Атлас контактов бактериородопсина (6G7H)
Авторы: Левин И.1, Покровский С.1, Суслов А.1
1 - Факультет Биоинженерии и Биоинформатики МГУ им. М. В. Ломоносова
Учебный сайт Левина Ильи, 2-й семестр
Введение
Бактериородопсин - семиспиральный трансмембранный ретинальсодержащий белок, который был впервые выделен из археот.
Структура и функции
Данный белок является типичным протонным насосом, который обеспечивает перенос ионов водорода через плазматическую мембрану.
Процесс происходит, благодаря поглощению фотона ретиналем, который вскоре после этого переходит из полностью-транс- в 13-цис-форму, что позволяет переносить протон с одного конца семиспирального пучка на другой.
Биологическая роль
Бактериородопсин выполняет в клетках ту же функцию, что и хлорофилл в других организмах - обеспечивает преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей[1].
Применение
Бактериородопсин используется в фармакологии, биомедицине, био- и нанотехнологиях. Например, на его основе создается фоторецептор с микроэлектродом из SnO2, также с его помощью подается сигнал на светоизлучающие диоды. Главное применение этот нанотехнологический материал находит в искусственных энерго- и фотопреобразующих мембранах и нанопленках[2].
PDB ID: 6G7H.
Лиганды:
1-(2,6,10.14-тетраметилгексадекан-16-ил)-2-(2,10.14-триметилгексадекан-16-ил)глицерол
- Название по IUPAC: (2R)-3-{[(3S,7R,11S)-3,7,11,15-Tetramethylhexadecyl]Oxy}-2-{[(3R,7R)-3,7,15-Trimethylhexadecyl]Oxy}Propan-1-Ol;
- Молекулярная формула: C42H86O3;
- Молярная масса: 639.1 г/моль;
- PDB ligand code: LI1;
- PubChem CID: 49867239;
- SMILES (isomeric): C[C@H](CCCCCCCC(C)C)CCC[C@@H](C)CCO[C@H](CO)COCC[C@@H](C)CCC[C@H](C)CCC[C@@H](C)CCCC(C)C.
Представляет собой фрагмент липида[3]. В белке представлен множеством молекул по периферии, но, как уже говорилось ранее, этот лиганд может быть обнаружен в центре молекулы бактериородопсина.
D-глицерол-1-олеат
- Название по IUPAC: (2r)-2,3-Dihydroxypropyl (9z)-Octadec-9-Enoate;
- Молекулярная формула: C21H40O4;
- Молярная масса: 356.5 г/моль;
- PDB ligand code: OLC;
- PubChem CID: 11451146;
- SMILES (isomeric): CCCCCCCC/C=C\CCCCCCCC(=O)OC[C@@H](CO)O.
Данный лиганд является метаболитом человека и растений. Он образуется в ходе реакции гидролиза 1,3-олеоил-глицерина[4]. В представленном белке расположен, в основном, по периферии молекулы, но также присутствует в центральной части.
Ретиналь
- Название по IUPAC: (2E,4E,6E,8E)-3,7-Dimethyl-9-(2,6,6-trimethylcyclohexen-1-yl)nona-2,4,6,8-tetraenal;
- Молекулярная формула: C20H28O;
- Молярная масса: 284,4 г/моль;
- PDB ligand code: RET;
- PubChem CID: 638015;
- SMILES (isomeric): CC1=C(C(CCC1)(C)C)/C=C/C(=C/C=C/C(=C/C=O)/C)/C.
Является полиеновым хромофором, который связан с белками, называемыми опсинами. Является химической основой зрения позвоночных животных, так как с его помощью сетчатка глаза преобразует свет в метаболическую энергии[5]. Его функции в данном белке были описаны выше. В белке данный лиганд представлен одной копией, погруженной внутрь каждой из трех субъединиц.
Белок-белковые взаимодействия
Водородные связи
Hydrogen bond (by IUPAC) - a form of association between an electronegative atom and a hydrogen atom attached to a second, relatively electronegative atom. It is best considered as an electrostatic interaction, heightened by the small size of hydrogen, which permits proximity of the interacting dipoles or charges. Both electronegative atoms are usually (but not necessarily) from the first row of the Periodic Table, i.e. N, O or F. Hydrogen bonds may be inter-molecular or intramolecular. With a few exceptions, usually involving fluorine, the associated energies are less than 20−25 kJ mol−1 (5−6 kcal mol−1)[6].
Водородная связь в молекуле белка осуществляется между имеющим частично положительный заряд атомом водорода одной группировки и атомом (кислород, азот), имеющим частично отрицательный заряд и неподеленную электронную пару другой группировки. В белках различают два варианта образования водородных связей: между пептидными группамии между боковыми радикалами полярных аминокислот[7].
В обозреваемом белке встречается достаточно много случаев образования водородных связей. Помимо типичных связей внутри α-спиралей и β-листов, которые поддерживают их структуру, были выявлены связи между мономерами бактериородопсина, а именно связь между разными атомами водорода, соединёнными с азотом LYS40, и атомами кислорода ASP104.
| Таблица 1. Белок-белковые водородные связи | |||
|---|---|---|---|
| Аминокислотные остатки | Длина связи, Å | Угол связи, о | Сведения |
| [LYS]40:C.NZ - [ASP]104:B.OD1 | 3 | 173.5 | Связь между субъединицами |
| [VAL]49:C.O - [ALA]53:C.N | 3.17 | 172.8 | Связь в альфа-спирали |
| [ILE]78:C.N - [THR]67:C.O | 2.81 | 173.7 | Связь в бета-шпильке |
Ковалентные связи
Ковалентная связь - это тип химической связи, характеризуемый увеличением электронной плотности в области между химически связанными атомами в молекуле по сравнению с распределением электронной плотности в свободных атомах. В рамках классической теории химического строения ковалентная связь объясняется как образование электронных пар, общих для связываемых атомов и достраивающих их электронные оболочки в молекуле до замкнутых (с числом электронов 8, 18 и т.д.)[8].
В молекуле белка аминокислотные остатки соединяются друг с другом пептидной связью. По своей природе пептидная связь является ковалентной. Ее образование происходит за счет аминогруппы одной аминокислоты и карбоксильной группы другой аминокислоты.
В результате взаимодействия двух аминокислот образуется дипептид, состоящий соответственно из двух аминокислотных остатков, расположенных по обе стороны пептидной связи. Аналогичным образом могут соединиться три аминокислоты или более и образовать трипептид или полипептид соответственно.
В пептидах выделяют особую структуру – пептидную группу. Ее образуют атомы кислорода, углерода, азота и водорода. Все атомы, образующие пептидную группу, находятся в одной плоскости. Пептидная связь в какой-то степени имеет характер двойной связи: вокруг нее нет свободного вращения и она короче других C–N-связей. Кислород и водород относительно пептидной связи находятся преимущественно в транс-положении.
Пептидные связи очень прочные, и для их химического гидролиза требуются жесткие условия, они гидролизуются лишь при длительном нагревании при высоких температурах в кислой среде. В клетке пептидные связи могут разрываться в мягких условиях с помощью ферментов, называемых протеазами, или пептидгидролазами[7].
В белке представлено множество вариантов пептидных связей, в таблице приведены некоторые из них.
| Таблица 2. Белок-белковые ковалентные связи | |
|---|---|
| Аминокислотные остатки | Длина связи, Å |
| [THR]107:B.N - [GLY]106:B.C | 1.34 |
| [GLY]31:A.N - [LYS]30:A.C | 1.35 |
| [ASN]76:A.N - [GLN]75:A.C | 1.31 |
Ионные связи
Ионная связь - это тип химической связи, для которой характерно существенное перераспределение электронной плотности атомов в молекуле по сравнению со свободными атомами. Идеальная ионная связь отвечает образованию ионов в молекуле, т.е. такому электронному распределению, когда вблизи какого-либо ядра или группы ядер электронная плотность оказывается близкой к электронной плотности свободного иона. При этом электронная плотность смещается от одного из атомов (с низким потенциалом ионизации) к другому атому (с высоким сродством к электрону), как если бы произошел перенос электрона от одного атома к другому[8].
В белках ионные связи чаще всего возникает из карбоксильной группы аспарагиновой или глутаминовой кислоты и аминогруппы лизина или гуанидиновой группы аргинина. Требуемое расстояние составляет менее 4 Å (400 pm). Примеры подобных взаимодействий в исследуемом белке приведена в таблице 3.
| Таблица 3. Белок-белковые ионные связи | |
|---|---|
| Аминокислотные остатки | Длина связи, Å |
| [GLU]166:A.OE1 - [ARG]164:A.NH2 | 2.82 |
| [ASP]38:C.OD1 - [LYS]41:C.NZ | 3.13 |
Лиганд-биомолекулярные контакты
Ковалентные связи:
Лиганд считался ковалентно взаимодействующим с белком, если JMol отображал между какими-либо из их атомов ковалентную связь. Обнаружена лишь одна лиганд-белковая ковалентная связь:
[RET]301:A.C15 - [LYS]216:A.NZ
Водородные связи:
Для поиска водородных связей использовалась команда calculate hbond. При этом контакты, отображаемые JMol, но не удовлетворяющие геометрическим критериям водородной связи (длина = 2.5-3.2 Å; угол = 130-180°) либо имеющие в качестве донора или акцептора углерод, были сочтены маловероятными и игнорировались. В результате, ни одна из обнаруженных водородных связей не может считаться действительно образующейся.
Ионные взаимодействия:
Поскольку ни один из лигандов не имеет заряда (согласно данным PubChem), лиганды были признаны неспособными к ионным взаимодействиям.
Гидрофобные взаимодействия:
Лиганды LI1 и OLC имеют в составе молекул протяжённые алифатические участки, поэтому они считались способными вступать в гидрофобные взаимодействия. Непосредственно взаимодействующими с лигандами признаны гидрофобные аминокислотные остатки, расположенные от лигандов на расстоянии не более 3 Å (на таком расстоянии, с учётом ван-дер-ваальсовых радиусов атомов, аминокислотные остатки расположены практически вплотную к лиганду). Лиганд RET со всех сторон окружён аминокислотными остатками, не контактирует с водой, а потому не считается вовлечённым в гидрофобные взаимодействия.
| Таблица 4. Лиганд-биомолекулярные гидрофобные взаимодействия | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Лиганд | Аминокислотные остатки | |||||||
| LI1 | ||||||||
| [LI1]302 | [PHE]135 | |||||||
| [LI1]303 | [VAL]136 | [ILE]140 | ||||||
| [LI1]305 | [ALA]14 | [ALA]18 | [LEU]22 | [PHE]54 | [LEU]61 | |||
| [LI1]307 | [PHE]154 | |||||||
| [LI1]308 | [PHE]153 | [VAL]179 | [VAL]180 | [ALA]184 | [VAL]187 | |||
| OLC | ||||||||
| [OLC]309 | [GLY]21 | [LEU]25 | [LEU]28 | [TYR]43 | [ALA]44 | [LEU]48 | [PHE]54 | |
| [OLC]310 | [ILE]52 | [MET]56 | [TYR]64 | [TRP]80 | [PHE]88 | [LEU]92 | ||
| [OLC]311 | [TRP]138 | [MET]145 | [LEU]146 | [PRO]186 | [VAL]187 | [LEU]190 | [ILE]198 | |
| [OLC]312 | [ILE]203 | [LEU]206 | [LEU]207 | [VAL]210 | ||||
Исследование плотности упаковки атомов в гидрофобном ядре
Гидрофобные взаимодействия – это взаимодействия между неполярными радикалами аминокислотных остатков, которые не могут образовывать водородные связи с молекулами воды, а значит, большая площадь их контакта с водой является энергетически невыгодным состоянием. Как следствие, такие радикалы имеют тенденцию тесно сближаться друг с другом и зачастую формируют обширные кластеры, называемые гидрофобными ядрами. Обычно гидрофобное ядро располагается в центре белковой молекулы, а на её поверхности, непосредственно контактирующей с водой, находятся аминокислотные остатки с полярными гидрофильными радикалами.
Для поиска гидрофобного ядра исследуемого белка был использован сервис Clud. С полученными результатами можно ознакомиться здесь.
Было обнаружено основное крупное гидрофобное ядро, состоящее из 547 атомов, и 6 небольших кластеров, менее 20 атомов в каждом. На рис. 1 оранжевым цветом показаны атомы основного ядра. Можно видеть, что они присутствуют не только в центре молекулы, но и на её поверхности; это связано с тем, что исследуемый белок является трансмембранным, и гидрофобные радикалы на поверхности молекулы контактируют с гидрофобными участками молекул липидов.
Для исследования плотности упаковки атомов в гидрофобном ядре был использован скрипт. Выяснено, что атомы, практически полностью покрывающие поверхность остатка [TYR]185, находятся от него на расстоянии ≈ 5 Å. Чтобы определить среднее расстояние между соседними не связанными ковалентно атомами, из ближайшего окружения атома [TYR]185:A.O (рис. 2) были выбраны 34 атома, обозначенные как atomSurrounding. Затем была использована команда surrDist = {atomSurrounding}.distance({[TYR]185:A.O}), где surrDist – переменная, в которую было записано значение среднего расстояния от атома до его окружения. Полученное значение составило ≈ 3.32 Å. Если учесть, что в центре находится атом кислорода [TYR]185:A.O (ван-дер-ваальсов радиус: 1.4 Å), а большинство атомов окружения – атомы углерода (ван-дер-ваальсов радиус: 1.85 Å), то в среднем между соседними атомами остаётся 0.07 Å свободного пространства. Очевидно, что атомы в гидрофобном ядре располагаются практически вплотную друг к другу, и между ними не может поместиться ещё один атом.
Положение в мембране
К мембранным белкам относятся белки, которые встроены в клеточную мембрану или мембрану клеточной органеллы или ассоциированы с таковой.
Мембранные белки могут быть топологически классифицированы. Эта классификация основана на том, сколько раз белок пересекает липидный бислой:
- монотопические белки взаимодействуют с одной поверхностью мембраны и не пересекают её;
- битопические пронизывают мембрану насквозь и взаимодействуют с обеими её поверхностями;
- политопические, или трансмембранные, полностью несколько раз пронизывают мембрану и, таким образом, взаимодействуют с обеими сторонами липидного бислоя.
Понятно, что первые относятся к периферическим белкам, а вторые и третьи к интегральным[9].
Согласно данным RCSB PDB, исследуемый нами бактериородопсин является трансмембранным белком[3]. Это сходится с результатами предсказания TMHMM, где показано, что вероятность того, что большая часть нашего белка состоит из трансмембранно расположенных α-спиралей. Показания TMHMM визуализированы на рисунке 3.
Также мы воспользовались системой PDBTM и наглядно визуализировали положение нашего белка в мембране (рисунок 4).
Личный вклад
Левин И. М.
Полное оформление сайта, а также исследование положения белка в мембране.
Покровский С. Ю.
Анализ общих сведений о лигандах 6G7H, полное исследование лиганд-биомолекулярных взаимодействий и плотности упаковки атомов в гидрофобном ядре белка.
Суслов А. Р.
Анализ общих сведений о 6G7H, а также полное исследование белок-белковых взаимодействий.
Литература
- Nogly, P.; Weinert, T.; James, D.; Carbajo, S.; Ozerov, D.; Furrer, A.; Gashi, D.; Borin, V.; Skopintsev, P.; Jaeger, K.; et al. Retinal isomerization in bacteriorhodopsin captured by a femtosecond x-ray laser. Science 2018, 361, eaat0094 (12.03.2020);
- Википедия Свободная энциклопедия, русская – Бактериородопсин (12.03.2020);
- RCSB PDB: сведения о белке 6G7H (22.03.2020);
- ChEBI: сведения о D-глицерол-1-олеате (21.03.2020);
- Википедия Свободная энциклопедия, русская – Ретиналь (21.03.2020);
- IUPAC Gold Book: the definition of hydrogen bond (22.03.2020);
- В. И. Резяпкин, В. Н. Бурдь “Школьные олимпиады «основы биохимии»”, Гродно ГрГУ им. Я. Купалы 2012 (22.03.2020);
- Википедия Свободная энциклопедия, английская – Salt bridge (protein and supramolecular) (31.03.2020);
- Википедия Свободная энциклопедия, русская – Мембранные белки (31.03.2020);