Топология

Топология и архитектура
Топология
это описание последовательности элементов
вторичной структуры и их взаимного
расположения в пространстве
Белки имеют одинаковую топологию если
основные элементы вторичной структуры
расположены в последовательности в одном и
том же порядке и взаимное расположение этих
элементов в пространстве сходно.
Термины “укладка” (folding) и “топология”
(topology) обычно трактуются как синонимы
Слово “основные” в определении
одинаковой топологии существенно, хотя и
может трактоваться по разному …
Каталаза
Флаводоксин
(C-концевой домен)
Пример одинаковой топологии
Вторичная структура
C-концевого домена
Каталазы 1CFG
Вторичная структура
флаводоксина 1AG9
Выравнивание элементов вторичной структуры
S4 H2 S5 - S1 S2 S3 H2 S2 H1 S1 - H1 –
| | |
| | | | |
|
S4 H2 S5 h1 - - S3 H2 S2 H1 S1 S1’ H1 h1
Архитектура
это описание взаимного расположения в
пространстве элементов вторичной структуры
без учета их последовательности в
полипептидной цепи
Т.о., белки с одинаковой топологией (укладкой) имеют
одинаковую архитектуру, по определению.
Обратное не верно!
Примеры
Архитектура – пучек 4х параллельных спиралей
Топология пучка параллельных
спиралей б.м. адекватно может
быть отражена диаграммой TOPS
Диаграмма TOPS
Диаграмма TOPS
Два бета-листа (см.ниже) имеют
одинаковую архитектуру, но
разную топологию
• К сожалению, на сегодня отсутствуют
адекватные универсальные способы
описания топологии … Поэтому остается
большой произвол в трактовке того, какие
топологии встречаются в белках, сколько
разных топологий и т.п.
В отличие от сравнительной однозначности в трактовке
элементов вторичной структуры разными авторами и
программами!
Примеры описания топологии.
TOPS
На самом деле, у этих белков сходная топология
Примеры укладок, архитектур
Протимозин альфа
Не имеет постоянной структуры!
Эмпирический принцип
Уместно повторить:
Гомологичные участки
последовательности =>
одинаково расположенные участки
полипептидной цепи
• Обратное не верно!
Как соотносится принцип с примером???
Белки, не имеющие постоянной формы
(Intrinsically unstructured proteins)
Peter Tompa and Peter Csermely
FASEB J 18: 1169-75 (2004)
(См. также презентацию на kodomo)
Примеры, частые в глобулярных белках
• Бета-сэндвич (sandwich)
• Бета-баррель (barrel)
• Рулет (jelly roll) – по существу, сэндвич,
содержащий мотив “рулет”
• Бета-спираль (beta-helix)
• 3х (4х) спиральный узел (3helical bundle)
• Пучек спиралей (parrallel helical bundles)
• Спирализованная спираль
• Альфа-бета цилиндр (TIM barrel)
• Укладка Россмана (Rossman fold)
Бета-сэндвичи
ядро образовано двумя примерно
параллельными бета листами
Параллельный
Ортогональный
Характерный мотив – интерлок; часто также греческий ключ.
Бета-баррель
Бочонок, образованный
бета-тяжами.
Ядро образовано единым
бета листом, свернутым
примерно в цилиндр.
В ряде примеров
“дифференциальный
диагноз” с сэндвичем
затруднен
Мальтопорин.
Преальбумин
Порины - трансмембранные белки
внешней мембраны грам-отрицательных бактерий
BIFUNCTIONAL PROTEIN (ACTS AS BIOTIN OPERON
REPRESSOR AND BIOTIN HOLOENZYME SYNTHETASE)
1BIA
Тоже аннотирован как бета-баррель
Бета-рулет
Сэндвич-подобная архитектура. Укладка – на основе мотива
Jelly roll
1tim
triose phosphate isomerase
TIM barrel
Укладка Россмана: бета-лист, окруженный альфа-спиралями
с двух сторон. Основана на элементах бета-альфа-бета.
Бета-пропеллер
2bat neuraminidase
This fold is called a
beta propellor;
there are six 'blades' in
neuraminidase
Бета-пропеллер
(2bat)
2mhr
Альфа-бета подкова
placental ribonuclease inhibitor 1bnh
Структурная классификация
доменов
• SCOP (Murzin, Benner, Hubbard,
Chotia, 1995)
• CATH (Orengo et al., 1993, 1997)
• FSSP (Holm&Sander, 1993)
• другие
Structural Classification of
Proteins, SCOP
• Экспертное выделение доменов
• Экспертная классификация
Уровни классификации в SCOP
•Класс
•Укладка (fold) – сходная топология
•Суперсемейство – структурная гомология (?)
•Семейство – сходство последовательностей
и/или хорошее пространственной выравнивание
цепей
•Белок – б.м. ортологичные белковые домены
•Вид – конкретный белок
SCOP: Structural Classification
of
Proteins
top
CLASS
All alpha (218)
All Beta (144)
Alpha+Beta (279)
Alpha/Beta (136)
FOLD
Trypsin-like serine proteases (1)
Immunoglobulin-like (23)
SUPERFAMILY
Transglutaminase (1)
Immunoglobulin (6)
FAMILY
By Michael
Schroeder, Biotec,
C1 set domains
(antibody constant)
V set domains
(antibody variable)
Классы
Основные
• Альфа-спиральные домены
(218 укладок)
• Бета-структурные домены
(144)
• Альфа/бета структурные домены (a/b)
(бета-альфа-бета структурные единицы)
(136)
• Альфа+бета домены (a+b)
(279)
(разделенные альфа спиральные и бета-структурные
области)
Класс: альфа-спиральный
Укладка: цитохром С
Цитохром С 553 из
BACILLUS PASTEURII
(1c75)
Класс: бета-структурный
Укладка: OB-fold
Белок, связывающий одноцепочечную ДНК (3ull)
Разница между a/b и a+b
a/b:
- Спирали и тяжи вместе
образуют глобулу
-Часто спираль соединяет два
тяжа как показано на рис. ниже
(бета-альфа-бета мотив)
1TPH Triosephosphate isomerase
from Chicken (Gallus gallus) 1TPH
Разница между a+b и a/b
a+b:
- Спирали и тяжи более или
менее разобщены
- Часто спирали образуют свое
маленькое ядро
- Мотивы -- встречаются
редко
2ACT. ACTINIDIN
(SULFHYDRYL PROTEINASE)
Специфические
•Многодоменные белки
(сложные домены)
(46)
•Мембранные
(кроме белков иммунной системы)
(47)
•Маленькие
(75)
Формально собранные классы
Спирализованные спирали
(6)
Низкое разрешение
(24)
Пептиды, фрагменты
(116)
Искусственные белки
(42)
Маленьким для стабильности
нужны дополнительные
ухищрения!
Инсулин-подобный фактор роста
(human)
(1imx)
S-S мостики показаны зеленым
Цинковые пальцы C2H2
(mouse)
(1ali)
Атомы Zn – пурпурные шарики
SCOP:
Structural Classification of Proteins
.
1.75 release
38221 PDB Entries (23 Feb 2009). 110800 Domains.
Class
All alpha proteins
All beta proteins
Alpha and beta proteins (a/b)
Alpha and beta proteins
(a+b)
Multi-domain proteins
Membrane and cell surface
proteins
Small proteins
Total
Number of Number of
folds
superfamilies
Number of
families
284
174
147
507
354
244
871
742
803
376
552
1055
66
66
89
58
110
123
90
1195
129
1962
219
3902
Класс all-beta
"Вид"
Укладок
sandwich
57
barrel
55
complex
10
other
10
propeller
5
beta-helix
3
beta-prizm
3
spiral
1
Общий итог
144
Class Architecture Topology
Homologous superfamily, CATH
• Белок делится на домены автоматически при
согласованных результатах трех алгоритмов:
– DETECTIVE (Swindells, 1995),
– PUU (Holm & Sander, 1994)
– DOMAK (Siddiqui and Barton, 1995).
• При несовпадении результатов алгоритмов –
решение о доменах за экспертом
Первичная классификация
автоматическая (алгоритм SSAP, Taylor
& Orengo 1989).
При отказах программы решение
принимает эксперт
CATH: уровни классификации
• Класс: основные all-alpha, all-beta, alpha-beta
• Архитектура: сходное пространственное
расположение элементов вторичной структуры
без учета их последовательности
• Топология (укладка): сходное взаимное
расположение вдоль цепи и в пространстве
элементов вторичной структуры
• Суперсемейство: предположительно или
несомненно гомологичные домены
• Семейство: сходные последовательности (>35%
identity и выровненные участки покрывают >60%
длины)
В каждой структурной классификации –
свои “причуды”
Two-layer sandwich (?!)
CATH: два (?!!!) “домена” (?!!!)
(красный и зеленый) в структуре
токсина перфринголизин О из
патогенной бакетрии Clostridium
Perfringens (PDB код 1PFO)
Вот что может автоматика ?!
(В базе SCOP это один домен)
SCOP: этот полипептид был классифицирован как
один структурный домен класса all alpha (???) (белок транскрипционный фактор из Listeria monocytogenes,
регулирующий основные гены вирулентности)
Человеческий фактор (?)
В последнем релизе
разделен на два домена
Классификации SCOP и
CATH часто не совпадают
Sandwich or barrel?
Cation-dependent mannose
6-phosphate receptor, extracytoplasmic
domain
PDB 1c39_A
SCOP:
barrel, partly open;
CATH Architecture:
Distorted Sandwich
In the same CATH architecture one can find
classical Ig-like fold according SCOP!
Herpes Simplex Virus glycoprotein
PDB 1jma_A
CATH Architecture:
Distorted Sandwich
SCOP:
Immunoglobulin-like
beta-sandwich
CATH – architectures
CATH – architectures (cont.)