері
Белок бүлінген кезде белоктағы титрленетін амин қышқылдары ерітінді тәрізді ортадан белоктың 3 өлшемді құрылымымен анықталатын ортаға көшіріледі. Мысалы, ашылмаған белоктарда аспартик қышқылы, әдетте, титрленетін бүйірлік тізбекті суға шығаратын ортада болады. Белсенің бүлінуі кезінде аспартик қышқылы еріткішке әсер етпей, ақуыздың ішкі қабатына терең көміліп қалуы мүмкін. Сонымен қатар, бүктелген белокта аспартик қышқылы белоктағы басқа титрленетін топтарға жақын болады және сонымен қатар белоктағы тұрақты зарядтармен (мысалы, иондар) және дипольдермен өзара әрекеттеседі. Осы әсерлердің барлығы амин қышқылдарының бүйірлік тізбегінің pKa мәнін өзгертеді, ал pKa есептеу әдістері әдетте ақуыз ортасының амин қышқылдарының бүйірлік тізбегінің модельдік pKa мәніне әсерін есептейді. Әдетте, ақуыз ортасының амин қышқылының pKa-на әсері рН-ге тәуелсіз әсерлер мен рН-ге тәуелді әсерлерге бөлінеді. pH тәуелсіз әсерлер (тазалану, тұрақты зарядтар мен дипольдармен өзара әсерлесу) модельдің pKa мәніне қосылып, ішкі pKa мәнін береді. РН-ге тәуелді әсерлерді дәл осындай тікелей жолмен қосуға болмайды және оларды Болцманның жиынтығын, Танфорд-Роксби итерацияларын немесе басқа әдістерді қолдану арқылы есепке алу керек. Жүйенің ішкі pKa мәндерінің титрленетін топтар арасындағы электростатикалық өзара әрекеттесу энергиясымен өзара әрекеттесуі Хендерсоннан емес Хассельбалх титрлеу қисықтары және тіпті кері титрлеу әсерлері сияқты өте керемет әсерлерді туғыза алады. Оң жақтағы суретте үш қышқыл қалдықтарынан тұратын теориялық жүйе көрсетілген. Бір топта кері титрлеу оқиғасы (көк топ) көрсетіледі.
pKa есептеу әдістері
Белсенің pKa мәндерін есептеу үшін бірнеше бағдарламалық жасақтама мен веб-серверлер бар.
PoissonBoltzmann теңдеуін қолдану
Кейбір әдістер PoissonBoltzmann теңдеуінің (PBE) шешімдеріне негізделген, көбінесе FDPB негізделген әдістер деп аталады (FDPB "түпті айырмашылық PoissonBoltzmann" дегенді білдіреді). PBE - бұл молекуланың айналасындағы электростатик өрісте еріткіш иондарының әсерін сипаттайтын Пуассон теңдеуінің модификациясы. H++ веб-сервері, pKD веб-сервері, MCCE2, Karlsberg+, PETIT және GMCT амин қышқылдарының бүйірлік тізбектерінің pKa мәндерін есептеу үшін FDPB әдісін қолданады. FDPB негізделген әдістер амин қышқылының бүйірлік тізбегінің pKa мәнінің өзгеруін есептейді, бұл бүйірлік тізбегі гипотетикалық толық сольваттан ақуыздағы орнына ауысқан кезде. Мұндай есептеуді орындау үшін ақуыздың ішкі бөлігінің pKa мәніне әсерін және олардың толық сольватталған күйіндегі амин қышқылдарының бүйірлік тізбектерінің pKa мәндерін білу үшін теориялық әдістер қажет. Бұл ережелер pKa мәндерін жылдам болжау үшін PROPKA деп аталатын веб-желіге қол жетімді бағдарламаның негізін құрайды. Жақында Tan KP et компаниясы эмпирикалық pKa болжау бағдарламасын шығарды. ал. DEPTH веб серверімен онлайн сервермен.
Молекулалық динамикаға негізделген әдістер
pKa мәндерін есептеудің молекулалық динамикалық әдістері титрленген молекуланың толық икемділігін есепке алуға мүмкіндік береді. Молекулалық динамикаға негізделген әдістер әдетте Poisson Boltzmann теңдеуіне негізделген тәсілдерге қарағанда pKa мәндерін болжаудың есептеулік жағынан әлдеқайда қымбат және міндетті түрде дәл емес әдістері болып табылады. Конформациялық икемділіктің шектеулі болуы, сондай-ақ, үздіксіз электростатика әдісімен, мысалы, бірнеше аминқышқыл жақтап тізбектелген ротамерлерді қарастыру үшін жүзеге асырылуы мүмкін. Сонымен қатар, қазіргі кезде кеңінен қолданылатын молекулалық күш өрістері электронды поляризацияны ескермейді, бұл протонациялық энергияны анықтаудағы маңызды қасиет болуы мүмкін.