Занятие 9. Исследование белок-нуклеиновых контактов

 		 
     

Исследование контактов между белком и нуклеиновой кислотой

  1. Заданный PDB 1VAS

  2. Исследование контактов между молекулами белка и нуклеиновой кислоты

    3. Скрипт наглядно показывающий таблицу.

    Таблица. Контакты разного типа в комплексе ...

      Полярные Гидрофобные Всего
    Контакты белка с ...      
    ... остатками 2'-дезоксирибозы 2 18 20
    ... остатками фосфорной кислоты 8 0 8
    ... остатками азотистых оснований со стороны большой бороздки 1 5 6
    ... остатками азотистых оснований со стороны малой бороздки 3 5 8

    Как можно увидеть из таблицы наибольшее количество связей образуется с остатками фосфорной кислоты ((РО3)2-), что объяснятся пространственным расположением остатков фосфорной кислоты. Он лежит во внешнем пространстве относительно оси цепи, тем самым полярные взаимодействия ослабляются существенно лишь углеродными атомами дезоксирибозы. Рассматривать гидрофобные взаимодействия для остатков фосфорной кислоты не логично.
    Достаточно много гидрофобных связей образуют атомы углерода дезоксирибозы, что имеет такое же обоснование, что и для остатков фосфорной кислоты.
    Гидрофильные связи атома кислорода, входящего в гетероцикл дезоксирибозы можно скорее отнести к случайному эффекту, т.к. полярный эффект дезоксирибозы не существенен. Кислород связан с четырьмя донорами электронов - углеродами из-за чего и уменьшается его способность образовывать связь с водородом
    Полярные связи большой бороздки носят вообще хаотичный характер, т.к. основание, которое образует их с двумя аминокислотами (глицином и тирозином) с "съехало" со своего законного положения, что дало возможность ему образовать водородные связи. Гидрофобные связи образованны из-за той же "съехавшей" аминокислоты.
    Полярные связи большой бороздки наиболее интересные с точки зрения взаимодействия между белком и ДНК, они носят локальный характер и далее будут рассмотрены. Что же касается гидрофобных взаимодействий, они пространственно затруднены.
    На рисунке представлена "съехавшее" основание.

  3. Поиск специфических контактов, обеспечивающих узнавание сайта в молекуле ДНК.

    4. Был найден участок 206-209B ДНК, который взаимодействует с полярными аминокислотами белка. Данный участок также интересен тем, что обладает точечной мутацией - тиминовые димиры(207-208B).

    Четыре аминокислоты непосредственно взаимодействуют с данным участком. На рисунке представленном ниже НК в проволочной модели, аминокислоты в шарнирной модели, атомы аминокислот находятся в пределах 3.5 ангстрем от ДНК.

    На рисунке ниже представлен участок содержащий только тиминовый димер(пиримидиновый димер) и аминокислоты, взаимодействующие с ним. Как видно из рисунка эти аминокислоты - глутамин, аргинин, треонин.

    Если разобрать этот комплекс по частям, то получатся:
    a) взаимодействие -NH2 группы треонина(-NH2 группа, входящая в главную цепь аминокислоты) и 0= группой тимина

    б) взаимодействие -CONH2 группы глутамина с 0= группой тимина

    в) взаимодействие -NH2 группы радикала аргинина(-NH2 группа, входящая в боковую цепь аминокислоты) с 0= группой тимина

    Если рассмотреть плотность аминокислот в области фосфодиэфирных участков, связывающих данный димер со всей цепью, можно обнаружить высокую концетрацию полярных аминокислот. См. риунок ниже:

    Возможность образования связи между атомами водорода NH2 группы аргинина и лизина с атомами кислорода, входящих в сахаро-фосфатный остов достаточно вероятна. Иэ этого предположения вытекает, что данный комплекс ДНК-белок - это механизм репарации точечной мутации, в которой белок играет роль нуклеазы. Что находит свое подтверждение в названии структуры:
    TITLE ATOMIC MODEL OF A PYRIMIDINE DIMER SPECIFIC EXCISION REPAIR


  4. Описание функций исследованного белка


    5. Описание белка в UniProt: Мономер из бактериофага Т4, фермент - гликозилаза(фермент, вырезающий пиримидиновые димиры из ДНК). Каталитичекая активность - расщепление фосфодиэфирных связей соединяющие нуклеозиды с остовом (расщепляется связь между фосфором и 5' атомом углерода). Очень чувствителен к УФ лучам.
    Описание белка из Pfam :Имеет два типа каталитеских активностей: одна из них описанна выше, другая - apurinic-apyrimidinic эндонуклеаза.
    END5_BPT4/1-138            MTRINLTLVSELADQHLMAEYRELPRVFGAVRKHVANGKRVRDFK.ISPTFILGAGHVTFFYDKLEFLRKRQIELIAECL
Q38384_BPR70/1-137         MTRINLTLVSELADQHLIAEYRELPRVFGIVRKHVANGKRVKDFK.ISSEFILGSGHVTFFYDKLEFLRKRQLDIITECL
Q9W8R1_9PHYC/1-139         MTRVNLVPVQELADQHLMAEFRELKMIPKALARSLRTQTSEKILKKIPSKFTLNTGHVLFFYDKGKYLQQRYDEIVVELV

END5_BPT4/1-138            KRGFNIKDTTVQDISDIPQ.EFRGDYIPHEASIAISQARLDEKIAQRPTWYKYYGKAIYA
Q38384_BPR70/1-137         N.AVSIKDTEVPDISDIPI.EWKNDYNPCKSAIKLSQQRLDEKILMKPHWYKYYGKNIFT
Q9W8R1_9PHYC/1-139         DRGYKINVDAKLDPDNVMTGEWYNDYTPTEDAFNIIRARIAEKIAMKPSFYRFT.KAKTS
    Как видно рассмотренные а.о. оказались консервативными, это лишний раз подтверждает их важность.

  5. Построение схемы контактов белка с ДНК

    6. Программа nucplot.
    Программа нукплот визуализирует контакты между белком и ДНК, в процессе выполнения программы возникли трудности, связанные с тем, что в файле 1vas.pdb, молекулы оснований не были размечены, но в тоже время вместо привычных оснований молекулы нуклеозидов: dG, dT, dA, dC. Решение данной проблемы заключалось в замене нуклеозидов соответствующими основаниями.
    Как видно из представленного ниже рисунка молекулы оснований G и С имеют наибольшее количество связей с аминокислотами, это следовало ожидать из-за того, что молекула гуанина обладает различными функциональными группами, а также пуриновым кольцом, которые способствуют образованию водородных связей. Основания А - Т образовывают небольшое кол-во связей с аминокислотами, как видно из рисунка только одна молекула аденина образовывает связи с аминокислотами и то незначительное кол-во. Молекула 221А образует большое кол-во связей, но это потому что это описанное выше "съехавшее" основание.
    Большинство аминокислот таких, как ARG,GlN,ASP и т.д. обладают данным полярным "хвостом", что обеспечивает им возможность образовывать связи не только с сахаро-фосфатной группировкой, но и с азотистыми основаниями.
    Помимо аминокислот молекулы воды образуют связи с парами оснований G и С, что говорит о высокой полярности этих оснований и способности образовывать связи.
    Если рассмотреть топологию оснований относительно ДНК, то можно обнаружить, что 204 - 207 основание расположены в большой бороздке, что говорит о том, что основные взаимодействия между ДНК и белком скорее всего приходятся на эти бороздки, что объясняется наименьшим пространственным затруднием для белка.