гидрофобное ядро

Гидрофобный эффект
(наивное объяснение)
• Межмолекулярный уровень
Неполярные молекулы в полярном
растворителе (воде) стремятся агрегировать
так, чтобы минимизировать поверхность
контакта с растворителем
Неполярные молекулы (green) в
полярном растворителе (orange)
Гидрофобный эффект в белках (и
других макромолекулах)
• Внутримолекулярный уровень
Неполярные атомные группы (CH3 и др.)
белка стремяться собраться внутри
молекулы чтобы минимизировать
контакт с полярными группами и
полярным растворителем (водой)
4Ǻ срез структуры белка
Green balls =
non-polar groups
Red = oxygens
Blue = nitrogens
White = carbons bonded
with oxygens or
nitrogens
Hydrogen atoms not
shown
Гидрофобный эффект в белках
• Т.н. гиброфобное ядро дает
существенный вклад в стабильность
глобулы многих белков
• Гидрофобный эффект важен для белокбелкового взаимодествия,
взаимодействия белок-ДНК и других
межмолекулярных взаимодействий
Как измерять гидрофобный
эффект in silico?
Для межмолекулярного
взаимодействия
Расчет площади поверхности, скрытой
при взаимодействии (ASA) отражает
вклад гидрофобного эффекта
ASA – это только число ( Å2), нет
описания деталей!
Симуляция молекулярной динамики,
конечно, отражает гидрофобный
эффект!
Но не локализует его!
Подходы к локализации гидрофобного
эффекта в белка и межмакромолекулярных
взаимодействиях
•
•
•
•
•
•
•
Kannan & Vishveshwara, 1999
Tsai & Nussinov, 1997
Swindells, 1995
Zehfus, 1995
Heringa & Argos, 1991
Plochocka et al., 1988
Наша группа: Alexeevski et al,. 2003
Swindells: группировка гидрофобно
взаимодействующих неэкспонированных остатков
• Отбираются остатки, которые
– Слабо экспонированы (<7%)
– Принадлежат спиралям или тяжам
– Более 75% контактов их атомов с другими атомами
классифицируются как гидрофобные
Контактом считается сближение “тяжелых” атомов
на сумму vdW радиусов + 1 ангстрем
Гидрофобным контактом считается контакт
углеродов
Два остатка из отобранных считаются
взаимодействующими гидрофобно если
число гидрофобных межатомных
контактов превосходит число
негидрофобных межатомных контактов
Строится граф:
• Вершина – отобранный остаток
• Ребро соединяет вершины, если
соответствующие остатки гидрофобно
взаимодействуют
• Связные компоненты графа, содержащие
5 или более остатков, называются
гидрофобными ядрами
Граф гидрофобных контактов
(пример)
Zehfus: компактные группы боковых
цепей остатков
• Вводится мера Z компактности набора остатков
(отношение ASA к минимальной возможной
поверхности)
• Выращиваются группы путем наращивания
остаток за остатком (жадным алгоритмом)
• С помощью Z-score (который здесь назван ζ) по
статистике кластеров из данного числа остатков
выбираются наиболее компактные группы.
• Часто они состоят, в основном, из гидрофобных
остатков
Кластеры неполярных атомных групп
• Элементарной единицей служат
неполярные атомные группы (CH3 и т.п.)
вместо аминокислотных остаков
• Алгоритм основан на делении целого, а
не на наращивании из элементов
В чем задача:
• Для данной структуры найти области
пространства, заполненнные только
или преимущественно неполярными
группами
Неполярные группы в белках:
•
•
•
•
—CH3
—CH2—
—CH<
—SH, —S —
не связанные ковалентно с полярными (N
и O) атомами
Назовем такие группы ‘HF-атомами’
“Гидрофобная область” в
структуре (HF-область):
• HF-область заполнена преимущественно
HF-атомами
• Каждый HF-атом в области имеет
несколько гидрофобных контактов с
другими HF-атомами из той же области
• Гидрофобное взаимодействие между
разными HF-областями слабое
Конфигурация HF-атомов на плоскости
и что хотим в ней найти
Алгоритм ‘(k,l)-разрезов:
input
output
3D структура => список HF-областей
Каждая Hf-область описавается как
1) список HF-атомов
2) параметры HF-области
(число HF-атомов, центр тяжести области,
полуоси эллипсода вращения и др.)
Шаги алгоритма (k,l)-разрезов
•
•
•
•
Создание графа HF-атомов
Нахождение всех (k,l)-разрезов графа
Удаление всех (k,l)-разрезов из графа
Нахождение кластеров, т.е. Связных
компонент полученного графа
Граф контактов HF-атомов
• Вершина – один HF-атом
• Ребро соединяет два атома если они
контактируют
Два типа ребер
• Ковалентные связи и, более обще, пары атомов
на фиксированном расстоянии в силу
форсмажора – стереофимических ограничений
• Гидрофобные контакты
C
C
C
Критерии контакта
m
d
d d0,
(d0’=5.4Ǻ, d0’’=4.5Ǻ)
m m0
(m0=3.0Ǻ)
Что такое (k,l)-разрез графа?
• Определение: (k,l)-разрез графа – это
связный подграф G, содержащий k-ребер,
такой , что l-реберная окрестность его
после удаления ребер G распадается на
две или более связных компоненты
Подграф G1 (красные
ребра) является
(2,1)-разрезом
G1
Подграф G2 (красные
ребра) не является
(2,1)-разрезом
G2
Clusters
(1,1)-cuts
(2,1)-cut
Graph
HF-atoms
after
of(red
(red
HF-atoms
(1,1)-cutting
(2,1)-cutting
edges)
edges)
Cluster 4
Cluster 11’
Cluster
Cluster 3
Cluster 2
Cluster 1’’
Algorithm complexity
• Time T can be considered as linear with
respect to the number N of atoms in 3D
structure; constant C is large
• C depends exponentially on the parameter k
of (k,l)-cut algorithm
• Seems only small k=1,2,3,... are sufficient for
HF-clusters detecting
• Special ordering of edges helps to decrease
an exhaustive search of connected
k-edges-subgraphs of a graph
Working version of the on-line
program ‘ClusterDetector’ (CluD)
is available now at
http://monkey.belozersky.msu.ru/~mlt/HF_page.html
(реализованы k=l=1)
On-line CluD interface
HF-clusters of RdRp RHDV
Консервативное гиброфобное
ядро гомеодоменов
• Homeodomains are about 60 aa wellconserved DNA-recognizing domains of
eukaryotic transcription factors
• There are 62 chains of homeodomains in
PDB representing 20 different proteins
• Homeodomain consists of a ‘hand’ and 3
-helices
Homeodomain structure
Определение консервативноего
гидрофобного ядра
• Остатки во всех 62х структурах гомеодоменов
пронумерованы соответственно выравниванию
• Для каждого гомеодомена найден самый большой
HF-кластер – гидрофобное ядро (число HFатомов в нем было от 77 до 97)
• В выравнивании позиции, остатки в которых
давали вклад в HF-ядро во всех структурах,
были отмечены
• HF-атомы из остатков в этих позициях
считались входящими в консервативное HF-ядро
1AHD
1B72
1B81
1DU0
2HDD
3HDD
1JGG
1JGG
1BW5
1AKH
1YRN
1LE8
1MNM
1K61
1YRN
1APL
1LE8
(P)
(A)
(A)
(B)
(A)
(A)
(A)
(B)
(A)
(A)
(A)
(D)
(A)
(B)
(C)
MRKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFN---RYLTRRRRIE
LRTNFTTRQLTELEKEFHFN---KYLSRARRVE
RQTYTRYQTLELEKEFHTN---HYLTRRRRIE
RPRTAFSSEQLARLKREFNEN---RYLTERRRQQ
RTAFSSEQLARLKREFNEN---RYLTERRRQQ
RTAFSSEQLARLKREFNEN---RYLTERRRQQ
RYRTAFTRDQLGRLEKEFYKE---NYVSRPRRCE
RYRTAFTRDQLGRLEKEFYKE---NYVSRPRRCE
TTRVRTVLNEKQLHTLRTCYAAN---PRPDALMKEQ
ISPQARAFLEEVFRRK---QSLNSKEKEE
ISPQARAFLEQVFRRK---QSLNSKEKEE
KSSISPQARAFLEQVFRRK---QSLNSKEKEE
TKPYRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN
RGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN
TKPYRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN
YRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN
RGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN
Conserved HF-core of homeodomains
Position
Number
of HFatoms
contributed
into HFcore
Amino
acid
residues
observed in
the
position
8
3-7
16
4
20
26
31
34
40
44
45
6 - 7 2 - 4 2- 4 3 - 4 3 - 4 1 - 3 3 - 4
Phe Leu Phe Leu Arg Ile Leu Arg
Ile
Tyr Pro Ile Leu Met Gln
Tyr
Ile Leu Met Ile Thr
Trp
Val Lys Val Val Val
Leu
Ile
Val
48
49
52
7
3, 7 1 - 3
Trp
Phe Arg
Val His
Lys
Conserved HF-core of All HF-atoms of
Mat2 homeodomain Mat2 homeodomain
Space region comprised by HFcore is conserved
in homeodomains
• In 62 superimposed homeodomains HF-cores
of 59 homeodomains lie completely in the 3Å
neighborhood of the HF-core of Msh
homeodomain !
• In two cases 4-6 HF-atoms lie out of the
neighborhood. One is MatA1 homeodomain
having no N-terminal hand. Another is
average NMR structure.