Гидрофобные кластеры

  1. Гидрофобные кластеры в структуре белка

Для поиска гидрофобных кластеров в структуре альдегид-деформилирующей оксигеназы (PDB ID 4quw) использовался CluD.

Белок представляет собой мономер и образован 8ю альфа-спиралями (рис. 1). 6ти консервативных аминокислот из 4х альфа-спиралей образуют пучок, в котором расположен центр связывания ионов Fe2+. Важной частью является гидрофобный канал, в котором субстрат удерживается и через который проходит к активному центру, образованный почти всеми альфа-спиралями. При связывании субстрата происходит закрывание входа в канал. Наша изучаемая структура как раз соответствует конформацией белка с закрытым гидрофобным каналом!

Мне кажется, что стоит логично выделять 3 крупных кластера, первый образует активный центр и часть гидрофобного канала (со стороны оранжевой, красной и фиолетовой спиралей), второй – формирует часть канала с другой стороны (со стороны синей спирали, и располагается в пространстве между желтой, зеленой и бирюзовой спиралями) и третий, образованный замкнувшимися остатками на входе в канал при связывании субстрата (с противоположной от смотрящего стороны).

Рис. 1. Структура альдегид декарбонилазы; альфа-спирали выделены разными цветами; субстрат (показан шариками) связан в гидрофобном канале белка

В результате работы программы с параметрами: минимальный размер кластера = 50 атомов и distance threshold = 4.5 Å, был получен набор гидрофобных кластеров (рис. 2), соответствующих ожидаемым.

Рис. 2. Найденные гидрофобные кластеры в молекуле альдегид декарбонилазы. Сверху слева показаны все 3 крупных кластера; сверху справа убран кластер, образованный замкнувшимися остатками на входе в канал, и видны ворота в активный центр фермента; снизу показан кластер, формирующий активный центр. Субстрат показан шариками

Получилось, что бежевый кластер состоит из 193 атомов, розовый - из 70, фиолетовый – из 64. Если же изменить минимальный размер кластера с 50 на 5 атомов, то алгоритм находит три вышеописанных кластера без изменений, но кроме того, 6 маленьких кластеров на поверхности белка (ссылка). Можно предположить, что такие гидрофобные области играют роль в узнавании субстратов, аллостерических регуляторов и молекул, принимающих участие в реакции.

  1. Гидрофобные кластеры на интерфейсе двух цепочек

Затем был осуществлен поиск гидрофобных кластеров в структуре лактат дегидрогеназы (PDB ID 3WWY). Поскольку этот белок представляет собой гомодимер, то было логично ожидать симметричное расположение гидрофобных кластеров. Однако, гидрофобный кластер, располагающийся в области взаимодействия двух молекул белка, так или иначе эту симметрию нарушает.

Для начала рассмотрим гидрофобные кластеры в одной молекуле (цепь А), принимая минимальный размер кластера = 50 атомов и distance threshold = 4.5 Å. На рисунке 3 (сверху) представлена структура мономера белка, синим выделены бета-листы. Молекула (на глаз) состоит из 2х аналогичных блоков: разделенных на 2 части бета-листами карманов, образованных альфа-спиралями. Таким образом, мне кажется логичным, что отдельные гидрофобные кластеры расположены в таких областях между спиралями и листом (рис. 3, посередине).

На рисунке 3 снизу представлена структура одной цепи дегидрогеназы с обозначенными гидрофобными кластерами.

Рис. 3. Гидрофобные кластеры в одной молекуле (цепь А) при distance threshold = 4.5 Å

Таким образом, от димера я ожидала похожего расположения кластеров (кроме участка взаимодействия цепей).

При использовании настроек по умолчанию программа выдавала один огромный кластер на весь белок и множество совсем маленьких, что никак не соответствует доменной структуре.

Для димера я подобрала 2 набора параметров:

минимальный размер = 50 атомов, distance threshold = 4.5 Å (рис. 4);

минимальный размер = 50 атомов, distance threshold = 4.4 Å (рис. 5).

Рис. 4. Найденные гидрофобные кластеры при distance threshold = 4.5 Å

В первом случае получилось 6 кластеров, во втором – 8. Самый крупный гидрофобный кластер при distance threshold = 4.5 Å (показан оранжевым) располагается примерно в центре димера и «связывает» 2 молекулы. Расположение более мелких кластеров не симметрично и не соответствует логике, описанной выше. Плюс такого набора гидрофобных кластеров заключается в том, что крупные кластеры охватывают всю молекулу белка.

Рис. 5. Найденные гидрофобные кластеры при distance threshold = 4.4 Å

Во втором случае получилось больше мелких кластеров. Видно, что оранжевый кластер из рис. 4 «распался» на меньший по размеру оранжевый (176 атомов), серый и розовый. В данной структуре сильнее заметна симметрия: фиолетовый-пшеничный, малиновый-желтый, голубой-розовый; также оранжевый гидрофобный кластер располагается более-менее в центре между двумя цепями (рис. 5; 82 атома принадлежат цепи А, 94 – цепи В). Тем не менее целый участок цепи А (показан голубым) остается «голым», что, как мне кажется, не соответствует действительности.

Рис. 6. Гидрофобный кластер, расположенный между цепями белка, найденный при distance threshold = 4.4 Å

Судя по всему, в формировании димера лактат дегидрогеназы гидрофобные взаимодействия играют большую роль, поскольку при различных вариациях параметров программа находила большой кластер между цепями белка (рис. 6).