Введение

В вычислительной биологии, расчеты pKa белка используются для оценки pKa-значений аминокислот, как они существуют в белках. Эти расчеты дополняют значения pKa, сообщаемые для аминокислот в их свободном состоянии, и часто используются в области молекулярного моделирования, структурной биоинформатики и вычислительной биологии.

Значения pKa аминокислот

Значения pKa боковых цепей аминокислот играют важную роль в определении характеристик белка, зависящих от pH. Например, зависимость рН от активности, проявляемой ферментами, и зависимость рН от стабильности белка являются свойствами, которые определяются значениями pKa боковых цепей аминокислот. Значения pKa боковой цепи аминокислоты в растворе обычно выводятся из значений pKa модельных соединений (соединений, которые похожи на боковые цепи аминокислот). См. Аминокислоты для значений pKa всех боковых цепей аминокислот, выведенных таким образом. Существует также многочисленные экспериментальные исследования, которые дали такие значения, например, с использованием спектроскопии NMR. В таблице ниже приведены значения модели pKa, которые часто используются в расчете pKa белка, и содержится третья колонка, основанная на исследованиях белка. Аминокислоты 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 термин 8. 0 C термин 3. 6

Влияние белковой среды

Когда белок складывается, титрируемые аминокислоты в белке переносятся из раствороподобной среды в среду, определяемую трехмерной структурой белка. Например, в раскрытом белке, аспарагиновая кислота обычно находится в среде, которая подвергает титрованную боковую цепь воздействию воды. Когда белок складывается, аспаргиновая кислота может оказаться глубоко в белке без воздействия растворителя. Кроме того, в сложенном белке аспарагиновая кислота будет ближе к другим титрируемым группам в белке и также будет взаимодействовать с постоянными зарядами (например, ионами) и диполами в белке. Все эти эффекты изменяют значение pKa боковой цепи аминокислот, и методы расчета pKa обычно рассчитывают влияние белковой среды на значение pKa модели боковой цепи аминокислот. Как правило, влияние белковой среды на значение pKa аминокислоты подразделяется на pH-независимые и pH-зависимые эффекты. Независимые от pH эффекты (растворение, взаимодействие с постоянными зарядами и диполами) добавляются к модельному значению pKa для получения внутреннего значения pKa. В зависимости от pH эффекты не могут быть добавлены таким же простым способом и должны учитываться с использованием суммирования Болцмана, итераций Танфорда-Роксби или других методов. Взаимодействие внутренних значений pKa системы с электростатическими энергиями взаимодействия между титрируемыми группами может привести к довольно впечатляющим эффектам, таким как кривые титрования не-ГендерсонаГассельбалха и даже эффекты обратного титрования. На изображении справа показана теоретическая система, состоящая из трех кислотных остатков. Одна группа показывает событие обратной титровки (синяя группа).

Методы расчета pKa

Для расчета значения pKa белка доступно несколько программных пакетов и веб-серверов.

Использование уравнения Пуассона и Болцмана

Некоторые методы основаны на решениях уравнения Пуассона-Болцмана (PBE), часто называемых методами на основе FDPB (FDPB означает "определенная разница Пуассона-Болцмана"). PBE - это модификация уравнения Пуассона, которая включает в себя описание влияния ионов растворителя на электростатическое поле вокруг молекулы. Веб-сервер H ++, веб-сервер pKD, MCCE2, Karlsberg +, PETIT и GMCT используют метод FDPB для вычисления значений pKa боковых цепей аминокислот. Методы, основанные на FDPB, рассчитывают изменение значения pKa боковой цепи аминокислоты, когда эта боковая цепь перемещается из гипотетического полностью сольвированного состояния в свое положение в белке. Для выполнения такого расчета необходимы теоретические методы, которые могут рассчитать влияние внутреннего белка на значение pKa, и знание значений pKa боковых цепей аминокислот в их полностью сольвированных состояниях. Эти правила составляют основу для веб-программы под названием PROPKA для быстрого прогнозирования значений pKa. Недавняя эмпирическая программа прогнозирования pKa была выпущена Tan KP et. - Да, сэр. с онлайн-сервером DEPTH веб-сервера.

Методы, основанные на молекулярной динамике (МД)

Методы молекулярной динамики расчета pKa позволяют учитывать полную гибкость титрованной молекулы. Методы, основанные на молекулярной динамике, как правило, намного более дороги в вычислительном отношении и не обязательно более точны, чем подходы, основанные на уравнении Пуассона-Болцмана. Ограниченная конформационная гибкость также может быть реализована в рамках подхода к континуумной электростатике, например, для рассмотрения множества ротамеров боковой цепи аминокислот. Кроме того, текущие широко используемые молекулярные силовые поля не учитывают электронную поляризуемость, которая может быть важным свойством при определении энергий протонации.