Введение

Карта контактов белка представляет собой расстояния между всеми возможными парами аминокислотных остатков в трехмерной структуре белка, используя бинарную двумерную матрицу. Для двух остатков и , элемент матрицы равен 1, если расстояние между этими остатками меньше заданного порогового значения, и 0 в противном случае. Предложено несколько различных определений контактов: расстояние между атомами Cα Cα с порогом 6–12 Å; расстояние между атомами Cβ Cβ с порогом 6–12 Å (для глицина используется Cα); и расстояние между центрами масс боковых цепей.

Обзор

Контактные карты предоставляют более упрощенное представление структуры белка по сравнению с полными 3D-координатами атомов. Преимущество заключается в том, что контактные карты инвариантны к вращениям и трансляциям. Их легче предсказывать методами машинного обучения. Также было показано, что при определенных условиях (например, при низком содержании ошибочно предсказанных контактов) возможно восстановить 3D-координаты белка на основе его контактной карты. Контактные карты также используются для суперпозиции белков и описания сходства между белковыми структурами. Они либо предсказываются на основе последовательности белка, либо рассчитываются из заданной структуры.

Прогноз на карте контактов

С появлением большого количества геномных последовательностей становится возможным анализировать их на предмет коэволюционирующих аминокислотных остатков. Эффективность этого подхода объясняется тем, что мутация в положении i белка с большей вероятностью будет ассоциирована с мутацией в положении j, чем с обратной мутацией в i, если оба положения функционально связаны (например, участвуя в ферментативном домене, находясь в непосредственной близости в трехмерной структуре белка или даже в олигомере этого белка). Существует несколько статистических методов для выявления таких пар связанных остатков в множественной последовательной выравнивании: наблюдаемые и ожидаемые частоты пар остатков (OMES), корреляция замещений на основе метода Маклаклана (McBASC), статистический анализ связей, методы, основанные на взаимной информации (MI), и, недавно, анализ прямого связывания (DCA). Алгоритмы машинного обучения позволили улучшить методы анализа множественных последовательных выравниваний, особенно для негомологичных белков (то есть, для выравниваний небольшой глубины). Предсказанные карты контактов использовались при прогнозировании структуры мембранных белков, где особое внимание уделялось взаимодействиям между альфа-спиралями.

Схема HB

Знание взаимосвязи между структурой белка и его динамическим поведением необходимо для понимания функции белка. Описание трехмерной структуры белка как сети водородных связей (HB-плот) было предложено в качестве инструмента для изучения структуры и функции белка. Анализируя сеть третичных взаимодействий, можно исследовать возможное распространение информации внутри белка. HB-плот предоставляет простой способ анализа вторичной и третичной структуры белка. Водородные связи, стабилизирующие вторичные структурные элементы (вторичные водородные связи), и связи, формирующиеся между удаленными аминокислотными остатками, определяемые как третичные водородные связи, могут быть легко различимы на HB-плоте, что позволяет идентифицировать аминокислотные остатки, участвующие в стабилизации структуры и функции белка.

Особенности

На графиках различают водородные связи основной цепи – основной цепи, основной цепи – боковой цепи и боковой цепи – боковой цепи. Также указаны бифурцированные и множественные водородные связи между аминокислотными остатками, а также внутри- и межцепочечные водородные связи. Три класса водородных связей различаются цветовой кодировкой: короткие (расстояние между донором и акцептором менее 2,5 Å), промежуточные (от 2,5 Å до 3,2 Å) и длинные (более 3,2 Å).

Цитохром Р450

Цитохромы P450 (P450s) – это мембранно-связанные гемосодержащие ферменты, метаболизирующие ксенобиотики, которые используют молекулярный кислород и электроны от NADPH-цитохрома P450-редуктазы для окисления своих субстратов. CYP2B4, представитель семейства цитохромов P450, является единственным белком этого семейства, рентгеновская структура которого в открытой и закрытой формах опубликована. Сравнение открытых и закрытых структур CYP2B4 выявляет масштабные конформационные перестройки между этими состояниями, причём наибольшие изменения происходят в области аминокислотных остатков 215–225, которые широко раскрыты в состоянии, свободном от лиганда, и смыкаются после его связывания, а также в области петли C вблизи гема. Анализ HB-диаграммы закрытого и открытого состояний CYP2B4 показал, что перестройка третичных водородных связей хорошо согласуется с современными представлениями о каталитическом цикле цитохромов P450. Первым этапом каталитического цикла P450 является связывание субстрата. Предварительное связывание лиганда вблизи входа разрывает водородные связи S212–E474, S207–H172 в открытой форме CYP2B4 и формирует водородные связи E218–A102, Q215–L51, которые фиксируют вход в закрытой форме, как показывает HB-диаграмма. Вторым этапом является перенос первого электрона от NADPH через цепь переноса электронов. Для переноса электрона происходит конформационное изменение, которое инициирует взаимодействие P450 с NADPH-цитохром P450-редуктазой. Разрыв водородных связей между S128–N287, S128–T291, L124–N287 и образование связей S96–R434, A116–R434, R125–I435, D82–R400 в месте связывания NADPH-цитохром P450-редуктазы – согласно HB-диаграмме – трансформирует CYP2B4 в конформационное состояние, необходимое для связывания NADPH-цитохром P450-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, размер и форма которого точно соответствуют молекуле кислорода.

Липокалинская семья

Семейство липокалинов представляет собой большое и разнообразное семейство белков, выполняющих функции транспортеров небольших гидрофобных молекул. Бета-лактоглобулин является типичным представителем семейства липокалинов. Было установлено, что бета-лактоглобулин играет роль в транспорте гидрофобных лигандов, таких как ретинол или жирные кислоты. Его кристаллическая структура была определена [например, Qin, 1998] с различными лигандами, а также в форме, свободной от лигандов. Определенные к настоящему времени кристаллические структуры показывают, что типичный липокалин содержит восемь антипараллельных бета-цепей, расположенных таким образом, чтобы сформировать коническую центральную полость, в которой связан гидрофобный лиганд. Структура бета-лактоглобулина показывает, что структура в форме бочки с центральной полостью белка имеет "вход", окруженный пятью бета-петлями с центрами приблизительно в позициях 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. При отсутствии альфа-спиралей основная диагональ практически исчезает, а на графике преобладают перекрестные диагонали, представляющие бета-листы. Относительно небольшое количество третичных водородных связей можно обнаружить на графике, с тремя областями высокой плотности, одна из которых связана с петлей вблизи остатков около 63, вторая – с петлей около 87, а третья область связана с областями 26 и 35. Пятая петля вокруг 111 представлена только одной третичной водородной связью на графике HB. В трехмерной структуре третичные водородные связи формируются (1) вблизи входа, непосредственно участвуя в конформационной перестройке во время связывания лиганда; и (2) в нижней части "бочки". Графики HB открытой и закрытой форм бета-лактоглобулина очень похожи, все уникальные мотивы можно распознать в обеих формах. Различия в графиках HB открытой и формы, связанной с лигандом, 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 быть критически важным для конформационной перестройки. Эти водородные связи расположены 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. Липокалины известны своей очень низкой схожестью последовательностей при высокой структурной схожести. Единственными консервативными областями являются области вокруг 20 и 160, функция которых неизвестна.