Гидрофобное взаимодействие является одним из основных факторов, определяющих пространственную структуру белковой молекулы [1]. Совокупность неполярных атомов белка, занимающих некоторую область пространства внутри молекулы – это гидрофобный кластер. Обычно среди гидрофобных кластеров белкового домена выделяется один самый большой, называемый гидрофобным ядром данного домена (на самом деле ядер может быть несколько).

Гидрофобное взаимодействие объясняется тем, что неполярные части белка не могут образовывать водородные связи с водой и в это же время располагаются в пространстве так, что угрожают порвать водородные связи молекул воды, если они будут смотреть на такую гидрофобную поверхность своими атомами водорода. В связи с этим молекулы воды упорядочиваются вокруг гидрофобного тела так, чтобы минимизировать энтальпийные потери, однако из-за этого понижается энтропия. Минимум энтропийных потерь наблюдается тогда, когда гидрофобные поверхности группируются вместе – так формируются так называемые «гидрофобные связи» [2].

Задание 1. Сервис CluD [3] выделил 5 гидрофобных ядер, однако придать значимость можно только двум из выделенных: первому (460 атомов) и четвёртому (86 атомов) ядрам. Таким образом, всего в эти два гидрофобных ядра входит 546 атомов (всего в белок входят 2148 атомов) — это примерно 25.42% от общего числа атомов. Скачать скрипт.

Задание 2. В качестве модельного остатка был выбран 177 остаток тирозина ([TYR]177:A), находящийся в первом гидрофобном ядре. На основании работы скрипта можно сделать вывод о плотности упаковки аминокислот в гидрофобном ядре. Достаточно резкое увеличение отображаемых остатков происходит при изменении радиуса отображения с 3Å до 4Å (11 атомов → 48 атомов). Дальнейшее увеличение радиуса приводит к тому, что тирозина в принципе не становится видным. Следовательно, среднее расстояние между ближайшими не связанными ковалентно атомами — это значение, близкое к 4Å. Диаметр молекулы воды составляет примерно 2.8Å (если пренебречь водородами, которые очень малы), и если поместить её внутрь ядра, то гипотетические радиусы соседних ковалентно не связанных атомов будут составлять (4 - 2.8)/2 = 0.9Å, что невозможно, ибо радиусы углерода, азота, кислорода больше этого значения. Скачать скрипт.

Задание 3. Белок с PDB ID 4WLW — CueR (Copper (Cu) efflux Regulator) — регулирует утечку ионов Cu^I посредством регуляции транскрипции белка CopA. CueR — это димер, чувствительный к ионам Cu^I и Ag^I. Процесс узнавания промотора основан на образовании водородных связей (тирозином в малой бороздке, а лизином — в большой), а также упаковкой некоторых ароматических остатков напротив некоторых оснований в большой бороздке (этот признак консервативен для всего семейства белков MerH, к которому относится CueR). Что интересно, к активации транскрипции приводит именно взаимодействие белка с ионами Ag^I, а не с медью. Интересен и сам механизм работы: белок CueR является как активатором, так и репрессором транскрипции белка CopA (экспрессия усиливается с увеличением концентрации ионов меди в клетке). В обоих случаях CueR образует комплекс с промоторным участком CopA, однако в случае активации (а она происходит при образовании комплекса с Ag^I) в определённом участке ДНК меняет свою конформацию с B-формы на A-форму, что обсуловлено тем, что CueR буквально «изгибает» ДНК на 36°. В неактивированном же состоянии по сравнению с «идельной» формой ДНК CueR отрицательно изгибает ДНК относительно «удобного» для полимеразы угла, что создаёт затруднения на процессе инициации транскрипции [4].

Для того, чтобы легче было представить конформацию ДНК при взаимодействии с активирующей формой CueR (вставить сюда изображение из статьи не могу по причине авторского права на него), я добавил в начало третьего скрипта дополнительную картинку. Скачать скрипт.

Источники:

1. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка: курс лекций с цвет. и стереоскоп. ил. М.: Книж. дом «Университет», 2002.
2. Песков Ю.А., Алексеевский А.В., Спирин С.А. Выявление консервативных гидрофобных ядер семейств белковых доменов // Программные продукты и системы, 2011, №4, стр. 27-31
3. Hydrophobic Clusters in 3D structures
4. Philips S J et al (2015) Allosteric transcriptional regulation via changes in the overall topology of the core promoter // Science 349: 877-881