Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Зависимая от скелета библиотека ротамеров для серина . На каждом графике показана популяция χ 1 ротамеров серина как функция двугранных углов основной цепи φ и ψ.

В биохимии , А магистральная-зависимая библиотека ротамер обеспечивают частоты, средние двугранные углы , а также стандартные отклонения дискретных конформаций (известные как ротамеры ) из аминокислотных боковых цепей в белках , как функции от позвоночника двугранных углов φ и ψ из Карта Рамачандрана. Напротив, библиотеки ротамеров, не зависящие от остова, выражают частоты и средние двугранные углы для всех боковых цепей в белках, независимо от конформации остова каждого типа остатков. Магистральная-зависимые ротамер библиотека была показана, имеет значительные преимущества по сравнению с магистральными-независимыми библиотеками ротамер, главным образом, при использовании в качестве термина энергии, за счетом ускорения поиска времен боковой цепи упаковки алгоритмов , используемые в прогнозировании структуры белка и дизайне белка . [1]

История [ править ]

Первая основно-зависимая библиотека ротамеров была разработана в 1993 году Роландом Данбраком и Мартином Карплюсом для помощи в предсказании декартовых координат боковых цепей белка с учетом экспериментально определенных или предсказанных декартовых координат его основной цепи. [2] Библиотека была получена из структур 132 белков из банка данных по белкам с разрешением 2,0 Å или лучше. Библиотека предоставила подсчеты и частоты ротамеров χ 1 или χ 1 + χ 2 из 18 аминокислот (за исключением глицина и аланина).типы остатков, поскольку они не имеют двугранности χ 1 ) для каждого бина 20 ° x 20 ° карты Рамачандрана (φ, ψ = от -180 ° до -160 °, от -160 ° до -140 ° и т. д.).

В 1997 годе Dunbrack и Фред Э. Коэн в Университете Калифорнии, Сан - Франциско представили магистральную-зависимые Ротамеры библиотеку , полученную из статистики Байесовской . [3] Байесовский подход предоставил возможность для определения байесовского априорного значения для частот ротамеров в каждом интервале 10 ° x 10 °, полученного путем предположения, что стерические и электростатические эффекты двугранных углов φ и ψ независимы. Кроме того, периодическое ядро ​​с периодичностью 180 ° использовалось для подсчета боковых цепей на 180 ° в каждом направлении от интересующей ячейки. Как показатель функции sin 2 , он вел себя так же, как распределение фон Мизеса, обычно используемое в направленной статистике.. Библиотека 1997 г. была сделана общедоступной через всемирную паутину в 1997 г. и уже давно нашла применение в предсказании структуры белков [4] и дизайне белков . [5] Библиотека, основанная на байесовской статистике, была обновлена ​​в 2002 г. [6]

Зависимая от скелета библиотека ротамеров для фенилаланина . На каждом графике показана популяция ротамеров χ 1 фенилаланина как функция двугранных углов основной цепи φ и ψ.

Многие программы моделирования, такие как Rosetta , используют зависящую от скелета библиотеку ротамеров в качестве функции оценки (обычно в форме E = -ln (p (rotamer ( i ) | φ, ψ)) для i- го ротамера и оптимизируют конформация остова белков путем минимизации энергии ротамера с помощью производных логарифма вероятностей по φ, ψ. [7] Это требует гладких функций вероятности с гладкими производными, потому что большинство алгоритмов математической оптимизации используют первую, а иногда и вторую производную и застревают в локальных минимумов на шероховатых поверхностях.В 2011 году Шаповалов и Данбрак опубликовали сглаженную библиотеку ротамеров, зависящую от скелета, полученную из оценок плотности ядра и регрессий ядра сЯдра распределения фон Мизеса по переменным φ, ψ. [8] Обработка не ротамерных степеней свободы (эти двугранные углы не связаны со связями sp 3 -sp 3 , такими как аспарагин и аспартат χ 2 , фенилаланин , тирозин , гистидин , триптофан χ 2 и глутамин и глутамат χ 3 ) был улучшен путем моделирования плотности вероятности двугранного угла каждого из этих двугранных углов как функции χ 1ротамер (или χ 1 и χ 2 для Gln и Glu) и φ, ψ. По сути, функции представляют собой регрессии периодической плотности вероятности на торе .

В дополнение к статистическому анализу структур в банке данных о белках , скелетно-зависимые библиотеки ротамеров также могут быть получены из моделирования молекулярной динамики белков, как продемонстрировала библиотека Dynameomics из исследовательской группы Валери Даггетт . [9] Поскольку эти библиотеки основаны на выборке из моделирования, они могут генерировать гораздо большее количество точек данных по регионам карты Рамачандрана, которые редко используются в экспериментальных структурах, что приводит к более высокой статистической значимости в этих регионах. Библиотеки ротамеров, полученные в результате моделирования, зависят от силового поля.используется в симуляциях. Библиотека Dynameomics построена на моделировании с использованием силового поля ENCAD Левитта и др. с 1995. [10]

Зависимость от позвоночника популяций ротамеров [ править ]

Стерические взаимодействия, которые влияют на зависящие от конформации скелета предпочтения ротамеров боковых цепей аминокислот, показанные в проекции Ньюмана

Влияние конформации основной цепи на частоты ротамеров боковой цепи в первую очередь связано со стерическим отталкиванием между атомами основной цепи, положение которых зависит от φ и ψ, и тяжелыми атомами γ боковой цепи (углерода, кислорода или серы) каждого типа остатка (PDB типы атомов CG, CG1, CG2, OG, OG1, SG). Они происходят в предсказуемых комбинациях, которые зависят от диэдра, соединяющего атомы основной цепи с атомами боковой цепи. [11] [3] Эти стерические взаимодействия происходят, когда соединяющие двугранные углы образуют пару двугранных углов со значениями {-60 °, + 60 °} или {+ 60 °, -60 °}, в манере, связанной с явлением из пентана помех. Например, атом азота остатка i + 1 соединен с тяжелым атомом γ любой боковой цепи связным набором из 5 атомов: N (i + 1) -C (i) -Cα (i) -Cβ (i ) -Cγ (i). Двугранный угол N (i + 1) -C (i) -Cα (i) -Cβ (i) равен ψ + 120 °, а C (i) -Cα (i) -Cβ (i) -Cγ ( i) равно χ 1 -120 °. Когда ψ составляет -60 °, а χ 1 составляет + 60 ° (g + ротамер боковой цепи), существует стерическое взаимодействие между N (i + 1) и Cγ, потому что двугранные углы, соединяющие их, равны N (i + 1) -C (i) -Cα (i) -Cβ (i) = ψ + 120 ° = + 60 °, и C (i) -Cα (i) -Cβ (i) -Cγ (i) = χ 1 -120 ° = -60 °. Такое же взаимодействие происходит, когда ψ равно 0 ° и χ 1составляет 180 ° (транс-ротамер боковой цепи). Карбонильный кислород остатка i играет ту же роль, когда ψ = -60 ° для g + ротамера и когда ψ = 180 ° для транс-ротамера. Наконец, φ-зависимые взаимодействия происходят между тяжелыми атомами γ боковой цепи в g- и g + ротамерах, с одной стороны, и карбонильным углеродом остатка i-1 и тяжелым атомом γ, а также между NH основной цепи остатка i и его партнер по водородной связи с другой стороны.

Стерические взаимодействия боковых / основных цепей, которые влияют на распределение аминокислот на графике Рамачандрана. Данные относятся к аминокислоте лизину.

Зависимые от φ, ψ взаимодействия атомов основной цепи и атомов Cγ боковой цепи можно наблюдать в распределении наблюдений на графике Рамачандрана для каждого ротамера χ 1 (отмеченного на рисунке). На этих позициях популяции рамачандранских ротамеров значительно сокращаются. Их можно резюмировать следующим образом:

φ, ψ-зависимость взаимодействий основной / боковой цепи
РотамерN (я + 1)О (я)
г +ψ = -60 °ψ = + 120 °
трансψ = 180 °ψ = 0 °
РотамерС (i-1)HBond к NH (i)
г +φ = + 60 °φ = -120 °
грамм-φ = -180 °φ = 0 °
Зависимая от позвоночника библиотека ротамеров для валина . На каждом графике показана популяция ротамеров валина χ 1 как функция двугранных углов скелета φ и ψ.

Типы боковых цепей с двумя тяжелыми атомами (Val, Ile, Thr) имеют зависимые от остова взаимодействия с обоими тяжелыми атомами. Val имеет CG1 при χ 1 и CG2 при χ 1 + 120 °. Поскольку конформации Val g + и g- имеют стерические взаимодействия с основной цепью вблизи ψ = 120 ° и -60 ° (наиболее часто встречающиеся диапазоны ψ), Val является единственной аминокислотой, у которой t-ротамер (χ 1 ~ 180 °) является наиболее распространенным. общий. При большинстве значений φ и ψ допускается использование только одного ротамера Val (показано на рисунке). Иль имеет CG1 при χ 1 и CG2 при χ 1 -120 °. Thr имеет OG1 при χ 1 и CG2 при χ 1 -120 °.

Использует [ редактировать ]

Библиотека ротамеров, зависящая от позвоночника Dunbrack, используется в ряде программ для предсказания структуры белков и вычислительного дизайна, включая:

  • Прогнозирование конформации боковой цепи при моделировании структуры белка
    • Швейцарская модель [12] и ее программное обеспечение ProMod3 [13]
    • Розетта [7]
    • И-ТАССЕР
    • Файр [14]
    • OEChem TK [15]
    • ЯСАРА [16]
    • GalaxyRefine [17]
    • SCWRL4 [18]
  • Белковый Дизайн
    • Розетта [7]
    • EvoEF2 [19]
  • Визуализация белковых мутаций
    • PyMol [20]
    • UCSF Chimera [21]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хуанг, X; Пирс, Р. Чжан, Й (2020). «К точности и скорости упаковки белковых боковых цепей: систематическое исследование библиотек ротамеров» . Журнал химической информации и моделирования . 60 (1): 410–420. DOI : 10.1021 / acs.jcim.9b00812 . PMC  7938712 . PMID  31851497 . Проверено 18 февраля 2021 года .
  2. ^ Dunbrack, RL, Jr .; Карплюс, М. (1993). «Зависимая от скелета библиотека ротамеров для белков. Применение для предсказания боковых цепей». Журнал молекулярной биологии . 230 (2): 543–74. DOI : 10.1006 / jmbi.1993.1170 . PMID 8464064 . 
  3. ^ a b Dunbrack, RL, Jr .; Коэн, FE (1997). «Байесовский статистический анализ предпочтений ротамеров боковых цепей белка» . Белковая наука . 6 (8): 1661–81. DOI : 10.1002 / pro.5560060807 . PMC 2143774 . PMID 9260279 .  
  4. ^ Бауэр, MJ; Коэн, FE; Данбрак, Р.Л., младший (1997). «Прогнозирование ротамеров белковых боковых цепей из библиотеки ротамеров, зависимых от остова: новый инструмент моделирования гомологии». Журнал молекулярной биологии . 267 (5): 1268–82. DOI : 10.1006 / jmbi.1997.0926 . PMID 9150411 . 
  5. ^ Kuhlman, B; Бейкер, Д. (2000). «Нативные белковые последовательности близки к оптимальным по своей структуре» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (19): 10383–8. Bibcode : 2000PNAS ... 9710383K . DOI : 10.1073 / pnas.97.19.10383 . PMC 27033 . PMID 10984534 .  
  6. ^ Dunbrack, RL, Jr (2002). «Библиотеки ротамеров в 21 веке». Текущее мнение в структурной биологии . 12 (4): 431–40. DOI : 10.1016 / s0959-440x (02) 00344-5 . PMID 12163064 . 
  7. ^ a b c Элфорд, РФ; Ливер-Фэй, А; Jeliazkov, JR; О'Мира, MJ; DiMaio, FP; Парк, H; Шаповалов М.В. Ренфрю, PD; Маллиган, ВК; Каппель, К; Лабонте, JW; Pacella, MS; Bonneau, R; Брэдли, П.; Данбрак, Р.Л .; Das, R; Бейкер, Д; Кульман, Б; Кортемме, Т; Грей, Джей Джей (13 июня 2017 г.). "Энергетическая функция всех атомов Rosetta для макромолекулярного моделирования и дизайна" . Журнал химической теории и вычислений . 13 (6): 3031–3048. DOI : 10.1021 / acs.jctc.7b00125 . PMC 5717763 . PMID 28430426 .  
  8. ^ Шаповалов, М.В.; Данбрак, Р.Л., младший (2011). «Сглаженная основа-зависимая библиотека ротамеров для белков, полученных на основе оценок и регрессий адаптивной плотности ядра» . Структура (Cell Press) . 19 (6): 844–58. DOI : 10.1016 / j.str.2011.03.019 . PMC 3118414 . PMID 21645855 .  
  9. ^ Towse, Клэр-Луиза; Rysavy, Стивен Дж .; Вулович, Иван М .; Даггетт, Валери (5 января 2016 г.). «Новые библиотеки динамических ротамеров: анализ на основе данных конформационных склонностей боковой цепи» . Структура . 24 (1): 187–199. DOI : 10.1016 / j.str.2015.10.017 . ISSN 0969-2126 . PMC 4715459 . PMID 26745530 .   
  10. ^ Левитт, Майкл; Хиршберг, Мириам; Шарон, Рут; Даггетт, Валери (1995). «Функция потенциальной энергии и параметры для моделирования молекулярной динамики белков и нуклеиновых кислот в растворе». Компьютерная физика . 91 (1): 215–231. Bibcode : 1995CoPhC..91..215L . DOI : 10.1016 / 0010-4655 (95) 00049-L .
  11. ^ Dunbrack, RL, Jr .; Карплюс, М. (1994). «Конформационный анализ зависимых от остова ротамеров предпочтений белковых боковых цепей» . Структурная биология природы . 1 (5): 334–340. DOI : 10.1038 / nsb0594-334 . ISSN 1545-9985 . PMID 7664040 . S2CID 9157373 .   
  12. ^ Уотерхаус, А; Бертони, М; Bienert, S; Studer, G; Тауриелло, G; Гумиенни, Р; Heer, FT; де Бир, ТАП; Ремпфер, С; Бордоли, L; Lepore, R; Шведе, Т. (2018). «SWISS-MODEL: моделирование гомологии белковых структур и комплексов» . Исследования нуклеиновых кислот . 46 (W1): W296 – W303. DOI : 10.1093 / NAR / gky427 . PMC 6030848 . PMID 29788355 . Проверено 9 февраля 2021 года .  
  13. ^ Studer, G; Тауриелло, G; Bienert, S; Biasini, M; Johner, N; Шведе, Т. (2021). «ProMod3-A универсальный набор инструментов для моделирования гомологии» . PLOS Вычислительная биология . 17 (1): e1008667. DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1008667 . PMC 7872268 . PMID 33507980 . Проверено 18 февраля 2021 года .  
  14. ^ Келли, Лос-Анджелес; Мезулис, S; Йейтс, СМ; Васс, Миннесота; Штернберг, MJ (2015). «Веб-портал Phyre2 для моделирования, прогнозирования и анализа белков» . Протоколы природы . 10 (6): 845–58. DOI : 10.1038 / nprot.2015.053 . PMC 5298202 . PMID 25950237 . Проверено 9 февраля 2021 года .  
  15. ^ Программное обеспечение OpenEye Scientific. «Конформации макромолекул - Наборы инструментов - Java» . OEChem Toolkit 3.1.0.0 . Проверено 10 февраля 2021 года .
  16. ^ Кригер, Э. "Моделирование боковой цепи белка в YASARA" . www.yasara.org . Yasara Biosciences . Проверено 10 февраля 2021 года .
  17. ^ Хео, L; Парк, H; Сеок, К. (2013). «GalaxyRefine: уточнение структуры белка за счет переупаковки боковых цепей» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (проблема с веб-сервером): W384-8. DOI : 10.1093 / NAR / gkt458 . PMC 3692086 . PMID 23737448 . Проверено 9 февраля 2021 года .  
  18. ^ Кривов, Георгий Г .; Шаповалов, Максим В .; Данбрак, Роланд Л. (2009). «Улучшенное предсказание конформации боковой цепи белка с помощью SCWRL4» . Белки: структура, функции и биоинформатика . 77 (4): 778–795. DOI : 10.1002 / prot.22488 . ISSN 1097-0134 . PMC 2885146 . PMID 19603484 . Проверено 10 февраля 2021 года .   
  19. ^ Хуанг, X; Пирс, Р. Чжан, Й (2020). «EvoEF2: точная и быстрая функция энергопотребления для вычислительного дизайна белков» . Биоинформатика . 36 (4): 1135–1142. DOI : 10.1093 / биоинформатики / btz740 . PMC 7144094 . PMID 31588495 .  
  20. ^ Kulp, Daniel W. "Ротамер Переключение - PyMOLWiki" . pymolwiki.org . Консорциум SBGrid . Проверено 10 февраля 2021 года .
  21. ^ Петтерсен, EF; Годдард, Т. Д.; Huang, CC; Meng, EC; Диван GS; Croll, TI; Моррис, JH; Феррин Т.Е. "Rotamer Tools (ChimeraX)" . Руководство пользователя ChimeraX . Регенты Калифорнийского университета . Проверено 9 февраля 2021 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Dunbrack 2010 Базовая библиотека ротамеров
  • Конформационный анализ боковой цепи белка
  • Независимые от опорной сети библиотеки ротамеров Richardson
  • Dynameomics Backbone-Independent и Backbone-зависимые библиотеки Rotamer