В этом практикуме я работаю с двумя структурами, соответствующими одному и тому же белку - мальтодекстрин-связывающему белку в комплексе с мальториотолом (субстратом). Белок состоит из двух глобулярных доменов, разделённых бороздкой. Открытому состоянию соответствует pdb_id = 1fqb, закрытому - pdb_id = 1fqc.
Если открыть в Pymol обе структуры и попытаться их выровнять (команда super), получается, что все спирали совпадают очень плохо. Я предположила, что это связано с тем, что две глобулы белка раздвигаются друг от друга (открываются, как ракушка), и что когда программа пытается выровнять обе глобулы, она пытается минимизировать RMSD и делает обе глобулы средне-отклонёнными от тех же глобул другой структуры. Поэтому я выделила в каждой структуре область, соответствующую (грубо) только одной глобуле, и выровняла их между собой. Получилось, что одна пара глобул совпадает довольно хорошо, а по второй глобуле виде сдвиг спиралей при переходе между конформациями (см. рисунок 1). Такое выравнивание более осмысленно, хотя суммарный RMSD у него будет больше.
Интересно, что конформации лиганда различаются в двух моделях: положение левого конца (на рисунке 1, где сахар в циклической форме) лигандов совпадает в двух моделях, а положение правого конца (где сахар в линейной форме) - сильно отличается. Возможно, этот случай является примером induced fit: лиганд подстраивается, чтобы связаться с рецептором, и белок тоже меняет конформацию, чтобы связаться с лигандом.
Рис. 1. Структуры 1fqb (открытая, покаршена зелёным) и 1fqс (закрытая, покрашена серым). Нижние глобулы выровнены, по несовпадению верхних видно различие между конформациями. Между глобулами виден карман-бороздка с лигандом.
Посчитанные площади для каждой структуры (только белок, молекулы воды и лиганд удалены) приведены в таблице 1:
| структура | 1fqb (открытая) | 1fqc (закрытая) |
| SAS (A^2 * 1000) | 43.378 | 19.935 |
| MS (A^2 * 1000) | 52.663 | 39.929 |
Во-первых, заметно, что молекулярная поверхность больше, чем поверхность, доступная растворителю. С одной стороны, SAS "больше" в том смысле, что она находится снаружи от МС, но МС сглаженная, а SAS учитывает все маленькие пространсва-уголки между атомами, и поэтому численно площадь поверхности, доступной растворителю, больше.
Во-вторых, для фиксированного способа измерения поверхности у закрытой формы поверхность меньше, чем у открытой. Ну, логично.
В-третьих, видно, что различие между SAS и МS разное у двух структур: у открытой МS больше на 20%, у закрытой - на 100%. Такое огромное различие кажется мне странным (ещё раз проверила, что правильно перенесла цифры в табличку), но я могу попытаться его объяснить: у открытой модели различия между двумя типами поверхностей объясняются в основном уголками между атомами; а у закрытой модели есть большая область структуры (собственно, карман), которая с точки зрения MS является частью внешней поверхности, а с точки зрения SAS - это уже внутренняя поверхность, куда молекулы растворителя не пролезают.
Положение кармана (буду считать главным тот карман, в котором лежит субстрат) легко найти "на глаз". На рисунках 2 и 3 приведены визуализации поверхности открытой и закрытой форм. Глобулы, на рисунках расположенные снизу, выровнены между собой, а верхние глобулы открывают и закрывают карман. В открытом состоянии лиганд внутри виден полностью, в закрытом - частично.
| |
|
| Рис. 2. Поверхность открытой конформации. | Рис. 3. Поверхность закрытой конформации. |
Программа fpocket находит для закрытой структуры 26 карманов, для открытой - 25. При этом карман, содержащий лиганд, программа рассматривает как два отдельных кармана (у закрытой структуры это 1 и 14, у открытой - это 1 и 3; 3 в закрытой и 14 в открытой - это одна и та же область, но из-за изменения размера кармана нумерация у двух структур разная. Нумерация приведена по тому, как она открывается в pymol, не совпадает с нумерацией в выдаче веб-сервера). На рисунках 4-5 приведены изображения, полученные по выдаче fpocket, сферами обозначено пространство главного кармана. Мне показалось удивительным, что объём кармана при переходе из открытой формы в закрытую меняется слабо (с примерно 6 тысяч кубических ангстрем до примерно 5 тысяч). Видимо, это связано с тем, что в закрытой конформации не образуется внутренней полости (см. рисунок 3: лиганд виден даже в закрытой конформации). То, что бороздка кармана становится более узкой, компенсируется тем, что карман становится более глубоким, поэтому объём почти не изменяется.
 |
 |
| Рис. 4. Карман открытой конформации. | Рис. 5. Карман закрытой конформации. |
В данном задании нужно было посмотреть, у каких остатков сильнее всего изменяется экспонированность при переходе между конформациями. По определению, экспонированность остатка - это отношение его площади, входящей в молекулярную поверхность, к площади такого же аминокислотного остатка, но в пептиде между двумя глицинами. Такая нормировка на остаток делается для того, чтобы уменьшить байес, связанный с размером остатка.
Я использовала команду mkdssp, которая выдаёт не экспонированность, а просто площадь остатка, участвующую в молекулярной поверхности белка. Такая площадь была посчитана для каждого остатка в закрытой и открытой структурах. Мне кажется, что в случае, если нормировка на максимальную экспонированность не делается, сравнивать изменение экспонированности остатка правильнее по разности, а не по отношению его SAS в двух конформациях. Дело в том, что если использовать отношение, в топе оказываются остатки, которые почти полностью спрятаны, и в закрытой конформации имеют примерно нулевое значение, а в открытой - тоже очень маленькое, но чуть больше. Такие остатки оказываются в топе рейтинга отношений, но понятно, что такие остатки не очень интересны, ведь хочется найти остаток, экспонированность которого меняется принципиально. Конечно, при таком вычислении (разность, без поправки на тип остатка) сохраняется байес, связанный с размером остатка, и в топ намного проще попасть крупным остаткам.
Я просмотрела глазами остатки, чьё абсолютное изменение максимально, и выбрала пару интересных (показательных). В качестве первого примера я решила привести пролин-298. Он второй в рейтинге разностей, значение в открытой форме 111, в закрытой - 10, разница = 100. Он находится на краю бороздки (главного кармана) и поэтому изменение его экспонированности очень типично: в открытой форме радикал сильно выступает из "открытого" кармана, почти вся поверхность радикала участвует в молекулярной поверхности белка, в закрытой радкал виден как пятнышко на общей молекулярной поверхности. Поверхность открытой и закрытой форм приведена на рисунках ниже (рис.6-9), пролин-298 покрашен золотым. Мне кажется, что пролин при этом не особо участвует во взаимодействиях, поддерживающих такую конформацию. В открытой форме он экспонирован наружу в растворитель, в закрытой он заслонён спиралью (на рисунках снизу), и, вероятно, участвует в гидрофобных взаимодействиях с атомами остова этой цепи и радикалом триптофана-232.
 |
 |
 |
 |
| Рис. 6. Открытая конформация, Pro-298. | Рис. 7. Закрытая конформация, Pro-298. | Рис. 8. Открытая конформация, Pro-298. | Рис. 9. Закрытая конформация, Pro-298. |
Другой выбранный мною пример - лизин-175. Площадь его поверхности, участвующей в молекулярной поверхности, отличается примерно в 2.5 раза (65 против 152). Интересно в нём то, что его экспонированность выше в закрытой конформации (у многих остатков всё-таки наоборот). Это связано с тем, что он находится (примерно) в месте соединения двух двигающихся друг относительно друга глобул, но не со стороны кармана для субстрата, а с обратной стороны. Поэтому, когда при переходе в открытую форму карман для субстрата открывается, область с обратной стороны, наоборот, закрывается. Участки поверхности показаны ниже (лизин-175 покрашен золотым), и для лизина-175 хорошо видно отличие на уровне взаимодействий: в открытой конформации петля, к которой принадлежит лизин-175, сближается с другой петлёй, и может образоваться водородная связь между радикалом лизина-175 и аспарагином-100, и конец радикала лизина оказывается "под" другой петлёй и практически не виден с поверхности. В закрытой конформации такая связь не может быть образована, потому что петли расходятся дальше и радикал лизина смотрит в другую сторону, оставаясь экспонированным и взаимодействуя с растворителем.
 |
 |
 |
| Рис. 10. Закрытая конформация, Lys-175. | Рис. 11. Открытая конформация, Lys-175. | Рис. 12. Открытая конформация, Lys-175. |
Вернуться на страницу 7 семестра
© potapenko 2017-2021