Топология и архитектура

Белки имеют одинаковую топологию если

основные элементы вторичной структуры расположены в последовательности в одном и том же порядке и взаимное расположение этих элементов в пространстве сходно.

Топология это описание последовательности элементов вторичной структуры и их взаимного расположения в пространстве

Термины “укладка” (folding) и “топология” (topology) обычно трактуются как синонимы

Слово “основные” в определении одинаковой топологии существенно, хотя и

может трактоваться по разному …

Каталаза (C-концевой домен)

Флаводоксин

Пример одинаковой топологии

Вторичная структураC-концевого доменаКаталазы 1CFG

Вторичная структура флаводоксина 1AG9

S4 H2 S5 - S1 S2 S3 H2 S2 H1 S1 - H1 –| | | | | | | | |S4 H2 S5 h1 - - S3 H2 S2 H1 S1 S1’ H1 h1

Выравнивание элементов вторичной структуры

Архитектура это описание взаимного расположения в пространстве элементов вторичной структуры без учета их последовательности в полипептидной цепи

Т.о., белки с одинаковой топологией (укладкой) имеют одинаковую архитектуру, по определению.

Обратное не верно!

ПримерыАрхитектура – пучек 4х параллельных спиралей

Диаграмма TOPS

Топология пучка параллельных спиралей б.м. адекватно может быть отражена диаграммой TOPS

Диаграмма TOPS

Два бета-листа (см.ниже) имеют одинаковую архитектуру, но

разную топологию

• К сожалению, на сегодня отсутствуют адекватные универсальные способы описания топологии … Поэтому остается большой произвол в трактовке того, какие топологии встречаются в белках, сколько разных топологий и т.п.

В отличие от сравнительной однозначности в трактовке элементов вторичной структуры разными авторами и программами!

Примеры описания топологии. TOPS

На самом деле, у этих белков сходная топология

Примеры укладок, архитектур

Протимозин альфа

Не имеет постоянной структуры!

Гомологичные участки последовательности => одинаково расположенные участки полипептидной цепи

• Обратное не верно!

Эмпирический принцип

Уместно повторить:

Как соотносится принцип с примером???

Белки, не имеющие постоянной формы (Intrinsically unstructured proteins)

Peter Tompa and Peter Csermely

FASEB J 18: 1169-75 (2004)

(См. также презентацию на kodomo)

Примеры, частые в глобулярных белках• Бета-сэндвич (sandwich)

• Бета-баррель (barrel)

• Рулет (jelly roll) – по существу, сэндвич, содержащий мотив “рулет”

• Бета-спираль (beta-helix)

• 3х (4х) спиральный узел (3helical bundle)

• Пучек спиралей (parrallel helical bundles)

• Спирализованная спираль

• Альфа-бета цилиндр (TIM barrel)

• Укладка Россмана (Rossman fold)

Бета-сэндвичиядро образовано двумя примерно

параллельными бета листами

Параллельный Ортогональный

Характерный мотив – интерлок; часто также греческий ключ.

Бета-баррель

Мальтопорин.Порины - трансмембранные белкивнешней мембраны грам-отрицательных бактерий

Преальбумин

Бочонок, образованныйбета-тяжами.

Ядро образовано единымбета листом, свернутым примерно в цилиндр.

В ряде примеров “дифференциальныйдиагноз” с сэндвичемзатруднен

BIFUNCTIONAL PROTEIN (ACTS AS BIOTIN OPERON REPRESSOR AND BIOTIN HOLOENZYME SYNTHETASE)1BIA

Тоже аннотирован как бета-баррель

Бета-рулет

Сэндвич-подобная архитектура. Укладка – на основе мотиваJelly roll

1timtriose phosphate isomerase TIM barrel

Укладка Россмана: бета-лист, окруженный альфа-спиралями с двух сторон. Основана на элементах бета-альфа-бета.

Бета-пропеллер2bat neuraminidase

This fold is called a beta propellor; there are six 'blades' in neuraminidase

Бета-пропеллер(2bat)

2mhr

Альфа-бета подковаplacental ribonuclease inhibitor 1bnh

Структурная классификация доменов

• SCOP (Murzin, Benner, Hubbard, Chotia, 1995)

• CATH (Orengo et al., 1993, 1997)

• FSSP (Holm&Sander, 1993)

• другие

Structural Classification of Proteins, SCOP

• Экспертное выделение доменов

• Экспертная классификация

•Класс

•Укладка (fold) – сходная топология

•Суперсемейство – структурная гомология (?)

•Семейство – сходство последовательностей и/или хорошее пространственной выравнивание цепей

•Белок – б.м. ортологичные белковые домены

•Вид – конкретный белок

Уровни классификации в SCOP

By Michael Schroeder, Biotec,

SCOP: Structural Classification of Proteins

FOLD

CLASS top

SUPERFAMILY

FAMILY

C1 set domains (antibody constant)

V set domains (antibody variable)

All alpha (218) All Beta (144) Alpha/Beta (136)Alpha+Beta (279)

Trypsin-like serine proteases (1) Immunoglobulin-like (23)

Transglutaminase (1) Immunoglobulin (6)

• Альфа-спиральные домены (218 укладок)

• Бета-структурные домены (144)

• Альфа/бета структурные домены (a/b) (136) (бета-альфа-бета структурные единицы)

• Альфа+бета домены (a+b) (279) (разделенные альфа спиральные и бета-структурные области)

КлассыОсновные

Цитохром С 553 из BACILLUS PASTEURII (1c75)

Класс: альфа-спиральный Укладка: цитохром С

Белок, связывающий одноцепочечную ДНК (3ull)

Класс: бета-структурный Укладка: OB-fold

Разница между a/b и a+b

1TPH Triosephosphate isomerase from Chicken (Gallus gallus) 1TPH

a/b: - Спирали и тяжи вместеобразуют глобулу-Часто спираль соединяет дватяжа как показано на рис. ниже(бета-альфа-бета мотив)

Разница между a+b и a/b

2ACT. ACTINIDIN (SULFHYDRYL PROTEINASE)

a+b: - Спирали и тяжи более или менее разобщены - Часто спирали образуют свое

маленькое ядро - Мотивы -- встречаются редко

Спирализованные спирали (6)

Низкое разрешение (24)

Пептиды, фрагменты (116)

Искусственные белки (42)

Формально собранные классы

•Многодоменные белки (46) (сложные домены)

•Мембранные (47) (кроме белков иммунной системы)

•Маленькие (75)

Специфические

Маленьким для стабильности нужны дополнительные

ухищрения!

Инсулин-подобный фактор роста(human)(1imx)S-S мостики показаны зеленым

Цинковые пальцы C2H2(mouse)(1ali)Атомы Zn – пурпурные шарики

ClassNumber of folds

Number of superfamilies

Number of families

All alpha proteins 284 507 871All beta proteins 174 354 742Alpha and beta proteins (a/b) 147 244 803Alpha and beta proteins (a+b)

376 552 1055

Multi-domain proteins 66 66 89Membrane and cell surface proteins

58 110 123

Small proteins 90 129 219Total 1195 1962 3902

SCOP: Structural Classification of Proteins.

1.75 release38221 PDB Entries (23 Feb 2009). 110800 Domains.

Класс all-beta"Вид" Укладокsandwich 57barrel 55complex 10other 10propeller 5beta-helix 3beta-prizm 3spiral 1Общ ий итог 144

Class Architecture Topology Homologous superfamily, CATH

• Белок делится на домены автоматически при согласованных результатах трех алгоритмов: – DETECTIVE (Swindells, 1995), – PUU (Holm & Sander, 1994) – DOMAK (Siddiqui and Barton, 1995).

• При несовпадении результатов алгоритмов – решение о доменах за экспертом

Первичная классификация автоматическая (алгоритм SSAP, Taylor & Orengo 1989).

При отказах программы решение принимает эксперт

CATH: уровни классификации• Класс: основные all-alpha, all-beta, alpha-beta • Архитектура: сходное пространственное

расположение элементов вторичной структуры без учета их последовательности

• Топология (укладка): сходное взаимное расположение вдоль цепи и в пространстве элементов вторичной структуры

• Суперсемейство: предположительно или несомненно гомологичные домены

• Семейство: сходные последовательности (>35% identity и выровненные участки покрывают >60% длины)

В каждой структурной классификации –

свои “причуды”CATH: два (?!!!) “домена” (?!!!) (красный и зеленый) в структуре токсина перфринголизин О из патогенной бакетрии Clostridium Perfringens (PDB код 1PFO)

Вот что может автоматика ?!

(В базе SCOP это один домен)

Two-layer sandwich (?!)

Человеческий фактор (?)

В последнем релизе разделен на два домена

SCOP: этот полипептид был классифицирован как один структурный домен класса all alpha (???) (белок - транскрипционный фактор из Listeria monocytogenes, регулирующий основные гены вирулентности)

Классификации SCOP и CATH часто не совпадают

Sandwich or barrel?Cation-dependent mannose 6-phosphate receptor, extracytoplasmic domain PDB 1c39_A

SCOP:barrel, partly open;

CATH Architecture: Distorted Sandwich

In the same CATH architecture one can find classical Ig-like fold according SCOP!

SCOP: Immunoglobulin-like beta-sandwich

CATH Architecture: Distorted Sandwich

Herpes Simplex Virus glycoprotein PDB 1jma_A

CATH – architecturesCATH – architectures

CATH – architectures (cont.)CATH – architectures (cont.)