화학적 특징과 머신러닝을 활용한 단백질 예측

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13741(2023) 이 기사 인용

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공여체와 수용체 헤테로원자가 반데르발스 반경의 합보다 0.3Å 이상 더 가깝게 위치하는 짧은 수소 결합(SHB)의 구조와 생물학적 기능을 밝히려는 지속적인 노력이 있습니다. 이 연구에서 우리는 1070개의 원자 분해능 단백질 구조를 평가하고 아미노산의 측쇄와 소분자 리간드 사이에 형성된 SHB의 일반적인 화학적 특징을 특성화합니다. 그런 다음 단백질-리간드 SHB(MAPSHB-리간드) 모델의 기계 학습 지원 예측을 개발하고 아미노산 및 리간드 작용기의 유형과 인접 잔기의 서열이 단백질-리간드 클래스를 결정하는 필수 요소임을 밝힙니다. 수소결합. MAPSHB-리간드 모델과 당사 웹 서버에서의 구현을 통해 단백질에서 단백질-리간드 SHB를 효과적으로 식별할 수 있으며, 이는 향상된 기능을 위해 이러한 긴밀한 접촉을 활용하는 생체분자 및 리간드의 설계를 용이하게 합니다.

수소 결합은 단백질의 구조, 구조적 변형 및 생물학적 기능을 매개하는 데 필수적인 역할을 합니다. 정규 수소 결합은 O 또는 N 원자를 포함하는 아미노산 잔기와 리간드에서 형성되며 헤테로원자 사이의 거리 R은 일반적으로 2.8~3.2Å 범위에 속합니다. 이러한 일반적인 수소 결합(NHB) 외에도 R \(\le\) 2.7 Å인 짧은 수소 결합(SHB)이 단백질의 표면과 활성 공동에서 종종 관찰됩니다. 폴리펩티드 백본, 극성 측쇄 및 결합된 리간드를 근접하게 배치합니다2,3,4,5,6. 양성자 기증자와 수용체 원자가 반 데르 발스 반경의 합보다 10% 이상 더 가깝게 위치하기 때문에 SHB 상호 작용은 단순한 정전기력에서 크게 벗어나고 대신 전자와 양자 모두의 양자 역학적 비편재화로 인해 발생하는 강한 공유 특성을 나타냅니다. 양성자5,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. 예를 들어, R이 짧아지면 수소 결합에서 양성자를 이동시키는 전자 에너지 표면은 이중 우물 전위에서 장벽이 감소하는 단일 우물 전위로 점진적으로 변합니다6,7,8,9. R이 2.4Å보다 짧아지는 한계에서 양성자 전위 에너지 표면은 본질적으로 장벽이 없습니다. 이러한 경우 전자 및 핵 양자 효과가 결합되어 기증자-H 결합의 구속을 약화시키고 기증자와 수용체 그룹 간에 양성자를 공유할 수 있게 합니다.

주목할만한 유형의 SHB는 양성자 전달 장벽이 일반적으로 약 5kcal/mol인 O-H 또는 N-H 진동의 영점 에너지와 비교할 수 있는 낮은 장벽 수소 결합입니다. 수소 결합의 R이 2.45~2.65Å 사이에 있고 공여체 그룹과 수용체 그룹의 양성자 친화력이 밀접하게 일치할 때 에너지 장벽이 충분히 낮아진다고 제안되었습니다. 이러한 컴팩트한 구조에서 핵 양자 효과는 양성자가 헤테로원자 사이를 자유롭게 이동할 수 있게 하며 수소 결합은 매우 강해집니다. 낮은 장벽의 수소 결합은 단백질의 활성 부위에서 흔히 관찰되며, 따라서 효소 촉매 작용에서 반응 중간체를 안정화하는 것부터 박테리아 단백질의 항생제 결합을 조절하고 생물학적 신호 전달을 촉진하는 것까지 다양한 생물학적 과정과 관련됩니다18,20 ,21,22,23,24,25,26,27,28,29. 원래 제안 이후 저장벽 수소 결합은 기하학, 강도 및 기능적 중요성이 여전히 논쟁 중이지만 광범위한 조사를 받고 있습니다. 일반적으로 NMR 분광법은 비편재화된 양성자가 중수소9,18,19,20,21,24,37로 대체될 때 특징적으로 다운필드 화학적 이동과 뚜렷한 동위원소 효과를 나타내기 때문에 탐사에 널리 사용됩니다. 최근에는 X선과 중성자 회절 및 광학 분광학의 발전으로 양성자의 위치와 국소 환경을 직접 감지할 수 있게 되었으며, 이는 대형 단백질에서 낮은 장벽 수소 결합의 구조와 거동에 대한 중요한 정보를 제공했습니다23,25,26, 27,28,29,35,36.