Białko p K a obliczenia

W biologii obliczeniowej obliczenia _białka p K a służą do oszacowania wartości p K a _aminokwasów występujących w białkach . Obliczenia te uzupełniają _wartości pKa podawane dla aminokwasów w stanie wolnym i są często stosowane w dziedzinach modelowania molekularnego , bioinformatyki strukturalnej i biologii obliczeniowej .

Wartości aminokwasów p K _a

Wartości p K _a łańcuchów bocznych aminokwasów odgrywają ważną rolę w definiowaniu zależnych od pH właściwości białka. Na przykład zależność aktywności enzymów od pH i zależność stabilności białka od pH to właściwości określane przez _wartości pKa łańcuchów bocznych aminokwasów.

_Wartości pKa łańcucha bocznego aminokwasu w roztworze zazwyczaj wnioskuje się z wartości pKa _związków modelowych ( związków podobnych do łańcuchów bocznych aminokwasów). Zobacz Aminokwas dla _wartości pKa wszystkich łańcuchów bocznych aminokwasów wywnioskowanych w ten sposób. Istnieją również liczne badania eksperymentalne, które dały takie wartości, na przykład za pomocą spektroskopii NMR .

Poniższa tabela zawiera wartości modelu p K _a , które są często używane w obliczeniach białka p K _a , i zawiera trzecią kolumnę opartą na badaniach białek.

Aminokwas	p K a	p K a
Boleń (D)	3.9	4,00
Glu (E)	4.3	4.4
Arg (R)	12,0	13,5
Lys (K)	10,5	10.4
Jego (H)	6.08	6.8
Cys (C) (–SH)	8.28	8.3
Tyr (Y)	10.1	9.6
N-termin		8,0
Termin C		3.6

Wpływ środowiska białkowego

Układ sprzężony składający się z trzech kwasów. Czarna krzywa przedstawia zdarzenie polegające na miareczkowaniu wstecznym

Kiedy białko się fałduje, zawarte w nim aminokwasy podlegające miareczkowaniu są przenoszone ze środowiska podobnego do roztworu do środowiska określonego przez trójwymiarową strukturę białka. Na przykład w rozłożonym białku kwas asparaginowy zazwyczaj znajduje się w środowisku, które wystawia dający się miareczkować łańcuch boczny na działanie wody. Kiedy białko się zwija, kwas asparaginowy może zostać pogrzebany głęboko we wnętrzu białka, bez narażenia na działanie rozpuszczalnika.

Co więcej, w złożonym białku kwas asparaginowy będzie bliżej innych dających się miareczkować grup w białku i będzie także oddziaływać ze stałymi ładunkami (np. jonami) i dipolami w białku. Wszystkie te efekty zmieniają wartość pKa _łańcucha bocznego aminokwasu, a metody obliczeniowe pKa _zazwyczaj obliczają wpływ środowiska białka na modelową wartość pKa _łańcucha bocznego aminokwasu.

_wartość aminokwasu p K a dzieli się na efekty niezależne od pH i efekty zależne od pH. Efekty niezależne od pH (desolwatacja, interakcje ze stałymi ładunkami i dipolami) są dodawane do modelu wartości p K _a , aby otrzymać wewnętrzną wartość p K _a . Efektów zależnych od pH nie można dodać w ten sam prosty sposób i należy je uwzględnić za pomocą sumowania Boltzmanna, iteracji Tanforda-Roxby'ego lub innych metod.

Wzajemne oddziaływanie wewnętrznych wartości p K _a układu z energiami oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy grupami miareczkowymi może dawać całkiem spektakularne efekty, takie jak krzywe miareczkowania inne niż Hendersona-Hasselbalcha , a nawet efekty miareczkowania wstecznego.

Obraz po prawej stronie przedstawia teoretyczny układ składający się z trzech reszt kwasowych. Jedna grupa wyświetla zdarzenie miareczkowania wstecznego (grupa niebieska).

p K _a metody obliczeniowe

Dostępnych jest kilka pakietów oprogramowania i serwer sieciowy do obliczania wartości białka p K _a .

Korzystanie z równania Poissona-Boltzmanna

Niektóre metody opierają się na rozwiązaniach równania Poissona – Boltzmanna (PBE), często nazywanych metodami opartymi na FDPB ( FDPB oznacza „ różnicę skończoną Poissona – Boltzmanna”). PBE jest modyfikacją równania Poissona , która zawiera opis wpływu jonów rozpuszczalnika na pole elektrostatyczne wokół cząsteczki.

Serwery sieciowe H++ , serwery pKD , MCCE2 , Karlsberg+ , PETIT i GMCT wykorzystują metodę FDPB do obliczania _wartości pKa łańcuchów bocznych aminokwasów.

Metody oparte na FDPB obliczają zmianę wartości pKa _łańcucha bocznego aminokwasu, gdy ten łańcuch boczny jest przemieszczany z hipotetycznego stanu w pełni solwatowanego do swojej pozycji w białku. Do wykonania takich obliczeń potrzebne są metody teoretyczne, które pozwolą obliczyć wpływ wnętrza białka na wartość ap K _a oraz znajomość wartości pKa łańcuchów bocznych aminokwasów w ich stanach w pełni solwatowanych.

Metody empiryczne

Zestaw reguł empirycznych odnoszących się do struktury białka do wartości p K _a reszt ulegających jonizacji opracowali Li, Robertson i Jensen. Reguły te stanowią podstawę dostępnego w sieci programu PROPKA służącego do szybkiego przewidywania wartości p K _a . Tan KP i in. opublikowali niedawno empiryczny program _{prognostyczny} pKa . z serwerem internetowym DEPTH serwerem internetowym .

Metody oparte na dynamice molekularnej (MD).

dynamiki molekularnej obliczania wartości p _K a pozwalają na uwzględnienie pełnej elastyczności miareczkowanej cząsteczki.

Metody oparte na dynamice molekularnej są zazwyczaj znacznie droższymi obliczeniowo i niekoniecznie dokładniejszymi sposobami przewidywania wartości p K _a niż podejścia oparte na równaniu Poissona – Boltzmanna . Ograniczoną elastyczność konformacyjną można również osiągnąć w ramach podejścia elektrostatyki ciągłej, np. biorąc pod uwagę rotamery o wielu aminokwasach z łańcuchami bocznymi. Ponadto obecnie powszechnie stosowane pola sił molekularnych nie uwzględniają polaryzacji elektronowej, która może być ważną właściwością przy określaniu energii protonowania.

Wyznaczanie wartości p K _a na podstawie krzywych miareczkowania lub obliczeń energii swobodnej

Z miareczkowania grupy ulegającej protonowaniu można odczytać tzw. p K _a ^{1 ⁄ 2} , które jest równe wartości pH, gdy grupa jest w połowie protonowana (tzn. gdy 50% takich grup byłoby protonowanych). p K _a ^{1 ⁄ 2} jest równe p K _{a Hendersona – Hasselbalcha} (p K
^HH _a ), jeśli krzywa miareczkowania jest zgodna z równaniem Hendersona – Hasselbalcha . Większość p K _a Metody obliczeniowe po cichu zakładają, że wszystkie krzywe miareczkowania mają kształt Hendersona-Hasselbalcha i dlatego wartości p K _{a w programach obliczeniowych p} K a są często określane w ten sposób. ^{. W Ka} ogólnym przypadku wielu oddziałujących ze sobą miejsc ulegających protonowaniu, wartość p 1/2 _nie ma znaczenia termodynamicznego Natomiast wartość p K a Hendersona – Hasselbalcha _można obliczyć na podstawie energii swobodnej protonowania poprzez

${\ Displaystyle \ operatorname {p} K _ {\ operatorname {a}} ^ {\ operatorname {$

i tym samym jest z kolei powiązany z energią swobodną protonowania miejsca poprzez

${\ Displaystyle \ Delta G ^ {\ operatorname {prot}} (\ operatorname {pH}) = \$

Wolną energię protonowania można w zasadzie obliczyć z prawdopodobieństwa protonowania grupy ⟨ x ⟩(pH), które można odczytać z krzywej miareczkowania

${\ Displaystyle \ Delta G ^ {\ operatorname {prot}} (\ operatorname {pH}) = - \ mathrm {RT} \ln \left[{\frac {\langle x\rangle }{1-\langle x\rangle }}\right]}$

Krzywe miareczkowania można obliczyć w ramach metody elektrostatyki ciągłej za pomocą formalnie dokładnych, ale bardziej skomplikowanych metod analitycznych lub metod Monte Carlo (MC) lub niedokładnych, ale szybko przybliżonych metod. Metody MC, które zastosowano do obliczenia krzywych miareczkowania, to Metropolis MC lub Wang – Landau MC . Przybliżone metody wykorzystujące podejście pola średniego do obliczania krzywych miareczkowania to metoda Tanforda – Roxby'ego i hybrydy tej metody, które łączą dokładną obróbkę mechaniki statystycznej w klastrach silnie oddziałujących miejsc z obróbką pola średniego interakcji między klastrami.

W praktyce uzyskanie statystycznie zbieżnych i dokładnych energii swobodnych od protonowania z krzywych miareczkowania może być trudne, jeśli ⟨ x ⟩ jest bliskie wartości 1 lub 0. W takim przypadku można zastosować różne metody obliczania energii swobodnej, aby uzyskać energię wolną od protonowania energię, taką jak obciążony Metropolis MC, zaburzenie energii swobodnej , całkowanie termodynamiczne , metoda pracy nierównowagowej lub metoda współczynnika akceptacji Bennetta .

Należy zauważyć, że wartość p K
^HH _a ogólnie zależy od wartości pH.

Zależność ta jest mała dla słabo oddziałujących grup, takich jak dobrze solwatowane łańcuchy boczne aminokwasów na powierzchni białka, ale może być duża dla silnie oddziałujących grup, takich jak te ukryte w miejscach aktywnych enzymów lub integralnych białkach błonowych.

Linki zewnętrzne

• AccelrysPKA _Obliczenie Accelrys CHARMm oparte na p K
• H++ — obliczenia p K _{a w oparciu o Poissona–Boltzmanna}
• MCCE2 — Elektrostatyka ciągła o wielu konformacjach (wersja 2)
• Karlsberg+ — p K _obliczenie z wieloma konformacjami dostosowanymi do pH
• PETIT — miareczkowanie protonów i elektronów
• GMCT — uogólnione miareczkowanie Monte Carlo
• Serwer WWW DEPTH — empiryczne obliczenia wartości p _{K a} przy użyciu głębokości pozostałości jako głównej funkcji