Signal propagation in proteins and relation to equilibrium fluctuations

doi:10.1371/journal.pcbi.0030172

.2007年9月；3(9):1716-26.

doi:10.1371/journal.pcbi.0030172。

蛋白质中的信号传播及其与平衡波动的关系

查克拉·钦努霍特拉¹, 伊维特·巴哈尔

附属公司

PMID： 17892319
预防性维修识别码：项目经理1988854
内政部： 10.1371/日记.pcbi.0030172

蛋白质中的信号传播及其与平衡波动的关系

查克拉·陈努博特拉等。公共科学图书馆计算生物学. 2007年9月.

.2007年9月；3(9):1716-26.

doi:10.1371/journal.pcbi.0030172。

作者

查克拉·陈努博特拉¹, 伊维特·巴哈尔

附属

¹美国宾夕法尼亚州匹兹堡市匹兹堡大学医学院计算生物学系。

PMID： 17892319
预防性维修识别码：项目经理1988854
内政部： 10.1371/日记.pcbi.0030172

勘误表in

公共科学图书馆计算生物学。2007年10月12日；3(10):2043

摘要

弹性网络（EN）模型近年来被广泛用于描述蛋白质动力学，其前提是天然结构的自然运动与生物功能相关。我们假设平衡运动也决定了网络结构固有的通信机制。为此，我们探索了离散时间、离散状态的马尔可夫过程在残差网络中信息传输的随机性。我们根据击中和通勤时间来衡量残差对的通信能力，即发送和接收信号平均所需的步骤数。功能性活性残基被发现具有增强的通信倾向，其短命中时间证明了这一点。此外，次要结构元素作为有效的沟通媒介出现。本研究结果为我们提供了蛋白质通信的拓扑基础和有效信号转导的设计原则方面的见解。虽然撞击/通勤时间是信息理论概念，但这项工作的主要贡献是严格证明它们具有与EN模型预测的残留物平衡波动直接相关的物理根源。

PubMed免责声明

利益冲突声明

相互竞争的利益。提交人声明，不存在相互竞争的利益。

数字

**图1。磷脂酶A2的击中时间和通勤时间分布（1bk9[20]）**
（A）打击时间*H（H）*(*j、我*)分布显示行与列之间的变化更多，这表明残差在接收信号的能力上不同，而它们的广播特性更均匀。（B）显示通勤时间C类(*i、 j个*)分配。（C）显示从（A）计算的平均命中次数。所有三种催化残留物（蓝点）的撞击时间都很短。

**图2。平均命中次数<*H（H）_第页*(j个)>与标准偏差σ(*H（H）_第页*(j个))**
催化残留物（红叉）快速准确，位于图的左下方。配体结合残基用黑色+表示。

**图3。四种酶的点击时间分析结果**
（A） HIV-1蛋白酶（1a30，[21]）、（B）蓖麻毒素（1br6，[22]）、（C）人鼻病毒3C蛋白酶（1cqq，[23]）和（D）内切-1,4-木聚糖酶（1bvv，[24]）。图中显示了催化残留物的趋势（（A）中的D25和D30，（B）中的Y80、V81、G121、Y123、E177和R180，（C）中的H40、E71、G145和C147，以及（D）中的Y 69、E78和E172；红点）显示出快速准确的通讯，与磷脂酶A2的结果一致（图2）。配体结合残基用蓝点表示。标记具有最高通信倾向的催化残基。

**图4。撞击时间的物理意义**
分解击球时间*H（H）*(*j、我*)矩阵从图1A转换为（A）一体、（B）两体和（C）三体项，这样这三个矩阵的总和将重现图1A中的矩阵。单体项仅涉及目的节点的波动，由所见的水平条纹（A）明显可见。从这幅图的规模来看，很容易推断出，单体项支配着击球时间的整体计算。然而，源节点可以根据两个节点（B）波动之间的互相关来调节到达目标节点的命中时间。（C）揭示了三体术语的贡献微不足道。

**图5。有效通信距离与物理距离的相关性**
（A）磷脂酶A2中所有残基对的有效通信距离（纵坐标）和物理距离（横坐标）的比较。红色点是指涉及催化残留物His48的对。（B）和（C）说明了由相似距离分隔的残数对的通信时间差异，以及可比较通信时间的相反情况，尽管残数间距离存在显著差异，（D）和（E）。有关更多详细信息，请参阅文本。

**图6。二级结构在定义有效沟通手段中的重要性**
命中次数的概率分布*H（H）*(*j、我*)对于残留物j个位于（A）α螺旋上，（B）β-链和（C）环或无序区域。共有49929对、64732对和79444对对的曲线有助于从所检测的五种酶中得出三条相应的曲线。横坐标表示命中时间除以残基数，这允许对不同蛋白质收集的数据进行归一化。直方图基于区间[0，10]中大小为0.2的箱子。

**图7。二级结构对单个蛋白质命中时间分布的影响，每个蛋白质都显示在单独的面板中**
带状图由二级结构着色，即螺旋（红色）、股（蓝色）和线圈/无序区域（白色）。对于每个酶，命中时间的概率分布*H（H）*(*j、我*)，其中j个位于（A）α螺旋上，（B）β-链和（C）环或无序区域分别以蓝色、红色和绿色显示。α螺旋和环/无序区域的分布形状与图6所示大致相同。然而β-链显示出显著的变化，表明它们在蛋白质三维结构中的空间位置依赖性。

**图8。大肠杆菌腺苷酸激酶（PDB:4ake）残基对之间有效（交换）距离和物理距离的比较**
CORE、LID和AMPbd域中残基之间的有效（纵坐标）和物理（横坐标）距离（参见插图），分为域内和域间距离，并以不同颜色显示每组。注意，同一结构域中残基之间的通信比两个不同结构域中的残基之间通信更有效。与域内对相比，给定物理距离的域间对对应的通勤距离更长，这就证明了这一点。插图给出了域内和域间配对的距离分布的示意图。

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