Учебная страница курса биоинформатики,
год поступления 2019

Семестры Студенты Преподаватели

• 2023
• 2022
• 2021
• 2020
• 2018
• 2017
• 2016
• 2015

• ...

Водороды, pKa, pH-зависимость стабильности

Навыки в этом практикуме:

• предсказывать pKa остатков, интерпретировать предсказания
• объяснять зависимость строения белка от изменений pH

Выберите один из белков из Таблицы. Структуры всех этих белков получены при кислом pH. Мы можем ожидать каких-то особенностей, присущих этим условиям. Ваша задача – найти их, описать, что, по вашему мнению, произойдет со структурой при повышении pH, и как можно провести дизайн, чтобы убрать эту зависимость стабильности от pH.

Что в принципе можно делать со структурой, если перед вами поставили задачу объяснить, почему она работает в кислой среде / только в кислой среде? Тривиальный вариант – посмотреть на все остатки, которые теоретически могут менять свое строение в зависимости от pH. Для пары кислая/нейтральная среда это His, Asp, Glu – в кислой они будут с дополнительным протоном.

Но смотреть на каждый остаток весьма долго и уныло. Что еще можно сделать? Например, искать пары Asp-Glu, находящиеся на расстоянии водородной связи. Это можно сделать автоматически с помощью ProDy. Но это не покрывает всех возможных случаев участия протонированного в кислой среде остатка в поддержании сетей взаимодействий, стабилизирующих структуру. Например, может быть случай, когда есть водородная связь между боковым радикалом Asp и остовным кислородом какого-то другого остатка. В принципе, поиск таких случаев тоже можно наладить в ProDy. Но встает вопрос о каталогизации всех возможных случаев, и следом за ним, еще один – а так ли необходимо это делать? Можно ли пойти иным путем?

Можно. Факт протонирования титрабельного остатка значит, что его локальный pKa выше, чем pH среды. Если есть метод оценки этого числа, то он сделает за нас всю работу. Такие инструменты существуют, самый популярный называется PROPKA, он имплементирован в составе веб-сервиса PDB2PQR. Воспользуемся им для нашего белка.

Что делать в этом практикуме

1. Зайдите на PDB2PQR

2. В графе PDB ID укажите ваш белок

3. В графе pH – значение pH, при котором происходила кристаллизация (ее можно найти на странице записи в RCSB PDB в разделе Experimental Data & Validation, по кнопке View more in-depth experimental data)

4. Все остальные параметры оставьте по умолчанию
5. Нажмите Start Job
6. Подождите 5 минут
7. Скачайте файлы с расширением .pqr и .log
8. Откройте .log в любом текстовом редакторе. Найдите строчку "SUMMARY OF THIS PREDICTION". Вам нужна таблица после. В ней перечислены предсказанные значения pKa. Найдите остатки Asp, Glu, His с самыми высокими pKa, которые также выше, чем pH кристаллизации. Они наши подозреваемые в первую очередь. Далее рассмотрите вблизи 1-3 таких остатка.

9. Откройте .pqr в PyMol. Это файл структуры с добавленными водородами. Найдите выбранные остатки. Изучите окружение. Сделайте картинки.

10. Дайте ответ на вопрос: права ли PROPKA с фактом протонирования?

11. Дайте ответ на вопрос: права ли PROPKA с местонахождением протона? Если нет, то где на остатке он должен находиться? Почему? Сделайте картинки, подтверждающие ваши мысли.

12. Пофантазируйте, что произойдет с рассмотренным участком структуры, если остаток потеряет протонирование? Насколько катастрофическими будут изменения? (*) Можно ли сказать, что ваш белок способен выполнять свою функцию только в кислой среде?

13. Можно ли внести замену так, чтобы "отключить" pH-зависимость взаимодействий в этом месте? На что? Используйте PyMol mutagenesis, чтобы изменить структуру и сделать картинку, подтверждающую ваши мысли.

14. (*) Почему вышло так, что PROPKA права с фактом, но не с местом? (Тут вам нужно будет обратиться к статье и деталям алгоритма)

15. (*) Как AlphaFold предсказывает это место? Выучил ли он, что остатки могут быть протонированными?

16. (*) PROPKA быстрая, популярная и неточная. Появляются и другие инструменты, например, pKa-ANI. Если интересно, можете поставить локально и сравнить выдачу.