Практикум 6. Взаимодействия. Субстратная специфичность¶
Задание 1¶
В этом задании мы сравниваем взаимодействия лиганда и коронавирусной протеазы, обнаруженные в первом практикуме (PDBID: 5R84), с теми, что выдает PoseView. Цель — проверить себя и проверить программу.
В первом практикуме получили такую вот картинку.
Сережа из прошлого:
"На картинке я хотел показать две водородные связи и то, как хорошо лиганд заполняет карман. Пиридиновый фрагмент вообще хорошо входит, а циклогексановый не совсем оптимально, но тоже неплохо".
Посмотрим теперь на PoseView.
PoseView обнаружила обе водородные связи и, в отличие от меня, указала названия остатков, вступающие в гидрофобные взаимодействия (зеленые подписи).
Смотря на этот сайт сейчас, я понимаю, что циклогексановый фрагмент хорошо сидит в своем кармане. Да, в плане Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий чем ближе к атомам белка, тем лучше, но так как есть уже хорошо, потому что так из сайта вытесняется вся вода, которая могла бы там находиться, а десольватация сайта — выгодное событие.
Что касается остатков, вступающих в гидрофобные взаимодействия, Leu141 — это, на мой взгляд, перебор, поскольку с появлением лиганда вокруг его радикала ничего не изменилось по гидрофобным взаимодействиям: вода как могла вокруг него плавать, так ей ничего и не мешает:
Leu141 обозначен зеленым.
Что касается других остатков, участвующих в гидрофобных взаимодействиях, порадовало, что программа не боится указывать полярную аминокислоту Glu146 как участника гидрофобных взаимодействий.
На мой взгляд, в гидрофобных взаимодействиях участвуют также Tyr140 (—CH2— группа радикала), Met49 (радикал), Pro52 (радикал), Asp187 (—CH2— группа радикала), His164 (—CH2— группа радикала) и Сys42 (радикал).
Много информации, но, надеюсь, понятно. Зеленым отмечены остатки, которые нашел PoseView за исключением Leu141, сиреневым отмечены остатки, которые дополнительно нашел я.
Почему PoseView не нашел сиреневые остатки? Как было сказано в лекции, PoseView использует FlexX для разметки взаимодействий. При этом в тексте статьи довольно туманно описывается, что программа считает гидрофобным взаимодействием. Авторы FlexX пишут, что взаимодействием они считают (помимо геометрических критериев) ситуацию, когда две группы "are compatible", т.е. принадлежат двум колонкам одной строчки в таблице 1.
Используя таблицу 1, никак нельзя прокомментировать, как программа нашла Met165 в качестве взаимодействующего с циклогексильным фрагментом лиганда. Циклогексильный фрагмент алифатический, как и Met165, а в таблице 1 нет взаимодействия "алифатический атом-алифатический атом". Может, циклогексан считается ароматическим?
В подписи к рисунку 3 авторы пишут: "The sketched geometries are representative for several functional groups, e.g. the interaction geometry for the carbonyl oxygen is also used for sp2 oxygens on sulfur and phosphorus", то есть черт его знает, как для других групп вроде циклогексила или —СН2— выглядит геометрия взаимодействий.
Рисунок 3 из статьи по FlexX.
Короче говоря, не совсем понятно, почему программа нашла те остатки, которые она нашла. Куда уж там до анализа того, почему она что-то не нашла.
В целом, водородные связи FlexX для моего лиганда нашел хорошо, гидрофобные взаимодействия указал не все, но по крайней мере на качественном уровне сказал, что они есть. Хоть и ошибся с одиним остатком (Leu141).
Задание 2¶
Во втором задании требуется, используя наши знания о взаимодействиях белка и лиганда, восстановить, какая исходно была аминокислота пептидного лиганда в указанной позиции для оптимального связывания с белком (антитело).
Всего в задании два комплекса антиген:антитело. С первым антителом вышла небольшая путаница в задании, поэтому я позволю себе начать с второго, а потом вернуться к первому.
Комплекс антитело:антиген (pdb 0081). Остатки антитела покрашены серым, остатки антигена зеленым. Мутируемый остаток (chain P, resnum 13) покрашен сиревневым.
Поскольку обычно не задаешься вопросом, как в 3D выглядит D-аминокислота, а как L, мне не очевидно (а думать не хочется) какой из двух $C_{\alpha}$-водородов станет радикалом и куда будет направлен сам радикал. Мутируем глицин в аланин, чтобы это понять.
Ага. Нам туда.
Посмотрим поподробнее, с чем возможно взимодействие в этом направлении.
Видим два тирозина. С ними возможен стекинг, пи-катионное взаимодействие, пи-водородная связь. Также есть свободный амидный кислород Asn92, то есть, наверняка нужен еще и донор водородной связи.
Из остатков, участвующих в стекинге, образовывать водородную связь "вдали от остова" могут тирозин и гистидин. NH триптофана слишком близко к остову. Попробуем их.
Гистидин. Такая себе водородная связь, не идеальный стекинг, чуть-чуть перекрываются VdW радиусы с Tyr27. В то же время с Asn-92 может провзаимодействовать проплывающая мимо вода, то есть его мы водородной связью не обделили, но для взаимодействия с антигеном он пропал.
Тирозин. Гибкости в радикале не хватает, чтобы образовать водородную связь с Asn92. Кислород мутированного тирозина довольно сильно перекрывается VdW радиусами с атомами кольца Tyr32, наверное, пи-водородной связью это не объяснить. Стекинг с Tyr27 лучше по ориентации, чем у гистидина. Не очень правдоподобный вариант.
Попробуем аминокислоты с более подвижным радикалом: Lys, Arg
Лизин. Дотянулся дальше, чем тирозин, но водородная связь с Asn92 все равно слабая (расстояние большое). Видим пи-водородную связь с Tyr27, усиленную катион-пи взаимодействием. Взаимодействий для Tyr32 не хватило :с
Аргинин. Ну как к себе домой пришел: катион-пи взаимодействие с Tyr27, есть пи-водородная связь с Tyr32 (указано расстояние от водорода до центра кольца), напрягает маленькое расстояние между азотом аргинина и кислородом Asn92. Возможно, можно как-то поиграть конформацией аргинина, чтобы поймать баланс сил между всеми тремя взаимодействиями. Поскольку взаимодействией три, а не два, аргинин мне больше нравится, чем лизин. Хотя, конечно, важно не только количество, но и качество.
Мой вердикт: остаток Х во втором комплексе с антителом — аргинин.
В качестве первого комплекса антитело:антиген было сказано брать pdb 0091, остаток номер 300 в цепи Е.
Нам туда :D
Увидев солевой мостик между антителом и антигеном (слева) и не взаимодействующий ни с кем аспартат антитела справа, сразу стало понятно, что аргинин тут впишется просто отлично. Да, аргинин пребывает не в самой выгодной конформации, но образование солевого мостика с двумя водородными связями, на мой взгляд, должно это с лихвой компенсировать.
В то же время, лизин не дотягивается до аспартата, а если бы и дотянулся, то углы N-H-O водородных связей будут не такие оптимальные, как у аргинина.
Мой вердикт: остаток Х в первом комплексе антитело:антиген — тоже аргинин.