Топология и архитектура Топология это описание последовательности элементов вторичной структуры и их взаимного расположения в пространстве 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. Термины “укладка” (folding) и “топология” (topology) обычно трактуются как синонимы Слово “основные” в определении одинаковой топологии существенно, хотя и может трактоваться по разному … Каталаза Флаводоксин (C-концевой домен) Пример одинаковой топологии Вторичная структура C-концевого домена Каталазы 1CFG Вторичная структура флаводоксина 1AG9 Выравнивание элементов вторичной структуры S4 H2 S5 - S1 S2 S3 H2 S2 H1 S1 - H1 – | | | | | | | | | S4 H2 S5 h1 - - S3 H2 S2 H1 S1 S1’ H1 h1 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! Примеры Архитектура – пучек 4х параллельных спиралей Топология пучка параллельных спиралей б.м. адекватно может быть отражена диаграммой TOPS Диаграмма 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! Эмпирический принцип Уместно повторить: Гомологичные участки последовательности => одинаково расположенные участки полипептидной цепи • Обратное не верно! 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-сэндвичи ядро образовано двумя примерно параллельными бета листами Параллельный Ортогональный Характерный мотив – интерлок; часто также греческий ключ. Бета-баррель Бочонок, образованный бета-тяжами. Ядро образовано единым бета листом, свернутым примерно в цилиндр. В ряде примеров “дифференциальный диагноз” с сэндвичем затруднен Мальтопорин. Преальбумин Порины - трансмембранные белки внешней мембраны грам-отрицательных бактерий 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 мотива Jelly roll 1tim triose phosphate isomerase TIM barrel Укладка Россмана: бета-лист, окруженный альфа-спиралями с двух сторон. Основана на элементах бета-альфа-бета. Бета-пропеллер 2bat neuraminidase This fold is called a beta propellor; there are six 'blades' in neuraminidase Бета-пропеллер (2bat) 2mhr Альфа-бета подкова placental 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 Уровни классификации в SCOP •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 SCOP: Structural Classification of Proteins top CLASS All alpha (218) All Beta (144) Alpha+Beta (279) Alpha/Beta (136) FOLD Trypsin-like serine proteases (1) Immunoglobulin-like (23) SUPERFAMILY Transglutaminase (1) Immunoglobulin (6) FAMILY By Michael Schroeder, Biotec, C1 set domains (antibody constant) V set domains (antibody variable) Классы Основные • Альфа-спиральные домены (218 укладок) • Бета-структурные домены (144) • Альфа/бета структурные домены (a/b) (бета-альфа-бета структурные единицы) (136) • Альфа+бета домены (a+b) (279) (разделенные альфа спиральные и бета-структурные области) Класс: альфа-спиральный Укладка: цитохром С Цитохром С 553 из BACILLUS PASTEURII (1c75) Класс: бета-структурный Укладка: OB-fold Белок, связывающий одноцепочечную ДНК (3ull) Разница между a/b и a+b a/b: - Спирали и тяжи вместе образуют глобулу -Часто спираль соединяет два тяжа как показано на рис. ниже (бета-альфа-бета мотив) 1TPH Triosephosphate isomerase from Chicken (Gallus gallus) 1TPH Разница между a+b и a/b a+b: - Спирали и тяжи более или менее разобщены - Часто спирали образуют свое маленькое ядро - Мотивы -- встречаются редко 2ACT. ACTINIDIN (SULFHYDRYL PROTEINASE) Специфические •Многодоменные белки (сложные домены) (46) •Мембранные (кроме белков иммунной системы) (47) •Маленькие (75) Формально собранные классы Спирализованные спирали (6) Низкое разрешение (24) Пептиды, фрагменты (116) Искусственные белки (42) 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 SCOP: Structural Classification of Proteins . 1.75 release 38221 PDB Entries (23 Feb 2009). 110800 Domains. Class All alpha proteins All beta proteins Alpha and beta proteins (a/b) Alpha and beta proteins (a+b) Multi-domain proteins Membrane and cell surface proteins Small proteins Total Number of Number of folds superfamilies Number of families 284 174 147 507 354 244 871 742 803 376 552 1055 66 66 89 58 110 123 90 1195 129 1962 219 3902 Класс all-beta "Вид" Укладок sandwich 57 barrel 55 complex 10 other 10 propeller 5 beta-helix 3 beta-prizm 3 spiral 1 Общий 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” Two-layer sandwich (?!) 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) SCOP: этот полипептид был классифицирован как один структурный домен класса all alpha (???) (белок транскрипционный фактор из Listeria monocytogenes, регулирующий основные гены вирулентности) Человеческий фактор (?) В последнем релизе разделен на два домена 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! Herpes Simplex Virus glycoprotein PDB 1jma_A CATH Architecture: Distorted Sandwich SCOP: Immunoglobulin-like beta-sandwich CATH – architectures CATH – architectures (cont.)