Гидрофобный эффект ( наивное объяснение)

1. Гидрофобный эффект (наивное объяснение) • Межмолекулярный уровеньНеполярные молекулы в полярном растворителе (воде) стремятся агрегировать так, чтобы минимизировать поверхность контакта с растворителем

2. Неполярные молекулы (green) в полярном растворителе (orange)

3. Гидрофобный эффект в белках (и других макромолекулах) • Внутримолекулярный уровеньНеполярные атомные группы (CH3и др.)белка стремяться собраться внутри молекулы чтобы минимизировать контакт с полярными группами и полярным растворителем (водой)

4. 4Ǻ срез структуры белка Green balls = non-polar groups Red = oxygens Blue = nitrogens White = carbons bonded with oxygens or nitrogens Hydrogen atoms not shown

5. Гидрофобный эффект в белках • Т.н. гиброфобное ядро дает существенный вклад в стабильность глобулы многих белков • Гидрофобный эффект важен для белок-белкового взаимодествия, взаимодействия белок-ДНК и других межмолекулярных взаимодействий

6. Как измерять гидрофобный эффект in silico?

7. Для межмолекулярного взаимодействия Расчет площади поверхности, скрытой при взаимодействии (ASA) отражает вклад гидрофобного эффекта ASA – это только число ( Å2), нет описания деталей! Симуляция молекулярной динамики, конечно, отражает гидрофобный эффект! Но не локализует его!

8. Подходы к локализации гидрофобного эффекта в белка и межмакромолекулярных взаимодействиях • Kannan & Vishveshwara, 1999 • Tsai & Nussinov, 1997 • Swindells, 1995 • Zehfus, 1995 • Heringa & Argos, 1991 • Plochocka et al., 1988 • Наша группа: Alexeevski et al,. 2003

9. Swindells:группировка гидрофобно взаимодействующих неэкспонированных остатков • Отбираются остатки, которые • Слабо экспонированы (<7%) • Принадлежат спиралям или тяжам • Более 75% контактов их атомов с другими атомами классифицируются как гидрофобные Контактом считается сближение “тяжелых” атомов на сумму vdW радиусов + 1 ангстрем Гидрофобным контактом считается контакт углеродов

10. Два остатка из отобранных считаются взаимодействующими гидрофобно если число гидрофобных межатомных контактов превосходит число негидрофобных межатомных контактов

11. Строится граф: • Вершина – отобранный остаток • Ребро соединяет вершины, если соответствующие остатки гидрофобно взаимодействуют • Связные компоненты графа, содержащие 5 или более остатков, называются гидрофобными ядрами

12. Граф гидрофобных контактов (пример)

13. Zehfus:компактные группы боковых цепей остатков • Вводится мера Z компактности набора остатков (отношение ASA к минимальной возможной поверхности) • Выращиваются группы путем наращивания остаток за остатком (жадным алгоритмом) • С помощью Z-score (который здесь назван ζ) по статистике кластеров из данного числа остатков выбираются наиболее компактные группы. • Часто они состоят, в основном, из гидрофобных остатков

14. Кластеры неполярных атомных групп • Элементарной единицей служат неполярные атомные группы (CH3 и т.п.)вместо аминокислотных остаков • Алгоритм основан на делении целого, а не на наращивании из элементов

15. В чем задача: • Для данной структуры найти области пространства, заполненнные только или преимущественно неполярными группами

16. Неполярные группы в белках: • —CH3 • —CH2— • —CH< • —SH, —S — не связанные ковалентно с полярными (N и O) атомами Назовем такие группы ‘HF-атомами’

17. “Гидрофобная область” в структуре (HF-область): • HF-областьзаполнена преимущественно HF-атомами • Каждый HF-атом в области имеет несколько гидрофобных контактов с другими HF-атомами из той же области • Гидрофобное взаимодействие между разными HF-областями слабое

18. Конфигурация HF-атомов на плоскости и что хотим в ней найти

19. Алгоритм ‘(k,l)-разрезов:input output3D структура => список HF-областейКаждая Hf-область описавается как1) список HF-атомов2) параметры HF-области(число HF-атомов, центр тяжести области, полуоси эллипсода вращения и др.)

20. Шаги алгоритма (k,l)-разрезов • Создание графа HF-атомов • Нахождение всех (k,l)-разрезов графа • Удаление всех (k,l)-разрезов из графа • Нахождение кластеров, т.е. Связных компонент полученного графа

21. Граф контактов HF-атомов • Вершина – один HF-атом • Ребро соединяет два атома если они контактируют

22. Два типа ребер • Ковалентные связи и, более обще, пары атомов на фиксированном расстоянии в силу форсмажора – стереофимических ограничений • Гидрофобные контакты C C C

23. Критерии контакта m d d d0, (d0’=5.4Ǻ, d0’’=4.5Ǻ) m m0 (m0=3.0Ǻ)

24. Что такое (k,l)-разрез графа? • Определение: (k,l)-разрез графа – это связный подграф G, содержащий k-ребер, такой , что l-реберная окрестность его после удаления ребер G распадается на две или более связных компоненты

25. Подграф G2 (красные ребра)не является (2,1)-разрезом Подграф G1 (красные ребра) является (2,1)-разрезом G1 G2

26. HF-atoms Graph of HF-atoms (1,1)-cuts (red edges) Clusters after (1,1)-cutting (2,1)-cut (red edges) Clusters after (2,1)-cutting

27. Algorithm complexity • Time T can be considered as linear with respect to the number N of atoms in 3D structure; constant C is large • C depends exponentially on the parameter k of (k,l)-cut algorithm • Seems only small k=1,2,3,... are sufficient for HF-clusters detecting • Special ordering of edges helps to decrease an exhaustive search of connected k-edges-subgraphs of a graph

28. Working version of the on-line program ‘ClusterDetector’ (CluD) is available now at http://monkey.belozersky.msu.ru/~mlt/HF_page.html(реализованы k=l=1)

29. On-line CluD interface

30. HF-clusters of RdRp RHDV

31. Консервативное гиброфобное ядро гомеодоменов • Homeodomains are about 60 aa well-conserved DNA-recognizing domains of eukaryotic transcription factors • There are 62 chains of homeodomains in PDB representing 20 different proteins • Homeodomain consists of a ‘hand’ and 3 -helices

32. Homeodomain structure

33. Определение консервативноего гидрофобного ядра • Остатки во всех 62х структурах гомеодоменов пронумерованы соответственно выравниванию • Для каждого гомеодомена найден самый большой HF-кластер– гидрофобное ядро (число HF-атомов в нем было от 77 до 97) • В выравнивании позиции, остатки в которых давали вклад в HF-ядро во всех структурах, были отмечены • HF-атомы из остатков в этих позициях считались входящими в консервативное HF-ядро

34. 1AHD (P) MRKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFN---RYLTRRRRIE 1B72 (A) LRTNFTTRQLTELEKEFHFN---KYLSRARRVE 1B81 (A) RQTYTRYQTLELEKEFHTN---HYLTRRRRIE 1DU0 (B) RPRTAFSSEQLARLKREFNEN---RYLTERRRQQ 2HDD (A) RTAFSSEQLARLKREFNEN---RYLTERRRQQ 3HDD (A) RTAFSSEQLARLKREFNEN---RYLTERRRQQ 1JGG (A) RYRTAFTRDQLGRLEKEFYKE---NYVSRPRRCE 1JGG (B) RYRTAFTRDQLGRLEKEFYKE---NYVSRPRRCE 1BW5 TTRVRTVLNEKQLHTLRTCYAAN---PRPDALMKEQ 1AKH (A) ISPQARAFLEEVFRRK---QSLNSKEKEE 1YRN (A) ISPQARAFLEQVFRRK---QSLNSKEKEE 1LE8 (A) KSSISPQARAFLEQVFRRK---QSLNSKEKEE 1MNM (D) TKPYRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN 1K61 (A) RGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN 1YRN (B) TKPYRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN 1APL (C) YRGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN 1LE8 RGHRFTKENVRILESWFAKNIENPYLDTKGLEN

35. Conserved HF-core of homeodomains

36. All HF-atoms of Mat2 homeodomain Conserved HF-core of Mat2 homeodomain

37. Space region comprised by HF-core is conservedin homeodomains • In 62 superimposed homeodomains HF-cores of 59 homeodomains lie completely in the 3Å neighborhood of the HF-core of Msh homeodomain ! • In two cases 4-6 HF-atoms lie out of the neighborhood. One is MatA1 homeodomain having no N-terminal hand. Another is average NMR structure.