Cálculos de proteína p K _a - Protein pK_a calculations

En biología computacional , proteína p K _a cálculos se utilizan para estimar la p K _a valores de amino ácidos , tal como existen en las proteínas . Estos cálculos complementan los valores de p K _a informados para los aminoácidos en su estado libre y se utilizan con frecuencia en los campos del modelado molecular , la bioinformática estructural y la biología computacional .

Amino ácido p K _a valores

p K _a valores de amino ácidos cadenas laterales juegan un papel importante en la definición de las características dependientes del pH de una proteína. El pH de la dependencia de la actividad representada por las enzimas y el pH de la dependencia de la estabilidad de proteínas , por ejemplo, son propiedades que están determinadas por la p K _a valores de cadenas laterales de aminoácidos.

Los valores de p K _a de una cadena lateral de aminoácidos en solución se infieren típicamente de los valores de p K _a de compuestos modelo (compuestos que son similares a las cadenas laterales de aminoácidos). Ver Amino ácido para la p K _a valores de todas las cadenas laterales de aminoácidos deducidas de tal manera. También hay numerosos estudios experimentales que han arrojado tales valores, por ejemplo, mediante el uso de espectroscopía de RMN .

La siguiente tabla muestra el modelo p K _a valores que se utilizan a menudo en una proteína p K _un cálculo, y contiene una tercera columna en base a estudios de proteínas.

Aminoácidos	p K a	p K a
Asp (D)	3.9	4.0 0
Pegamento)	4.3	4.4 0
Arg (R)	12,0	13,5 0
Lys (K)	10,5	10,4 0
Su (H)	6.08	6,8 0
Cys (C) (–SH)	8.28	8.3 0
Tyr (Y)	10.1	9,6 0
N-término		8.0 0
C-término		3.6 0

El efecto del entorno proteico.

Cuando una proteína se pliega, los aminoácidos titulables de la proteína se transfieren de un entorno similar a una solución a un entorno determinado por la estructura tridimensional de la proteína. Por ejemplo, en una proteína desplegada, un ácido aspártico se encuentra típicamente en un entorno que expone la cadena lateral titulable al agua. Cuando la proteína se pliega, el ácido aspártico podría encontrarse enterrado profundamente en el interior de la proteína sin exposición al solvente.

Además, en la proteína plegada, el ácido aspártico estará más cerca de otros grupos titulables en la proteína y también interactuará con cargas permanentes (por ejemplo, iones) y dipolos en la proteína. Todos estos efectos alteran el valor p K _a de la cadena lateral de aminoácidos, y los métodos de cálculo de p K _a generalmente calculan el efecto del entorno proteico en el modelo p K _a valor de una cadena lateral de aminoácidos.

Típicamente, los efectos del medio ambiente la proteína en el amino ácido p K _un valor se dividen en efectos independientes del pH y efectos dependientes del pH. Los efectos independientes del pH (de desolvatación, interacciones con cargas permanentes y dipolos) se añaden al modelo p K _un valor para dar la intrínseca p K _un valor. Los efectos dependientes del pH no se pueden agregar de la misma manera directa y deben tenerse en cuenta mediante la suma de Boltzmann, iteraciones de Tanford-Roxby u otros métodos.

La interacción de los valores intrínsecos de pK _a de un sistema con las energías de interacción electrostática entre grupos titulables puede producir efectos bastante espectaculares, como curvas de titulación distintas de Henderson-Hasselbalch e incluso efectos de titulación por retroceso.

La siguiente imagen muestra un sistema teórico que consta de tres residuos ácidos. Un grupo muestra un evento de titulación retroactiva (grupo azul).

p K _a métodos de cálculo

Se encuentran disponibles varios paquetes de software y servidores web para el cálculo de los valores de proteína p K _a . Ver enlaces a continuación o esta tabla

Usando la ecuación de Poisson-Boltzmann

Algunos métodos se basan en soluciones a la ecuación de Poisson-Boltzmann (PBE), a menudo denominados métodos basados ​​en FDPB ( FDPB significa " diferencia finita de Poisson-Boltzmann"). El PBE es una modificación de la ecuación de Poisson que incorpora una descripción del efecto de los iones solventes en el campo electrostático alrededor de una molécula.

El servidor web H ++ , el servidor web pKD , MCCE , Karlsberg + , PETIT y GMCT utilizan el método FDPB para calcular los valores p K _a de las cadenas laterales de aminoácidos.

Los métodos basados ​​en FDPB calculan el cambio en el valor de p K _a de una cadena lateral de aminoácidos cuando esa cadena lateral se mueve desde un estado hipotético completamente solvatado a su posición en la proteína. Para realizar un cálculo de este tipo, se necesita métodos teóricos que pueden calcular el efecto de la proteína sobre interior ap K _un valor, y el conocimiento de los valores de pKa de cadenas laterales de aminoácidos en sus estados plenamente solvatadas.

Métodos empíricos

Li, Robertson y Jensen han desarrollado un conjunto de reglas empíricas que relacionan la estructura de la proteína con los valores de p K _a de residuos ionizables . Estas reglas forman la base del programa accesible en la web llamado PROPKA para predicciones rápidas de los valores de p K _a . Tan KP et.al. publicaron _un programa empírico reciente de predicción p K _a . con el servidor en línea PROFUNDIDAD del servidor web

Métodos basados ​​en dinámica molecular (MD)

Dinámica molecular métodos de cálculo de p K _a valores hacen que sea posible incluir una total flexibilidad de la molécula valorada.

Los métodos basados ​​en la dinámica molecular suelen ser mucho más costosos desde el punto de vista computacional, y no necesariamente más precisos, para predecir los valores de p K _a que los métodos basados ​​en la ecuación de Poisson-Boltzmann . También se puede realizar una flexibilidad conformacional limitada dentro de un enfoque electrostático continuo, por ejemplo, para considerar rotámeros de cadena lateral de múltiples aminoácidos. Además, los campos de fuerza moleculares que se utilizan habitualmente en la actualidad no tienen en cuenta la polarización electrónica, que podría ser una propiedad importante para determinar las energías de protonación.

Determinación de valores de p K a _a partir de curvas de titulación o cálculos de energía libre

A partir de la titulación del grupo protonable, se puede leer el llamado p K _a ^{1 ⁄ 2} que es igual al valor de pH donde el grupo está semiprotonado. El p K _a ^{1 ⁄ 2} es igual al Henderson-Hasselbalch p K _a (p K ^HH
_a ) si la curva de titulación sigue la ecuación de Henderson-Hasselbalch . La mayoría de p K _a los métodos de cálculo en silencio asumen que todas las curvas de valoración son la forma de Henderson-Hasselbalch, y p K _a valores de p K _a programas de cálculo son, por tanto, a menudo determinado de este modo. En el caso general de múltiples sitios protonables que interactúan, el valor de p K _a ^{1 ⁄ 2} no es termodinámicamente significativo. En contraste, el Henderson-Hasselbalch p K _un valor se puede calcular a partir de la energía libre de la protonación por medio de

${\ Displaystyle \ mathrm {p} K _ {\ mathrm {a}} ^ {\ mathrm {HH}} (\ mathrm {pH}) = \ mathrm {pH} - {\ frac {\ Delta G ^ {\ mathrm { prot}} (\ mathrm {pH})} {\ mathrm {RT} \ ln 10}}}$

y, por lo tanto, a su vez está relacionado con la energía libre de protonación del sitio a través de

${\ Displaystyle \ Delta G ^ {\ mathrm {prot}} (\ mathrm {pH}) = \ mathrm {RT} \ ln 10 \ cdot (\ mathrm {pH} - \ mathrm {p} K _ {\ mathrm {a }} ^ {\ mathrm {HH}})}$ .

La lata protonación energía libre en principio calcularse a partir de la probabilidad de protonación del grupo ⟨ x ⟩ (pH) que puede ser leído a partir de su curva de titulación

${\ Displaystyle \ Delta G ^ {\ mathrm {prot}} (\ mathrm {pH}) = - \ mathrm {RT} \ ln \ left [{\ frac {\ langle x \ rangle} {1- \ langle x \ rangle}} \ right]}$

Las curvas de titulación se pueden calcular dentro de un enfoque electrostático continuo con métodos analíticos o Monte Carlo (MC) formalmente exactos pero más elaborados, o métodos aproximados inexactos pero rápidos. Los métodos de MC que se han utilizado para calcular las curvas de titulación son Metropolis MC o Wang-Landau MC . Los métodos aproximados que utilizan un enfoque de campo medio para calcular curvas de titulación son el método de Tanford-Roxby y los híbridos de este método que combinan un tratamiento de mecánica estadística exacta dentro de grupos de sitios que interactúan fuertemente con un tratamiento de campo medio de interacciones entre grupos.

En la práctica, puede ser difícil obtener estadísticamente convergido y protonación precisa energías libres de las curvas de valoración si ⟨ x ⟩ es próximo a un valor de 1 ó 0. En este caso, se puede utilizar diversos métodos de cálculo de energía libre para obtener la libre protonación energía como el MC de Metropolis sesgado, la perturbación de energía libre , la integración termodinámica , el método de trabajo de no equilibrio o el método de la relación de aceptación de Bennett .

Tenga en cuenta que el p K ^HH
_a El valor depende en general del valor del pH.

Esta dependencia es pequeña para grupos que interactúan débilmente, como cadenas laterales de aminoácidos bien solvatados en la superficie de la proteína, pero puede ser grande para grupos que interactúan fuertemente como aquellos enterrados en sitios activos enzimáticos o proteínas integrales de membrana.

Referencias

Software para cálculos de proteína p K _a

• AccelrysPKA Accelrys CHARMm basado p K _a cálculo
• H ++ basado p Poisson-Boltzmann K _unos cálculos
• Electrostática continua de conformación múltiple MCCE2 (Versión 2)
• Karlsberg + p K _a cálculo con múltiples conformaciones adaptadas al pH
• PETIT protón y el electrón titulación
• Titulación Monte Carlo generalizada GMCT
• Servidor web DEPTH Cálculo empírico de los valores de p K _a utilizando la profundidad del residuo como característica principal