High pKa variability of cysteine residues in structural databases and the effect of H-bond contributions

[Yapısal veritabanlarındaki sistein kalıntılarında pKa değerinin yüksek oranda değişkenlik göstermesi ve H-bağı katkılarının etkisi]

Abstract

Objective: Our first objective was to extensively compare two most common empirical protein pKa predictors, propka1.0 (ppka1) and propka3.0 (ppka3); we have specifically compared them as tools for high-throughput analyses of structural datasets with a particular focus on the amino acid Cysteine (Cys); afterwards, our goal was to assess their performances with known instances of reactive Cys residues.Methods: Structural datasets were downloaded from the PDB repository and pipelined to different pKa prediction software; results were parsed with in-house scripts, to extract relevant information, and then subjected to further analysis, including detailed output comparisons for different programs.Results: With ppka1, H-bond contributions dictated the prediction of Cys pKa, particularly for exposed residues; this was not the case for the most recent version, ppka3. This feature of ppka1 fits with recent, independent studies reporting the critical role of H-bond network in the activation of reactive Cys residues; indeed, when tested in a benchmark for its ability to describe reactive Cys residues, ppka1 provided the best results, favorably comparing to other methods tested.Conclusion: ppka1 can be an effective aid in redox bioinformatics as a tool for high-throughput Cys pKa predictions: it is extremely fast, yet capable of competitive performances, particularly apt to predict very reactive (e.g. nucleophilic, exposed) functional Cys residues. This work provides new insights on propka (in its different versions) predictions as well as substantial support to the critical role of H-bond and exposure in Cys activation.

Özet

Amaç: Bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan iki ampirik pKa tahmin edici program olan propka 1.0 (ppka1) ile propka 3.0 (ppka3)'ı karşılaştırılmıştır. İki program, sistein (Cys) amino asidi odaklı, yapısal veri tabanlarının yüksek hacimli analizlerinde kullanılan araçlar olarak test edilmiş, ve performanslarının, bilinen reaktif sistein kalıntılarına ilişkin bilgiler kullanılarak değerlendirilmesi hedeflenmiştir.Metod: Yapısal veri setleri, PDB veri tabanından bilgisayara indirilmiş ve farklı pKa tahmin programların aktarılmıştır. Programların çıktılarından amaca yönelik hazırlanmış betikler kullanılarak ilgili bilgiler çıkarılmış ve elde edilen bilgiler daha sonra farklı programların çıktılarının karşılaştırıldığı detaylı analizlere konu edilmiştir.Bulgular: ppka1 programında, Cys kalıntısına ilişkin pKa değerinin hesaplanırken; özellikle yüzeyde yer alan kalıntılarda, H-bağı katkıları önemli bir yer teşkil etmektedir. Son sürüm olan ppka3 için bu durum farklıdır. ppka1'nın bu özelliği H-bağı ağının reaktif, fonksiyonel Cys kalıntılarının aktivasyonundaki kritik rolünü gösteren, yakın zamanda yapılmış bağımsız çalışmalar ile örtüşmektedir. Gerçekten de reaktif Cys kalıntılarının tanımlayabilme yeteneği test edildiğinde, ppka1 programından diğer metotlara kıyasla daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Sonuç: Çalışmada ppka1 programının, redoks biyoinformatiğinde, yüksek hacimli veri setlerinin Cys kalıntılarına tahmininde etkin bir araç olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. ppka1 özellikle reaktif (Örn. nükleofilik, yüzeyde yer alan) fonksiyonel Cys kalıntılarının hassas olarak tahmin edilmesinde, hızlı ve diğer programlarla rekabet edebilen performansa sahiptir. Bu çalışma, propka (ppka1, ppka3) tahminleri ile ilgili ilişkin önemli bilgiler ile beraber Cys aktivasyonunda H-bağının ve kalıntının yüzeyde bulunmasının kritik rolünü destekleyici bilgiler sunmaktadır.