Доступная площадь поверхности

Иллюстрация поверхности, доступной для растворителя, в сравнении с поверхностью Ван-дер-Ваальса . Поверхность Ван-дер-Ваальса, заданная атомными радиусами, показана красным. Доступная поверхность нарисована пунктирными линиями и создается путем отслеживания центра сферы-зонда (синего цвета), когда она катится по поверхности Ван-дер-Ваальса. Обратите внимание, что радиус зонда, изображенный здесь, имеет меньший масштаб, чем типичный 1,4 Å.

Доступная площадь поверхности (ASA) или площадь поверхности, доступная для растворителя (SASA) — это площадь поверхности биомолекулы , доступная для растворителя . Измерение ASA обычно описывается в квадратных ангстремах ( стандартная единица измерения в молекулярной биологии ). ASA была впервые описана Ли и Ричардсом в 1971 году, и ее иногда называют молекулярной поверхностью Ли-Ричардса . ^[1] ASA обычно рассчитывается с использованием алгоритма «катящегося шара», разработанного Шрейком и Рупли в 1973 году. ^[2] Этот алгоритм использует сферу (растворителя) определенного радиуса для «зонда» поверхности молекулы .

Методы расчета ASA

Алгоритм Шрейка – Рупли

Алгоритм Шрейка-Рупли представляет собой численный метод, который рисует сетку точек, равноудаленных от каждого атома молекулы, и использует количество этих точек, доступных растворителю, для определения площади поверхности. ^[2] Точки нарисованы на предполагаемом радиусе молекулы воды, выходящем за пределы радиуса Ван-дер-Ваальса , что по сути аналогично «катанию шара» по поверхности. Все точки сверяются с поверхностью соседних атомов, чтобы определить, скрыты ли они или доступны. Для расчета ASA количество доступных точек умножается на часть площади поверхности, которую представляет каждая точка. Выбор «радиуса зонда» действительно влияет на наблюдаемую площадь поверхности, поскольку использование меньшего радиуса зонда позволяет обнаружить больше деталей поверхности и, следовательно, сообщить о большей поверхности. Типичное значение составляет 1,4 Å, что соответствует радиусу молекулы воды. Еще одним фактором, влияющим на результаты, является определение ВДВ-радиусов атомов исследуемой молекулы. Например, в молекуле часто могут отсутствовать атомы водорода, которые неявно присутствуют в структуре. Атомы водорода могут быть неявно включены в атомные радиусы «тяжелых» атомов с помощью меры, называемой «групповыми радиусами». Кроме того, количество точек, созданных на поверхности Ван-дер-Ваальса каждого атома, определяет еще один аспект дискретизации : большее количество точек обеспечивает повышенный уровень детализации.

метод LCPO

Метод LCPO использует линейную аппроксимацию задачи двух тел для более быстрого аналитического расчета ASA. ^[3] Приближения, используемые в LCPO, дают погрешность в диапазоне 1–3 Ų.

Метод диаграммы мощности

Недавно ^{[ когда? ]} был представлен метод, позволяющий быстро и аналитически рассчитывать ASA с использованием диаграммы мощности . ^[4]

Приложения

Доступная площадь поверхности часто используется при расчете переноса свободной энергии , необходимой для перемещения биомолекулы из водного растворителя в неполярный растворитель, например, в липидную среду. Метод LCPO также используется при расчете неявных эффектов растворителя в пакете программ молекулярной динамики AMBER .

Это недавно ^{[ когда? ]} предположил, что (предсказанная) доступная площадь поверхности может быть использована для улучшения предсказания вторичной структуры белка . ^{[5] [6]}

Отношение к поверхности без растворителя

ASA тесно связана с концепцией поверхности, исключенной из растворителя (также известной как площадь молекулярной поверхности Коннолли или просто поверхность Коннолли), которая представляет собой полость в объемном растворителе. На практике он также рассчитывается с помощью алгоритма катящегося шара, разработанного Фредериком Ричардсом ^[7] и реализованного в трехмерном виде Майклом Коннолли в 1983 году ^[8] и Тимом Ричмондом в 1984 году. ^[9] Коннолли потратил еще несколько лет на совершенствование этого метода. ^[10]

Смотрите также

• Неявная сольватация
• Поверхность Ван-дер-Ваальса
• Инструмент VADAR для анализа пептидных и белковых структур
• Относительная доступная площадь поверхности

Примечания

1. Ли, Б; Ричардс, FM. (1971). «Интерпретация белковых структур: оценка статической доступности». Дж Мол Биол . 55 (3): 379–400. дои : 10.1016/0022-2836(71)90324-X. ПМИД  5551392.
2. Шрейк, А; Рупли, Дж.А. (1973). «Окружающая среда и воздействие растворителя атомов белка. Лизоцим и инсулин». Дж Мол Биол . 79 (2): 351–71. дои : 10.1016/0022-2836(73)90011-9. ПМИД  4760134.
3. Вайзер Дж., Шенкин П.С., Still WC (1999). «Приближенные атомные поверхности из линейных комбинаций попарных перекрытий (LCPO)». Журнал вычислительной химии . 20 (2): 217–230. doi :10.1002/(SICI)1096-987X(19990130)20:2<217::AID-JCC4>3.0.CO;2-A.
4. Кленин К., Тристрам Ф., Странк Т., Венцель В. (2011). «Производные площади поверхности и объема молекул: простые и точные аналитические формулы». Журнал вычислительной химии . 32 (12): 2647–2653. дои : 10.1002/jcc.21844. PMID  21656788. S2CID  27143042.
5. Момен-Рокнабади, А; Садеги, М; Пезешк, Х; Мараши, SA (2008). «Влияние доступной площади поверхности остатков на прогнозирование вторичных структур белка». БМК Биоинформатика . 9 : 357. дои : 10.1186/1471-2105-9-357 . ПМЦ 2553345 . ПМИД  18759992. 
6. Адамчак, Р; Поролло, А; Меллер, Дж. (2005). «Сочетание предсказания вторичной структуры и доступности растворителей в белках». Белки . 59 (3): 467–75. дои : 10.1002/prot.20441. PMID  15768403. S2CID  13267624.
7. Ричардс, FM. (1977). «Площади, объемы, упаковка и структура белка». Анну Рев Биофиз Биоэнг . 6 : 151–176. дои : 10.1146/annurev.bb.06.060177.001055. ПМИД  326146.
8. Коннолли, ML (1983). «Аналитический расчет молекулярной поверхности». J Appl Crystallogr . 16 (5): 548–558. дои : 10.1107/S0021889883010985.
9. Ричмонд, TJ (1984). «Доступная для растворителя площадь поверхности и исключенный объем в белках. Аналитические уравнения для перекрывающихся сфер и последствия гидрофобного эффекта». Дж Мол Биол . 178 (1): 63–89. дои : 10.1016/0022-2836(84)90231-6. ПМИД  6548264.
10. Коннолли, ML (1993). «Пакет молекулярной поверхности». Джей Мол Графика . 11 (2): 139–141. дои : 10.1016/0263-7855(93)87010-3. ПМИД  8347567.

Рекомендации

• Коннолли, ML (1983). «Доступные к растворителям поверхности белков и нуклеиновых кислот». Наука . 221 (4612): 709–713. Бибкод : 1983Sci...221..709C. дои : 10.1126/science.6879170. ПМИД  6879170.
• Ричмонд, Тимоти Дж. (1984). «Доступная для растворителя площадь поверхности и исключенный объем в белках». Дж. Мол. Биол . 178 (1): 63–89. дои : 10.1016/0022-2836(84)90231-6. ПМИД  6548264.
• Коннолли, Майкл Л. (1985). «Расчет молекулярного объема». Варенье. хим. Соц . 107 (5): 118–1124. дои : 10.1021/ja00291a006.
• Коннолли, ML (1991). «Молекулярный интерстициальный скелет». Компьютеры и химия . 15 (1): 37–45. дои : 10.1016/0097-8485(91)80022-E .
• Саннер, МФ (1992). Моделирование и применение молекулярных поверхностей (кандидатская диссертация).
• Коннолли, ML (1992). «Форма распределения топографии белка». Биополимеры . 32 (9): 1215–1236. дои : 10.1002/bip.360320911. PMID  1420989. S2CID  23512517.
• Блейни, Дж. М. (1994). «Дистанционная геометрия в молекулярном моделировании». Обзоры по вычислительной химии . Ред. Компьютер. хим. Том. 5. С. 299–335. дои : 10.1002/9780470125823.ch6. ISBN 9780470125823.
• Грант, Дж.А.; Пикап, БТ (1995). «Гауссово описание формы молекулы». Дж. Физ. Хим . 99 (11): 3503–3510. дои : 10.1021/j100011a016.
• Буассонна, Жан-Даниэль; Девиллерс, Оливье; Дюкен, Жаклин; Ивинец, Мариетта (1994). «Вычисление поверхностей Коннолли». Журнал молекулярной графики . 12 (1): 61–62. дои : 10.1016/0263-7855(94)80033-2. ISSN  1093-3263.
• Петижан, М (1994). «Об аналитическом расчете поверхностей и объемов Ван-дер-Ваальса: некоторые численные аспекты». Дж. Компьютер. Хим . 15 (5): 507–523. дои : 10.1002/jcc.540150504. S2CID  24101766.
• Коннолли, ML (1996). «Молекулярные поверхности: обзор». Сетевая наука . Архивировано из оригинала 15 марта 2013 г.
• Лин, С.Л. (1994). «Представления молекулярной поверхности с помощью редких критических точек». Белки . 18 (1): 94–101. дои : 10.1002/прот.340180111. PMID  8146125. S2CID  38132786.
• Герштейн, М; Ричардс, Ф.С. (2001). «Геометрия белка: объемы, площади и расстояния». CiteSeerX  10.1.1.134.2539 .
• Восс, НР (2006). «Геометрия выходного туннеля рибосомального полипептида». Дж. Мол. Биол . 360 (4): 893–906. CiteSeerX  10.1.1.144.6548 . дои : 10.1016/j.jmb.2006.05.023. ПМИД  16784753.
• Лич, А. (2001). Молекулярное моделирование: принципы и приложения (2-е изд.). Прентис Холл. п. 7. ISBN 9780582382107.
• Буса, Ян; Дзурина, Юзеф; Айрян, Эдик (2005). «ARVO: пакет фортрана для расчета площади поверхности, доступной растворителю, и исключенного объема перекрывающихся сфер с помощью аналитических уравнений». Вычислить. Физ. Коммун . 165 (1): 59–96. Бибкод : 2005CoPhC.165...59B. дои : 10.1016/j.cpc.2004.08.002.

Внешние ссылки

• Сетевая наука, часть 5: Поверхности, доступные для растворителей
• AREAIMOL — это инструмент командной строки в программном пакете CCP4 для расчета ASA.
• Расчеты площади, доступной для растворителей, по NACCESS.
• FreeSASA Инструмент командной строки с открытым исходным кодом, библиотека C и модуль Python для расчета ASA.
• Surface Racer Программа Surface Racer Олега Цодикова. Доступ к растворителю, расчет площади молекулярной поверхности и средней кривизны. Бесплатно для академического использования.
• ASA.py — реализация алгоритма Шрейка-Рупли на основе Python .
• Molecular Surface Мишеля Саннера – самая быстрая программа для расчета исключенной поверхности.
• pov4grasp визуализирует молекулярные поверхности.
• Molecular Surface Package — программа Майкла Коннолли.
• Volume Voxelator — веб-инструмент для создания исключенных поверхностей.
• Бесплатная программа ASV Аналитический расчет объема и поверхности объединения n сфер (также предусмотрен расчет Монте-Карло).
• Ворлум вычисляет площадь поверхности и объем семейства трехмерных шаров.
• GetArea Рассчитайте доступную для растворителя площадь поверхности белков онлайн.