Структура и функционирование белков. Применение методов биоинформатики - Джон Ригден 2014

Предсказание функции белка по свойствам его поверхности
Свойства поверхности
Гидрофобность

После введения определений поверхности белка важно установить, какие ее свойства являются существенными для исследований. Это могут быть химические, биологические или физические свойства. Здесь вкратце представлены наиболее широко используемые свойства поверхности.

Полярные и неполярные атомы на поверхности белка будут по-разному взаимодействовать с окружающим их растворителем. Стремление полярных молекул воды к образованию водородных связей в основном удовлетворяется полярными атомами на поверхности белка. Неполярные атомы не могут образовывать водородных связей, и это различие является причиной гидрофобного эффекта в водных растворах (Chothia and Janin 1975). Взаимодействие молекул воды с неполярной поверхностью белка невыгодно из-за того, что те молекулы, которые располагаются рядом с такой поверхностью, не могут образовать такое же число водородных связей, что и молекулы воды в объеме раствора. Как результат, приповерхностные молекулы воды будут формировать полуустойчивую сеть для оптимизации числа водородных связей между собой. Такое упорядочивание является той движущей силой, под действием которой вода стремится уменьшить контакт с неполярной поверхностью, в результате чего изменения в площади неполярной поверхности молекул растворенного вещества имеют прямое отношение к свободной энергии процессов в растворе. Важно заметить, что использование молекулярной поверхности из-за особенностей её построения вызывает искажения при моделировании гидрофобного эффекта по сравнению с использованием поверхности, доступной растворителю. Свободная энергия, связанная с этим процессом, является самым главным стабилизирующим фактором при определении структуры глобулярных белков, которые обычно имеют гидрофобное ядро и полярную поверхность. Гидрофобный эффект также важен как движущая сила при взаимодействии молекул. Гидрофобность поверхности белка является, таким образом, ключевым свойством для предсказания его функций.

Самой простой мерой гидрофобности является сумма экспонированных полярных и неполярных площадей поверхности, но существуют и другие, более сложные, ее определения. Они приравнивают гидрофобность отдельных типов атомов к энергии сольватации, полученной из экспериментальных источников или баз данных характерных белковых структур. Общепринятый подход состоит в рассмотрении энергии сольватации как функции двух переменных: уменьшения площади ПДР и наблюдаемой энергии переноса соответствующих атомов. Энергия переноса данной молекулы представляет собой изменение свободной энергии при перемещении ее между двумя различными средами. При рассмотрении белковых взаимодействий в качестве такого перемещения наиболее подходит перенос аминокислот из воды в октанол, имитирующий внутренний объем белка (Fauchere and Pliska 1983). Также существуют значения энергии переноса и между другими различными средами, которые выступают в качестве конечных состояний в других физических процессах: пар-вода (Wolfenden et al. 1981), циклогексан-вода (Radzicka et al. 1988). В качестве альтернативы выступает атомный потенциал сольватации (Atomic Solvation Potential, ASP), значения которого подобраны при сопоставлении разниц в энергиях переноса нативных структур белков и моделей с заведомо неправильной укладкой (Wang et al. 1995). Полученные значения часто используют в расчетах сворачивания белка и методе молекулярного докинга.