Шкалы гидрофобности - Hydrophobicity scales

Гидрофобности весы представляют собой значения , которые определяют относительную гидрофобность или гидрофильность из аминокислотных остатков. Чем положительнее значение, тем более гидрофобными являются аминокислоты, расположенные в этой области белка. Эти шкалы обычно используются для предсказания трансмембранных альфа-спиралей из мембранных белков . При последовательном измерении аминокислот белка изменения в значении указывают на притяжение определенных участков белка к гидрофобной области внутри липидного бислоя .

Гидрофобный или гидрофильный характер соединения или аминокислоты иногда называют его гидропатическим характером, гидропатичностью или даже « гидропатией » (что первоначально означало терапевтическое использование воды).

Гидрофобность и гидрофобный эффект

Водородные связи между молекулами жидкой воды

Гидрофобный эффект представляет собой тенденцию воды исключать неполярные молекулы. Эффект возникает из-за разрыва высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды. Полярные химические группы, такие как группа ОН в метаноле , не вызывают гидрофобного эффекта. Однако молекула чистого углеводорода, например гексана , не может принимать или отдавать водородные связи воде. Введение гексана в воду вызывает нарушение сети водородных связей между молекулами воды. Водородные связи частично восстанавливаются путем создания водной «клетки» вокруг молекулы гексана, подобной той, что в клатратных гидратах, образующихся при более низких температурах. Подвижность молекул воды в «клетке» (или сольватной оболочке ) сильно ограничена. Это приводит к значительным потерям поступательной и вращательной энтропии молекул воды и делает процесс невыгодным с точки зрения свободной энергии системы. С точки зрения термодинамики, гидрофобный эффект - это изменение свободной энергии воды, окружающей растворенное вещество. Положительное изменение свободной энергии окружающего растворителя указывает на гидрофобность, тогда как отрицательное изменение свободной энергии подразумевает гидрофильность. Таким образом, гидрофобный эффект можно не только локализовать, но и разложить на энтальпийный и энтропийный вклады.

Типы шкал гидрофобности аминокислот

Таблица, в которой сравниваются четыре различных шкалы гидрофобности аминокислотного остатка в белке с наиболее гидрофобными аминокислотами вверху

Был разработан ряд различных шкал гидрофобности.

Между четырьмя шкалами, приведенными в таблице, есть явные различия. И вторая, и четвертая шкалы помещают цистеин как наиболее гидрофобный остаток, в отличие от двух других шкал. Это различие связано с разными методами измерения гидрофобности. Метод, использованный для получения Janin and Rose et al. Весы должны были изучить белки с известной трехмерной структурой и определить гидрофобный характер как тенденцию к обнаружению остатка внутри белка, а не на его поверхности. Поскольку цистеин образует дисульфидные связи, которые должны находиться внутри глобулярной структуры, цистеин считается наиболее гидрофобным. Первая и третья шкалы основаны на физико-химических свойствах боковых цепей аминокислот. Эти шкалы являются результатом исследования аминокислотных структур. Бисвас и др. Разделили шкалы в зависимости от метода, используемого для получения шкалы, на пять различных категорий.

Методы разбиения

Наиболее распространенный метод измерения гидрофобности аминокислот - разделение между двумя несмешивающимися жидкими фазами. Для имитации внутренней части белка наиболее широко используются различные органические растворители. Однако органические растворители плохо смешиваются с водой, и характеристики обеих фаз меняются, что затрудняет получение чистой шкалы гидрофобности. Нозаки и Танфорд предложили первую основную шкалу гидрофобности для девяти аминокислот. В качестве органических растворителей использовали этанол и диоксан, и была рассчитана свободная энергия переноса каждой аминокислоты. Нежидкие фазы также можно использовать с такими методами разделения, как мицеллярные фазы и паровые фазы. Были разработаны две шкалы с использованием мицеллярных фаз. Fendler et al. измерили разделение 14 радиоактивно меченных аминокислот с использованием мицелл додецилсульфата натрия (SDS) . Кроме того, сродство боковой цепи аминокислоты к воде измеряли с использованием паровой фазы. Паровые фазы представляют собой простейшие неполярные фазы, поскольку они не взаимодействуют с растворенным веществом. Вольфенден изучал потенциал гидратации и его корреляцию с появлением аминокислот на поверхности белков. Водная и полимерная фазы были использованы при разработке новой шкалы распределения. У методов секционирования много недостатков. Во-первых, сложно имитировать белковый интерьер. Кроме того, роль самосольватации очень затрудняет использование свободных аминокислот. Более того, водородные связи, которые теряются при переносе в органические растворители, не реформируются, а часто находятся внутри белка.

Доступные методы площади поверхности

Шкалы гидрофобности также могут быть получены путем расчета доступных для растворителя площадей поверхности для аминокислотных остатков в растянутой полипептидной цепи или в альфа-спирали и умножения площадей поверхности на эмпирические параметры сольватации для соответствующих типов атомов. На основе асимптотического степенного (самоподобного) поведения была построена дифференциальная шкала гидрофобности доступной для растворителя площади поверхности, основанная на белках в виде уплотненных сетей вблизи критической точки из-за самоорганизации в результате эволюции. Эта шкала основана на биоинформатическом обзоре 5526 структур высокого разрешения из банка данных белков. Эта дифференциальная шкала имеет два сравнительных преимущества: (1) она особенно полезна для обработки изменений во взаимодействиях вода-белок, которые слишком малы, чтобы быть доступными для обычных расчетов силового поля, и (2) для гомологичных структур она может давать корреляции с изменения свойств в результате мутаций только в аминокислотных последовательностях, без определения соответствующих структурных изменений, либо in vitro, либо in vivo.

Хроматографические методы

Обращенно-фазовая жидкостная хроматография (RPLC) является наиболее важным хроматографическим методом измерения гидрофобности растворенных веществ. Неполярная стационарная фаза имитирует биологические мембраны. Использование пептидов имеет много преимуществ, поскольку раздел не расширяется за счет терминальных сборов в RPLC. Кроме того, можно избежать образования вторичных структур за счет использования пептидов с короткой последовательностью. Дериватизация аминокислот необходима для облегчения ее разделения на связанную фазу C18. Другая шкала была разработана в 1971 году и использовала удерживание пептидов на гидрофильном геле. 1-бутанол и пиридин использовались в качестве подвижной фазы в этом конкретном масштабе, а глицин использовался в качестве контрольного значения. Плиска и его коллеги использовали тонкослойную хроматографию, чтобы связать значения подвижности свободных аминокислот с их гидрофобностью. Около десяти лет назад была опубликована другая шкала гидрофильности, в которой использовалась нормально-фазовая жидкостная хроматография, и она показала удерживание 121 пептида на колонке с амидом-80. Абсолютные значения и относительные рейтинги гидрофобности, определенные хроматографическими методами, могут зависеть от ряда параметров. Эти параметры включают площадь поверхности диоксида кремния и диаметр пор, выбор и pH водного буфера, температуру и плотность связывания цепей неподвижной фазы. ip mw гидрофобные белки

Сайт-направленный мутагенез

В этом методе используется технология рекомбинантной ДНК, и он дает реальное измерение стабильности белка. В своих подробных исследованиях сайт-направленного мутагенеза Утани и его коллеги заменили 19 аминокислот на Trp49 триптофансинтазы и измерили свободную энергию разворачивания. Они обнаружили, что повышенная стабильность прямо пропорциональна увеличению гидрофобности до определенного предела размера. Основным недостатком метода сайт-направленного мутагенеза является то, что не все 20 встречающихся в природе аминокислот могут заменять один остаток в белке. Более того, эти методы имеют проблемы со стоимостью и полезны только для измерения стабильности белков.

Методы физических свойств

Шкалы гидрофобности целого остатка Уимли-Уайта

Шкалы гидрофобности, разработанные методами физических свойств , основаны на измерении различных физических свойств. Примеры включают парциальную молярную теплоемкость, температуру перехода и поверхностное натяжение. Физические методы просты в использовании и гибки с точки зрения растворенных веществ. Самая популярная шкала гидрофобности была разработана путем измерения значений поверхностного натяжения для встречающихся в природе 20 аминокислот в растворе NaCl. Основным недостатком измерения поверхностного натяжения является то, что разорванные водородные связи и нейтрализованные заряженные группы остаются на границе раздела раствор-воздух. Другой метод физических свойств включает измерение свободной энергии сольватации. Свободная энергия сольватации оценивается как произведение доступности атома для растворителя и параметра атомной сольватации. Результаты показывают, что свободная энергия сольватации снижается в среднем на 1 ккал / остаток при сворачивании.

График гидропатии в масштабе целого октанола для L-субъединицы фотосинтетического реакционного центра Rhodobacter sphaeroides.

Недавние приложения

Паллизер и Парри исследовали около 100 чешуек и обнаружили, что они могут использовать их для определения местоположения B-цепей на поверхности белков. Шкалы гидрофобности также использовались для прогнозирования сохранения генетического кода. Тринкье заметил новый порядок оснований, который лучше отражает консервативный характер генетического кода. Они полагали, что новый порядок оснований урацил-гуанин-цистозин-аденин (UGCA) лучше отражает консервативный характер генетического кода по сравнению с обычно наблюдаемым упорядочением UCAG.

Шкалы гидрофобности целого остатка Уимли – Уайта

Шкалы гидрофобности целого остатка Уимли – Уайта важны по двум причинам. Во-первых, они включают вклады пептидных связей, а также боковых цепей, обеспечивая абсолютные значения. Во-вторых, они основаны на прямых, экспериментально определенных значениях переносимых свободных энергий полипептидов.

Были измерены две шкалы гидрофобности целого остатка:

  • Один для переноса развернутых цепей от воды к межслойной границе раздела (называемый шкалой межфазной гидрофобности Уимли-Уайта).
  • Один для преобразования развернутых цепей в октанол, который имеет отношение к углеводородному ядру бислоя.

На веб-сайте Стивена Х. Уайта приведен пример шкалы гидрофобности всего остатка, показывающий свободную энергию переноса ΔG (ккал / моль) от воды к поверхности раздела POPC и к н-октанолу. Эти две шкалы затем используются вместе для построения графиков гидропатии всего остатка. График гидропатии, построенный с использованием ΔGwoct - ΔGwif, показывает благоприятные пики на абсолютной шкале, которые соответствуют известным спиралям TM. Таким образом, все графики остаточной гидропатии иллюстрируют, почему трансмембранные сегменты предпочитают трансмембранное расположение, а не поверхностное.

Аминокислота Масштаб
границы раздела , Δ G wif (ккал / моль)
Шкала октанола ,
Δ G woct (ккал / моль)
Октанол - интерфейс,
Δ G woct - Δ G WIF
Иль -0,31 -1,12 -0,81
Лея -0,56 −1,25 -0,69
Phe −1,13 -1,71 -0,58
Вал 0,07 -0,46 −0,53
Встретились -0,23 -0,67 -0,44
Pro 0,45 0,14 -0,31
Trp -1,85 −2,09 -0,24
Его0 0,17 0,11 -0,06
Thr 0,14 0,25 0,11
Glu0 −0,01 0,11 0,12
Gln 0,58 0,77 0,19
Cys -0,24 −0,02 0,22
Тюр -0,94 −0,71 0,23
Ала 0,17 0,50 0,33
Сер 0,13 0,46 0,33
Asn 0,42 0,85 0,43
Asp0 -0,07 0,43 0,50
Arg + 0,81 1,81 1,00
Gly 0,01 1,15 1.14
Его + 0,96 2.33 1,37
Glu- 2,02 3,63 1,61
Lys + 0,99 2,80 1,81
Asp- 1,23 3,64 2.41

Шкалы на основе структуры белка Bandyopadhyay-Mehler

Большинство существующих шкал гидрофобности основано на свойствах аминокислот в их свободных формах или в составе короткого пептида. Шкала гидрофобности Bandyopadhyay-Mehler была основана на разделении аминокислот в контексте структуры белка. Структура белка представляет собой сложную мозаику из различных диэлектрических сред, образованных расположением разных аминокислот. Следовательно, различные части структуры белка, скорее всего, будут вести себя как растворители с разными значениями диэлектрической проницаемости. Для простоты каждая структура белка рассматривалась как несмешивающаяся смесь двух растворителей, белка внутреннего и внешнего. Локальное окружение вокруг отдельной аминокислоты (называемое «микросредой») вычислялось как для внутреннего, так и для внешнего белка. Отношение дает шкалу относительной гидрофобности для отдельных аминокислот. Вычисления были обучены на кристаллических структурах белков высокого разрешения. Этот количественный дескриптор для микросреды был получен из коэффициента распределения октанол-вода (известного как фрагментарные константы Реккера), широко используемого для фармакофоров. Этот масштаб хорошо коррелирует с существующими методами, основанными на вычислениях разбиения и свободной энергии. Преимущество этой шкалы в том, что она более реалистична, поскольку находится в контексте реальных белковых структур.

Шкала на основе краевого угла смачивания нанокапли воды

Углы смачивания нанокапли воды на искусственных бета-листах с различными боковыми цепями аминокислот
Система моделирования МД и структура искусственной бета-складчатой ​​2D пептидной сети, состоящей из унифицированных R-боковых цепей.

В области техники гидрофобность (или способность к обезвоживанию ) плоской поверхности (например, столешницы на кухне или сковороды) может быть измерена с помощью краевого угла смачивания капли воды. Команда Университета Небраски-Линкольна недавно разработала вычислительный подход, который может связать шкалу молекулярной гидрофобности аминокислотных цепей с краевым углом смачивания нанокапли воды. Команда построила плоские сети, состоящие из унифицированных боковых цепей аминокислот с нативной структурой белка бета-листа. Используя моделирование молекулярной динамики, команда смогла измерить угол смачивания нанокапли воды на планарных сетках (гидрофобность).

С другой стороны, предыдущие исследования показывают, что минимум избыточного химического потенциала растворенного вещества твердых сфер по сравнению с объемом в объеме демонстрирует линейную зависимость от величины косинуса краевого угла смачивания. На основе вычисленных избыточных химических потенциалов чисто отталкивающего растворенного вещества Уикса – Чендлера – Андерсена размером с метан по сравнению с растворенным веществом в объеме, вычисляются экстраполированные значения косинусного значения краевого угла (ccHydrophobicity), которые можно использовать для количественной оценки гидрофобность боковых цепей аминокислот с полным смачиванием.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки