Анализ значения Phi - Phi value analysis

Анализ значения Phi, ${displaystyle phi}$ анализ, или же ${displaystyle phi}$ -ценностный анализ экспериментальный белковая инженерия методика изучения структуры сворачивания переходное состояние малых белковые домены который складывать с двумя состояниями. Структуру переходного состояния сворачивания трудно найти с помощью таких методов, как белок ЯМР или же Рентгеновская кристаллография потому что складывающиеся переходные состояния мобильны и частично неструктурированы по определению. В ${displaystyle phi}$ -ценностный анализ, кинетика складывания и конформационная складчатость дикого типа белка сравнивают с белками точечные мутанты найти значения фи. Они измеряют энергетический вклад мутантного остатка в переходное состояние сворачивания, которое показывает степень родная структура вокруг мутированного остатка в переходном состоянии, учитывая относительную свободные энергии развернутого состояния, свернутого состояния и переходного состояния для белков дикого типа и мутантных белков.

Остатки белка мутируют один за другим, чтобы идентифицировать кластеры остатков, которые хорошо упорядочены в свернутом переходном состоянии. Взаимодействие этих остатков можно проверить с помощью двойной мутантный цикл ${displaystyle phi}$ анализ, в котором эффекты односайтовых мутантов сравниваются с эффектами двойных мутантов. Большинство мутаций консервативны и заменяют исходный остаток на меньший (мутации, вызывающие полость) подобно аланин, хотя тирозин -к-фенилаланин, изолейцин -к-валин и треонин -к-серин мутанты тоже могут быть использованы. Химотрипсин ингибитор, SH3 домены, отдельные домены белков L и G, убиквитин, и Barnase все были изучены ${displaystyle phi}$ анализ.

Математический подход

Диаграммы энергии для

{displaystyle phi}

= 0 (слева) или 1 (справа). D - энергия денатурированного состояния, кинжала - переходного состояния, а N - исходного состояния.

Фи определяется таким образом:^[1]

{displaystyle phi = {frac {(Delta G_ {W} ^ {TS-D} -Delta G_ {M} ^ {TS-D})} {(Delta G_ {W} ^ {ND} -Delta G_ {M} ^ {ND})}} = {frac {Delta Delta G ^ {TS-D}} {Delta Delta G ^ {ND}}}}

${displaystyle Delta G_ {W} ^ {TS-D}}$ разница в энергии между белками дикого типа переход и денатурированное состояние, ${displaystyle Delta G_ {M} ^ {TS-D}}$ такая же разница в энергии, но для мутантного белка, и ${displaystyle Delta G ^ {N-D}}$ биты - это разница в энергии между исходным и денатурированным состояниями. Значение phi интерпретируется как степень дестабилизации переходного состояния мутацией по сравнению со свернутым состоянием.

Хотя ${displaystyle phi}$ могло быть предназначено для диапазона от нуля до единицы, могут появляться отрицательные значения.^[2] Нулевое значение предполагает мутация не влияет на структуру ограничивающего скорость переходного состояния пути сворачивания, а значение единицы предполагает, что мутация дестабилизирует переходное состояние в такой же степени, как и свернутое состояние; значения, близкие к нулю, предполагают область вокруг мутации относительно развернут или неструктурирован в переходном состоянии, и значения, близкие к единице, предполагают, что локальная структура переходного состояния рядом с сайтом мутации подобна структуре нативного состояния. Консервативные замены на поверхности белка часто дают значения phi, близкие к единице. Когда ${displaystyle phi}$ находится между нулем и единицей, он менее информативен, поскольку не говорит нам, что именно:

Само переходное состояние частично структурировано; или же
Есть два белковые популяции примерно равных чисел, один вид в основном развернут, а другой - в основном свернут.

Ключевые предположения

Анализ значения Phi предполагает Постулат Хаммонда, который утверждает, что энергия и химическая структура взаимосвязаны. Хотя отношения между структурами складывающегося промежуточного и нативного состояний могут коррелировать между их энергиями, когда энергетический ландшафт имеет четко определенный, глубокий глобальный минимум, дестабилизация свободной энергии может не дать полезной структурной информации, когда энергетический ландшафт более плоский или имеет много локальных минимумов.
Анализ значения Phi предполагает складывание путь существенно не изменилась, хотя складывание энергии может быть. Поскольку неконсервативные мутации могут не подтверждать это, предпочтительны консервативные замены, хотя они могут давать меньшие энергетические дестабилизации, которые труднее обнаружить.
Ограничение ${displaystyle phi}$ к числам больше нуля - это то же самое, что и предположение, что мутация увеличивает стабильность и снижает энергию ни нативного, ни переходного состояния. В той же линии предполагается, что взаимодействия, которые стабилизируют переходное состояние сворачивания, подобны взаимодействиям с нативной структурой, хотя некоторые исследования сворачивания белков показали, что стабилизация ненативных взаимодействий в переходном состоянии облегчает укладку.^[3]

Пример: barnase

Алан Фершт впервые применил анализ значений фи в своем исследовании малых бактериальный белок Barnase.^[4]^[5] С помощью молекулярная динамика В ходе моделирования он обнаружил, что переходное состояние между сворачиванием и раскладыванием выглядит как естественное состояние и одинаково независимо от направления реакции. Phi варьировался в зависимости от местоположения мутации, так как некоторые регионы давали значения, близкие к нулю, а другие - к единице. Распределение ${displaystyle phi}$ значения во всей последовательности белка согласовывались со всем смоделированным переходным состоянием, кроме одной спирали, которая складывалась полунезависимо и создавала нативные контакты с остальной частью белка только после того, как переходное состояние сформировалось полностью. Такое изменение скорости сворачивания в одном белке затрудняет интерпретацию ${displaystyle phi}$ Значения в качестве структуры переходного состояния должны иначе сравниваться с симуляциями сворачивания-разворачивания, которые требуют больших вычислительных ресурсов.

Варианты

Недавно появились и другие методы «кинетического возмущения» для изучения переходного состояния сворачивания. Наиболее известен пси ( ${displaystyle psi}$ ) ценить^[6]^[7] который обнаруживается путем конструирования двух связывающих металл аминокислотных остатков, таких как гистидин в белок, а затем записать кинетика складывания как функция концентрации ионов металлов,^[8] хотя Фершт считал такой подход трудным.^[9] А 'сшивание вариант ${displaystyle phi}$ -значение было использовано для изучения ассоциации сегментов в переходном состоянии сворачивания в виде ковалентных поперечных связей, таких как дисульфидные связи были представлены.^[10]

Ограничения

Ошибка в измерениях стабильности равновесия и скорости водной (не) складчатости может быть большой, когда значения ${displaystyle phi}$ для решений с денатурирующие средства должен быть экстраполирован на водные растворы которые являются почти чистыми, или разница в стабильности между нативным и мутантным белками «низкая» или менее 7 кДж / моль. Это может вызвать ${displaystyle phi}$ выйти за пределы диапазона нуля или единицы.^[11] Расчетные значения ${displaystyle phi}$ сильно зависят от количества доступных точек данных и условий лаборатории.^[12]

Смотрите также

Рекомендации

^ Даггетт V, Фершт А.Р. (2000). Переходные состояния в сворачивании белков. В Механизмы сворачивания белков 2-е изд, редактор Р. Х. Пейн. Издательство Оксфордского университета.
^ Риос, Массачусетс; Данеши, М; Plaxco, KW (2005). «Экспериментальное исследование частоты и зависимости замещений отрицательных значений phi в белках с двумя состояниями». Биохимия. 44 (36): 12160–7. Дои:10.1021 / bi0505621. PMID 16142914.
^ Заррин-Асфар, Араш; Валлин, Стефан (22 июля 2008 г.). «Теоретическая и экспериментальная демонстрация важности специфических неродных взаимодействий в сворачивании белков» (PDF). Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. Академия естественных наук. 105 (29): 9999–10004. Дои:10.1073 / pnas.0801874105. ЧВК 2481363. PMID 18626019.
^ Матушек, А; Келлис, JT; Серрано, L; Фершт, АР (1989). «Картирование переходного состояния и пути сворачивания белка с помощью белковой инженерии». Природа. 340 (6229): 122–6. Дои:10.1038 / 340122a0. PMID 2739734.
^ Фершт, АР; Матушек, А; Серрано, Л. (1992). «Сворачивание фермента I. Теория белковой инженерии, анализ стабильности и пути сворачивания белка». Дж Мол Биол. 224 (3): 771–82. Дои:10.1016 / 0022-2836 (92) 90561-В. PMID 1569556.
^ Сосник, Т.Р .; Дотагер, RS; Кранц, Б.А. (2004). "Различия в переходном состоянии сворачивания убиквитина обозначены ${displaystyle phi}$ и ${displaystyle psi}$ анализы ". Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 101 (50): 17377–17382. Дои:10.1073 / pnas.0407683101. ЧВК 536030. PMID 15576508.
^ Кранц, BA; Дотагер, RS; Сосник, Т.Р. (март 2004 г.). «Определение структуры и энергии множественных переходных состояний в сворачивании белков с использованием ${displaystyle psi}$ -анализ". J. Mol. Биол. 337: 463–75. Дои:10.1016 / j.jmb.2004.01.018. PMID 15003460.
^ Кранц, BA; Сосник, Т.Р. (2001). «Спроектированные участки связывания металла отображают неоднородный складчатый ландшафт намотанной катушки». Nat. Struct. Биол. 8 (12): 1042–1047. Дои:10.1038 / nsb723. PMID 11694889.
^ Фершт, АР (2004). " ${displaystyle Phi}$ значение по сравнению с ${displaystyle psi}$ анализ". Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 101 (50): 17327–17328. Дои:10.1073 / pnas.0407863101. ЧВК 536033. PMID 15583125.
^ Ведемейер, WJ; Велкер, Э; Нараян, М; Scheraga, HA (июнь 2000 г.). «Дисульфидные связи и сворачивание белков». Биохимия. 39 (23): 7032. Дои:10.1021 / bi005111p. PMID 10841785.
^ Санчес, IE; Кифхабер, Т. (2003). «Происхождение необычных phi-значений в сворачивании белка: свидетельства против конкретных сайтов нуклеации». J. Mol. Биол. 334 (5): 1077–1085. Дои:10.1016 / j.jmb.2003.10.016. PMID 14643667.
^ Мигель; Лос-Риос, А. Де; Muraidhara, B.K .; Уайлдс, Дэвид; Sosnick, Tobin R .; Маркиз, Сьюзен; Виттунг-Стафшеде, Пернилла; Plaxco, Кевин В.; Ручински, Инго (2006). «О точности экспериментально определенных скоростей сворачивания белков и значений phi». Белковая наука. 15 (3): 553–563. Дои:10.1110 / л.с. 051870506. ЧВК 2249776. PMID 16501226.

[Daggett-1] Даггетт V, Фершт А.Р. (2000). Переходные состояния в сворачивании белков. В Механизмы сворачивания белков 2-е изд, редактор Р. Х. Пейн. Издательство Оксфордского университета.

[2] Риос, Массачусетс; Данеши, М; Plaxco, KW (2005). «Экспериментальное исследование частоты и зависимости замещений отрицательных значений phi в белках с двумя состояниями». Биохимия. 44 (36): 12160–7. Дои:10.1021 / bi0505621. PMID 16142914.

[3] Заррин-Асфар, Араш; Валлин, Стефан (22 июля 2008 г.). «Теоретическая и экспериментальная демонстрация важности специфических неродных взаимодействий в сворачивании белков» (PDF). Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. Академия естественных наук. 105 (29): 9999–10004. Дои:10.1073 / pnas.0801874105. ЧВК 2481363. PMID 18626019.

[4] Матушек, А; Келлис, JT; Серрано, L; Фершт, АР (1989). «Картирование переходного состояния и пути сворачивания белка с помощью белковой инженерии». Природа. 340 (6229): 122–6. Дои:10.1038 / 340122a0. PMID 2739734.

[5] Фершт, АР; Матушек, А; Серрано, Л. (1992). «Сворачивание фермента I. Теория белковой инженерии, анализ стабильности и пути сворачивания белка». Дж Мол Биол. 224 (3): 771–82. Дои:10.1016 / 0022-2836 (92) 90561-В. PMID 1569556.

[6] Сосник, Т.Р .; Дотагер, RS; Кранц, Б.А. (2004). "Различия в переходном состоянии сворачивания убиквитина обозначены ${displaystyle phi}$ и ${displaystyle psi}$ анализы ". Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 101 (50): 17377–17382. Дои:10.1073 / pnas.0407683101. ЧВК 536030. PMID 15576508.

[7] Кранц, BA; Дотагер, RS; Сосник, Т.Р. (март 2004 г.). «Определение структуры и энергии множественных переходных состояний в сворачивании белков с использованием ${displaystyle psi}$ -анализ". J. Mol. Биол. 337: 463–75. Дои:10.1016 / j.jmb.2004.01.018. PMID 15003460.

[8] Кранц, BA; Сосник, Т.Р. (2001). «Спроектированные участки связывания металла отображают неоднородный складчатый ландшафт намотанной катушки». Nat. Struct. Биол. 8 (12): 1042–1047. Дои:10.1038 / nsb723. PMID 11694889.

[9] Фершт, АР (2004). " ${displaystyle Phi}$ значение по сравнению с ${displaystyle psi}$ анализ". Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 101 (50): 17327–17328. Дои:10.1073 / pnas.0407863101. ЧВК 536033. PMID 15583125.

[10] Ведемейер, WJ; Велкер, Э; Нараян, М; Scheraga, HA (июнь 2000 г.). «Дисульфидные связи и сворачивание белков». Биохимия. 39 (23): 7032. Дои:10.1021 / bi005111p. PMID 10841785.

[11] Санчес, IE; Кифхабер, Т. (2003). «Происхождение необычных phi-значений в сворачивании белка: свидетельства против конкретных сайтов нуклеации». J. Mol. Биол. 334 (5): 1077–1085. Дои:10.1016 / j.jmb.2003.10.016. PMID 14643667.

[12] Мигель; Лос-Риос, А. Де; Muraidhara, B.K .; Уайлдс, Дэвид; Sosnick, Tobin R .; Маркиз, Сьюзен; Виттунг-Стафшеде, Пернилла; Plaxco, Кевин В.; Ручински, Инго (2006). «О точности экспериментально определенных скоростей сворачивания белков и значений phi». Белковая наука. 15 (3): 553–563. Дои:10.1110 / л.с. 051870506. ЧВК 2249776. PMID 16501226.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]