Wagi hydrofobowości - Hydrophobicity scales

Wagi hydrofilowe są wartościami, które definiują względnej hydrofobowości lub hydrofilowości w aminokwasowych pozostałości. Im bardziej dodatnia wartość, tym bardziej hydrofobowe są aminokwasy znajdujące się w tym regionie białka. Wagi te są powszechnie używane do przewidywania przezbłonowych a-helisę z białek błonowych . Przy kolejnych pomiarach aminokwasów białka zmiany wartości wskazują na przyciąganie określonych regionów białka do regionu hydrofobowego wewnątrz dwuwarstwy lipidowej .

Hydrofobowy lub hydrofilowy charakter związku lub aminokwasu jest czasami nazywany jego hydropatycznym charakterem, hydropatią lub nawet „ hydropatią ” (co pierwotnie oznaczało terapeutyczne zastosowanie wody).

Hydrofobowość i efekt hydrofobowy

Wiązania wodorowe między cząsteczkami ciekłej wody

Efekt hydrofobowy reprezentuje tendencję wody do wykluczania cząsteczek niepolarnych. Efekt wynika z rozerwania bardzo dynamicznych wiązań wodorowych między cząsteczkami ciekłej wody. Polarne grupy chemiczne, takie jak grupa OH w metanolu , nie powodują efektu hydrofobowego. Jednak czysta cząsteczka węglowodoru, na przykład heksan , nie może przyjąć ani oddać wiązań wodorowych do wody. Wprowadzenie heksanu do wody powoduje rozerwanie sieci wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody. Wiązania wodorowe są częściowo rekonstruowane poprzez budowę „klatki” wodnej wokół cząsteczki heksanu, podobnej do tej w hydratach klatratu powstających w niższych temperaturach. Ruchliwość cząsteczek wody w „klatce” (lub powłoce solwatacyjnej ) jest silnie ograniczona. Prowadzi to do znacznych strat entropii translacyjnej i rotacyjnej cząsteczek wody i czyni proces niekorzystnym z punktu widzenia energii swobodnej układu. Pod względem termodynamiki, efekt hydrofobowy to zmiana energii swobodnej wody otaczającej substancję rozpuszczoną. Dodatnia zmiana energii swobodnej otaczającego rozpuszczalnika wskazuje na hydrofobowość, podczas gdy ujemna zmiana energii swobodnej implikuje hydrofilowość. W ten sposób efekt hydrofobowy można nie tylko zlokalizować, ale także rozłożyć na wkłady entalpiczne i entropowe.

Rodzaje skal hydrofobowości aminokwasów

Tabela porównująca cztery różne skale hydrofobowości reszty aminokwasowej w białku z najbardziej hydrofobowymi aminokwasami na górze

Opracowano szereg różnych skal hydrofobowości.

Istnieją wyraźne różnice między czterema skalami przedstawionymi w tabeli. Zarówno druga, jak i czwarta skala umieszczają cysteinę jako najbardziej hydrofobową resztę, w przeciwieństwie do pozostałych dwóch skal. Ta różnica wynika z różnych metod stosowanych do pomiaru hydrofobowości. Metoda zastosowana do uzyskania Janin i Rose et al. Wagi miały na celu zbadanie białek o znanej strukturze trójwymiarowej i zdefiniowanie hydrofobowego charakteru jako tendencji do znajdowania pozostałości wewnątrz białka, a nie na jego powierzchni. Ponieważ cysteina tworzy wiązania dwusiarczkowe, które muszą występować wewnątrz struktury kulistej, cysteina jest zaliczana do najbardziej hydrofobowych. Skala pierwsza i trzecia pochodzą z właściwości fizykochemicznych łańcuchów bocznych aminokwasów. Skale te wynikają głównie z kontroli struktur aminokwasów. Biswas i wsp. podzielili skale w oparciu o metodę zastosowaną do uzyskania skali na pięć różnych kategorii.

Metody partycjonowania

Najpopularniejszą metodą pomiaru hydrofobowości aminokwasów jest podział na dwie niemieszające się ze sobą fazy ciekłe. Do naśladowania wnętrza białka najczęściej stosuje się różne rozpuszczalniki organiczne. Jednak rozpuszczalniki organiczne słabo mieszają się z wodą, a charakterystyka obu faz zmienia się, co utrudnia uzyskanie czystej skali hydrofobowości. Nozaki i Tanford zaproponowali pierwszą dużą skalę hydrofobowości dla dziewięciu aminokwasów. Jako rozpuszczalniki organiczne zastosowano etanol i dioksan i obliczono energię swobodną przenoszenia każdego aminokwasu. Fazy ​​nieciekłe można również stosować z metodami rozdzielania, takimi jak fazy micelarne i fazy parowe. Opracowano dwie skale wykorzystujące fazy micelarne. Fendler i in. zmierzono podział 14 znakowanych radioaktywnie aminokwasów przy użyciu miceli siarczanu dodecylu sodu (SDS) . Zmierzono również powinowactwo łańcucha bocznego aminokwasu do wody, stosując fazy gazowe. Fazy ​​par reprezentują najprostsze fazy niepolarne, ponieważ nie oddziałują one z substancją rozpuszczoną. Potencjał hydratacyjny i jego korelację z pojawieniem się aminokwasów na powierzchni białek badał Wolfenden. Fazy wodne i polimerowe wykorzystano do opracowania nowej skali podziału. Metody partycjonowania mają wiele wad. Po pierwsze, trudno jest naśladować wnętrze białka. Dodatkowo rola samosolwatacji sprawia, że ​​użycie wolnych aminokwasów jest bardzo trudne. Ponadto wiązania wodorowe, które są tracone przy przejściu do rozpuszczalników organicznych, nie są przekształcane, ale często we wnętrzu białka.

Metody dostępnej powierzchni

Skale hydrofobowości można również uzyskać obliczając dostępne dla rozpuszczalnika pola powierzchni dla reszt aminokwasowych w rozszerzonym łańcuchu polipeptydowym lub w alfa-helisie i mnożąc pola powierzchni przez empiryczne parametry solwatacji dla odpowiednich typów atomów. Różnicowa skala hydrofobowości pola powierzchni dostępnego dla rozpuszczalnika oparta na białkach jako zagęszczonych sieciach w pobliżu punktu krytycznego, ze względu na samoorganizację przez ewolucję, została skonstruowana w oparciu o asymptotyczne prawo potęgowe (samopodobne). Skala ta oparta jest na bioinformatycznym badaniu 5526 struktur o wysokiej rozdzielczości z Protein Data Bank. Ta skala różnicowa ma dwie zalety komparatywne: (1) jest szczególnie przydatna do leczenia zmian w interakcjach woda-białko, które są zbyt małe, aby były dostępne dla konwencjonalnych obliczeń pola sił, oraz (2) dla struktur homologicznych może dawać korelacje z zmiany właściwości w wyniku mutacji w samych sekwencjach aminokwasowych, bez określania odpowiednich zmian strukturalnych, zarówno in vitro, jak i in vivo.

Metody chromatograficzne

Chromatografia cieczowa w układzie faz odwróconych (RPLC) jest najważniejszą metodą chromatograficzną pomiaru hydrofobowości substancji rozpuszczonej. Niepolarna faza stacjonarna naśladuje błony biologiczne. Użycie peptydów ma wiele zalet, ponieważ partycja nie jest rozszerzana przez opłaty terminalowe w RPLC. Unika się również tworzenia struktur drugorzędowych, stosując peptydy o krótkiej sekwencji. Derywatyzacja aminokwasów jest konieczna, aby ułatwić jej podział na fazę związaną z C18. Inna skala została opracowana w 1971 i wykorzystywała retencję peptydów na żelu hydrofilowym. Jako fazę ruchomą w tej skali stosowano 1-butanol i pirydynę, a jako wartość referencyjną glicynę. Pliska i jego współpracownicy wykorzystali chromatografię cienkowarstwową do powiązania wartości ruchliwości wolnych aminokwasów z ich hydrofobowością. Około dekadę temu opublikowano kolejną skalę hydrofilowości, która wykorzystywała chromatografię cieczową w normalnych fazach i wykazała retencję 121 peptydów na kolumnie amidowej-80. Na wartości bezwzględne i względne rankingi hydrofobowości określone metodami chromatograficznymi może mieć wpływ wiele parametrów. Parametry te obejmują pole powierzchni krzemionki i średnicę porów, wybór i pH buforu wodnego, temperaturę i gęstość wiązania łańcuchów fazy stacjonarnej. ip mw hydrofobowość białek

Mutageneza ukierunkowana na miejsce

Metoda ta wykorzystuje technologię rekombinacji DNA i daje rzeczywisty pomiar stabilności białka. W swoich szczegółowych badaniach mutagenezy ukierunkowanej, Utani i jego współpracownicy zastąpili 19 aminokwasów w Trp49 syntazy tryptofanu i zmierzyli energię swobodną rozwijania. Odkryli, że zwiększona stabilność jest wprost proporcjonalna do wzrostu hydrofobowości do pewnej granicy wielkości. Główną wadą metody ukierunkowanej mutagenezy jest to, że nie wszystkie 20 naturalnie występujących aminokwasów może zastąpić pojedynczą resztę w białku. Co więcej, metody te mają problemy z kosztami i są przydatne tylko do pomiaru stabilności białka.

Metody własności fizycznej

Wagi hydrofobowości Wimley-White dla całych pozostałości

Skale hydrofobowości opracowane metodami właściwości fizycznych opierają się na pomiarach różnych właściwości fizycznych. Przykłady obejmują częściową molową pojemność cieplną, temperaturę przejścia i napięcie powierzchniowe. Metody fizyczne są łatwe w użyciu i elastyczne pod względem substancji rozpuszczonej. Najpopularniejsza skala hydrofobowości została opracowana poprzez pomiar wartości napięcia powierzchniowego dla 20 naturalnie występujących aminokwasów w roztworze NaCl. Główną wadą pomiarów napięcia powierzchniowego jest to, że rozerwane wiązania wodorowe i zobojętnione naładowane grupy pozostają na granicy faz roztworu z powietrzem. Inna metoda właściwości fizycznych obejmuje pomiar energii swobodnej solwatacji. Energia swobodna solwatacji jest szacowana jako iloczyn dostępności atomu do rozpuszczalnika i parametru solwatacji atomu. Wyniki wskazują, że energia swobodna solwatacji obniża się średnio o 1 Kcal/pozostałość po złożeniu.

Wykres hydropatii dla całych pozostałości w skali oktanolowej dla podjednostki L centrum reakcji fotosyntezy Rhodobacter sphaeroides.

Ostatnie aplikacje

Palliser i Parry zbadali około 100 łusek i odkryli, że mogą je wykorzystać do lokalizowania nici B na powierzchni białek. Zastosowano również skale hydrofobowości do przewidywania zachowania kodu genetycznego. Trinquier zaobserwował nowy porządek zasad, który lepiej odzwierciedla konserwatywny charakter kodu genetycznego. Uważali, że nowe uporządkowanie zasad to uracyl-guanina-cystozyna-adenina (UGCA) lepiej odzwierciedla konserwatywny charakter kodu genetycznego w porównaniu z powszechnie obserwowanym uporządkowaniem UCAG.

Skale hydrofobowości Wimleya-White całej pozostałości

Skale hydrofobowości całej reszty Wimleya-White'a są istotne z dwóch powodów. Po pierwsze, obejmują one wkład wiązań peptydowych oraz łańcuchów bocznych, dostarczając wartości bezwzględnych. Po drugie, opierają się na bezpośrednich, eksperymentalnie określonych wartościach transferu energii swobodnej polipeptydów.

Zmierzono dwie skale hydrofobowości całych pozostałości:

• Jeden do przenoszenia rozłożonych łańcuchów z wody do dwuwarstwowej granicy faz (określanej jako skala hydrofobowości międzyfazowej Wimleya-White'a).
• Jeden do przenoszenia niesfałdowanych łańcuchów do oktanolu, który jest istotny dla rdzenia węglowodorowego dwuwarstwy.

Witryna Stephena H. White'a zawiera przykład skali hydrofobowości całej pozostałości, pokazujący energię swobodną transferu ΔG(kcal/mol) z wody do granicy faz POPC i n-oktanolu. Te dwie skale są następnie używane razem do tworzenia wykresów hydropatii całej pozostałości. Wykres hydropatii skonstruowany przy użyciu ΔGwoct − ΔGwif pokazuje korzystne piki w skali bezwzględnej, które odpowiadają znanym helisom TM. Zatem wykresy hydropatii całej pozostałości ilustrują, dlaczego segmenty przezbłonowe preferują lokalizację przezbłonową, a nie powierzchniową.

Wagi oparte na strukturze białka Bandyopadhyay-Mehlera

Większość istniejących skal hydrofobowości wywodzi się z właściwości aminokwasów w ich wolnych formach lub jako część krótkiego peptydu. Skala hydrofobowości Bandyopadhyaya-Mehlera została oparta na podziale aminokwasów w kontekście struktury białka. Struktura białka to złożona mozaika różnych nośników dielektrycznych generowanych przez ułożenie różnych aminokwasów. W związku z tym różne części struktury białka najprawdopodobniej zachowywałyby się jak rozpuszczalniki o różnych wartościach dielektrycznych. Dla uproszczenia, każda struktura białka została uznana za niemieszalną mieszaninę dwóch rozpuszczalników, wnętrza białka i powierzchni białka. Lokalne środowisko wokół poszczególnych aminokwasów (określane jako „mikrośrodowisko”) obliczono zarówno dla wnętrza białka, jak i dla jego powierzchni zewnętrznej. Stosunek daje względną skalę hydrofobowości dla poszczególnych aminokwasów. Obliczenia szkolono na strukturach krystalicznych białek o wysokiej rozdzielczości. Ten ilościowy deskryptor mikrośrodowiska został wyprowadzony ze współczynnika podziału oktanol-woda (znanego jako stałe fragmentaryczne Rekkera) szeroko stosowanego w farmakoforach. Skala ta dobrze koreluje z istniejącymi metodami opartymi na obliczeniach podziału i energii swobodnej. Zaletą tej skali jest to, że jest ona bardziej realistyczna, tak jak w kontekście rzeczywistych struktur białkowych.

Skala oparta na kącie zwilżania nanokropelki wody

Kąty zwilżania nanokropelki wody na sztucznych arkuszach beta z różnymi łańcuchami bocznymi aminokwasów

System symulacji MD i struktura sztucznej beta-fałdowanej sieci peptydowej 2D złożonej z ujednoliconych łańcuchów bocznych R.

W dziedzinie inżynierii hydrofobowość (lub zdolność zwilżania ) płaskiej powierzchni (np. blatu kuchennego lub naczynia do gotowania) można mierzyć za pomocą kąta zwilżania kropli wody. Zespół z University of Nebraska-Lincoln opracował niedawno podejście obliczeniowe, które może powiązać skalę hydrofobowości molekularnej łańcuchów aminokwasowych z kątem zwilżania nanokropelki wody. Zespół skonstruował planarne sieci złożone z ujednoliconych łańcuchów bocznych aminokwasów o natywnej strukturze białka arkusza beta. Korzystając z symulacji dynamiki molekularnej, zespół jest w stanie zmierzyć kąt zwilżania nanokropelki wody w sieciach planarnych (caHydrofobowość).

Z drugiej strony, wcześniejsze badania pokazują, że minimum nadmiaru potencjału chemicznego substancji rozpuszczonej w twardej kuli w stosunku do masy wykazuje liniową zależność od wartości cosinusa kąta zwilżania. Na podstawie obliczonego nadmiaru potencjałów chemicznych czysto odpychającej substancji rozpuszczonej Tygodnia-Chandlera-Andersena o wielkości metanu w stosunku do tej w masie, obliczane są ekstrapolowane wartości wartości cosinus kąta zwilżania (ccHydrofobowość), które można wykorzystać do określenia ilościowego hydrofobowość łańcuchów bocznych aminokwasów z pełnym zachowaniem zwilżającym.

Zobacz też

• Niedopasowanie hydrofobowe

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• ProtScale (internetowe narzędzie do obliczania wykresów hydropatii)
• NetSurfP — predyktor dostępności struktury drugorzędowej i powierzchni
• Skala hydrofobowości całej pozostałości
• Eksplorator białek błonowych