Шкалы гидрофобности — это значения, которые определяют относительную гидрофобность или гидрофильность аминокислотных остатков. Чем положительнее значение, тем более гидрофобны аминокислоты, расположенные в этой области белка. Эти шкалы обычно используются для прогнозирования трансмембранных альфа-спиралей мембранных белков . При последовательном измерении аминокислот белка изменения в значении указывают на притяжение определенных областей белка к гидрофобной области внутри липидного бислоя .
Гидрофобный или гидрофильный характер соединения или аминокислоты — это его гидропатический характер, [1] гидропатичность или гидропатия.
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 чистая углеводородная молекула, например гексан , не может принимать или отдавать водородные связи воде. Введение гексана в воду вызывает разрыв сети водородных связей между молекулами воды. Водородные связи частично восстанавливаются путем построения водной «клетки» вокруг молекулы гексана, подобной той, что образуется в клатратных гидратах 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 неблагоприятным с точки зрения свободной энергии системы. [2] [3] [4] [5] С точки зрения термодинамики гидрофобный эффект представляет собой изменение свободной энергии воды, окружающей растворенное вещество. [6] Положительное изменение свободной энергии окружающего растворителя указывает на гидрофобность, тогда как отрицательное изменение свободной энергии подразумевает гидрофильность. Таким образом, гидрофобный эффект может быть не только локализован, но и разложен на энтальпийные и энтропийные вклады.
Разработано несколько различных шкал гидрофобности. [3] [1] [7] [8] [9] На сайте Expasy Protscale перечислено в общей сложности 22 шкалы гидрофобности. [10]
Между четырьмя шкалами, показанными в таблице, имеются четкие различия. [11] И вторая, и четвертая шкалы помещают цистеин как наиболее гидрофобный остаток, в отличие от двух других шкал. Это различие обусловлено различными методами, используемыми для измерения гидрофобности. Метод, используемый для получения шкал Джанина и Роуза и др., заключался в исследовании белков с известными трехмерными структурами и определении гидрофобного характера как тенденции к нахождению остатка внутри белка, а не на его поверхности. [12] [13] Поскольку цистеин образует дисульфидные связи, которые должны находиться внутри глобулярной структуры, цистеин оценивается как наиболее гидрофобный. Первая и третья шкалы выведены из физико-химических свойств боковых цепей аминокислот. Эти шкалы в основном являются результатом изучения структур аминокислот. [14] [1] Бисвас и др. разделили шкалы на основе метода, используемого для получения шкалы, на пять различных категорий. [3]
Наиболее распространенным методом измерения гидрофобности аминокислот является распределение между двумя несмешивающимися жидкими фазами. Для имитации внутренней части белка наиболее широко используются различные органические растворители. Однако органические растворители слабо смешиваются с водой, и характеристики обеих фаз изменяются, что затрудняет получение чистой шкалы гидрофобности. [3] Нозаки и Танфорд предложили первую основную шкалу гидрофобности для девяти аминокислот. [15] В качестве органических растворителей используются этанол и диоксан, и была рассчитана свободная энергия переноса каждой аминокислоты. Нежидкие фазы также можно использовать с методами распределения, такими как мицеллярные фазы и паровые фазы. Были разработаны две шкалы с использованием мицеллярных фаз. [16] [17] Фендлер и др. измерили распределение 14 радиоактивно меченых аминокислот с использованием мицелл додецилсульфата натрия (SDS) . Кроме того, сродство боковой цепи аминокислот к воде измерялось с использованием паровых фаз. [14] Паровые фазы представляют собой простейшие неполярные фазы, поскольку они не взаимодействуют с растворенным веществом. [18] Потенциал гидратации и его корреляция с появлением аминокислот на поверхности белков были изучены Вольфенденом. Водные и полимерные фазы использовались при разработке новой шкалы разделения. [19] Методы разделения имеют много недостатков. Во-первых, трудно имитировать внутреннюю часть белка. [20] [21] Кроме того, роль самосольватации делает использование свободных аминокислот очень сложным. Более того, водородные связи, которые теряются при переносе в органические растворители, не восстанавливаются, но часто находятся внутри белка. [22]
Шкалы гидрофобности также можно получить, вычислив площади поверхности, доступные растворителю, для аминокислотных остатков в расширенной полипептидной цепи [22] или в альфа-спирали и умножив площади поверхности на эмпирические параметры сольватации для соответствующих типов атомов. [3] Дифференциальная шкала гидрофобности площади поверхности, доступной растворителю, основанная на белках как уплотненных сетях вблизи критической точки, из-за самоорганизации путем эволюции, была построена на основе асимптотического степенного (самоподобного) поведения. [23] [24] Эта шкала основана на биоинформатическом обзоре 5526 структур высокого разрешения из Protein Data Bank. 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 изменениями свойств только из-за мутаций в аминокислотных последовательностях, без определения соответствующих структурных изменений, как in vitro, так и in vivo.
Обращенно-фазовая жидкостная хроматография (RPLC) является наиболее важным хроматографическим методом для измерения гидрофобности растворенного вещества. [3] [25] Неполярная неподвижная фаза имитирует биологические мембраны. Использование пептидов имеет много преимуществ, поскольку разделение не расширяется концевыми зарядами в RPLC. Кроме того, образование вторичных структур предотвращается за счет использования коротких последовательностей пептидов. Дериватизация аминокислот необходима для облегчения их разделения в фазу, связанную с C18. Другая шкала была разработана в 1971 году и использовала удерживание пептидов на гидрофильном геле. [26] В качестве подвижной фазы в этой конкретной шкале использовались 1-бутанол и пиридин, а в качестве эталонного значения использовался глицин. Плиска и его коллеги [27] использовали тонкослойную хроматографию для связи значений подвижности свободных аминокислот с их гидрофобностью. Около десяти лет назад была опубликована другая шкала гидрофильности, эта шкала использовала нормально-фазовую жидкостную хроматографию и показала удерживание 121 пептида на колонке с амидом-80. [28] Абсолютные значения и относительные рейтинги гидрофобности, определяемые хроматографическими методами, могут зависеть от ряда параметров. Эти параметры включают площадь поверхности и диаметр пор кремнезема, выбор и pH водного буфера, температуру и плотность связи цепей неподвижной фазы. [3]
Этот метод использует технологию рекомбинантной ДНК и дает фактическое измерение стабильности белка. В своих подробных исследованиях направленного мутагенеза Утани и его коллеги заменили 19 аминокислот на Trp49 триптофансинтазы, и он измерил свободную энергию разворачивания. Они обнаружили, что повышенная стабильность прямо пропорциональна увеличению гидрофобности до определенного предела размера. Главным недостатком метода направленного мутагенеза является то, что не все 20 встречающихся в природе аминокислот могут заменить один остаток в белке. Более того, эти методы имеют проблемы со стоимостью и полезны только для измерения стабильности белка. [3] [29]
Шкалы гидрофобности, разработанные методами физических свойств , основаны на измерении различных физических свойств. Примерами являются парциальная молярная теплоемкость, температура перехода и поверхностное натяжение. Физические методы просты в использовании и гибки с точки зрения растворенного вещества. Самая популярная шкала гидрофобности была разработана путем измерения значений поверхностного натяжения для встречающихся в природе 20 аминокислот в растворе NaCl. [30] Основным недостатком измерений поверхностного натяжения является то, что разорванные водородные связи и нейтрализованные заряженные группы остаются на границе раздела раствор-воздух. [3] [1] Другой метод физических свойств включает измерение свободной энергии сольватации. [31] 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 складывании. [3]
Паллисер и Парри изучили около 100 шкал и обнаружили, что их можно использовать для определения местоположения B-цепей на поверхности белков. [32] Шкалы гидрофобности также использовались для прогнозирования сохранности генетического кода. [33] Тринкье наблюдал новый порядок оснований, который лучше отражает консервативный характер генетического кода. [3] Они считали, что новый порядок оснований урацил-гуанин-цистозин-аденин (UGCA) лучше отражает консервативный характер генетического кода по сравнению с обычно наблюдаемым порядком UCAG. [3]
Шкалы гидрофобности целых остатков Уимли–Уайта имеют значение по двум причинам. Во-первых, они включают вклады пептидных связей, а также боковых цепей, предоставляя абсолютные значения. Во-вторых, они основаны на прямых, экспериментально определенных значениях для свободных энергий переноса полипептидов.
Были измерены две шкалы гидрофобности всего остатка:
На сайте Стивена Х. Уайта [34] представлен пример шкал гидрофобности целых остатков, показывающий свободную энергию переноса ΔG (ккал/моль) из воды в интерфейс POPC и в н-октанол. [34] Затем эти две шкалы используются вместе для построения графиков гидропатии целых остатков. [34] График гидропатии, построенный с использованием ΔG woct − ΔG wif, показывает благоприятные пики на абсолютной шкале, которые соответствуют известным спиралям TM. Таким образом, графики гидропатии целых остатков иллюстрируют, почему трансмембранные сегменты предпочитают трансмембранное расположение, а не поверхностное. [35] [36] [37] [38]
Большинство существующих шкал гидрофобности выведены из свойств аминокислот в их свободных формах или как части короткого пептида. Шкала гидрофобности Бандйопадхайя-Мелера была основана на разделении аминокислот в контексте структуры белка. Структура белка представляет собой сложную мозаику различных диэлектрических сред, образованных расположением различных аминокислот. Следовательно, различные части структуры белка, скорее всего, будут вести себя как растворители с различными диэлектрическими значениями. Для простоты каждая структура белка рассматривалась как несмешивающаяся смесь двух растворителей, внутренней и внешней части белка. Локальная среда вокруг отдельной аминокислоты (называемая «микросредой») была вычислена как для внутренней, так и для внешней части белка. Соотношение дает относительную шкалу гидрофобности для отдельных аминокислот. Вычисление было обучено на кристаллических структурах белка с высоким разрешением. Этот количественный дескриптор для микросреды был выведен из коэффициента распределения октанол-вода (известного как фрагментарные константы Реккера), широко используемого для фармакофоров. Эта шкала хорошо коррелирует с существующими методами, основанными на разбиении и вычислениях свободной энергии. Преимущество этой шкалы в том, что она более реалистична, так как находится в контексте реальных структур белка. [9]
В области инженерии гидрофобность (или способность к смачиванию ) плоской поверхности (например, столешницы на кухне или кастрюли) можно измерить с помощью угла контакта капли воды. Команда Университета Небраски-Линкольна недавно разработала вычислительный подход, который может связать молекулярную шкалу гидрофобности аминокислотных цепей с углом контакта нанокапель воды. [39] Команда построила плоские сети, состоящие из объединенных аминокислотных боковых цепей с нативной структурой белка бета-листа. Используя моделирование молекулярной динамики, команда может измерить угол контакта нанокапель воды на плоских сетях (caHydrophobicity).
С другой стороны, предыдущие исследования показывают, что минимум избыточного химического потенциала твердосферического растворенного вещества по отношению к объему демонстрирует линейную зависимость от значения косинуса угла контакта. [40] На основе вычисленных избыточных химических потенциалов чисто отталкивающего растворенного вещества Уикса-Чандлера-Андерсена размером с метан по отношению к объему, вычисляются экстраполированные значения значения косинуса угла контакта (ccHydrophobicity), которые можно использовать для количественной оценки гидрофобности боковых цепей аминокислот с полным смачиванием.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )