ProDy-2. ЯМР vs РСА

Задание 1. Вводное

Белок: Поликетидциклаза Streptomyces coelicolor

PDB ID для ЯМР: 2KF2 | 20 моделей

PDB ID для РСА: 3TL1 | 1.8 A

**Рисунок 1.1** Изображение моделей ЯМР (бирюзовый) и РСА (зелёный)

На рисунке 1.1 изображены 20 моделей ЯМР и 2 молекулы белка РСА, входящие в одну кристаллографическую ячейку. Молекулы повёрнуты так, что модели ЯМР имеют примерно ту же ориентацию, что и верхняя молекула РСА.

Структуры, несмотря на внешнюю схожесть, плохо соотносятся друг с другом. Структура РСА состоит из 159 аминокислот, лигандов JRO и GOL и воды.

Структура ЯМР состоит только из 167 аминокислот. При этом видно, что первые 159 аминокислот соответствуют молекуле от РСА, за исключением 20 позиции (треонин от ЯМР - аспарагин от РСА). Возможно, эта мутация случайна. Данный остаток находится в альфа-спирали, его боковая цепь обращена наружу. Последние 8 остатков структуры ЯМР - лейцин,глутамат и 6 гистидинов - это гексагистидиновый тэг, который был добавлен искусственно для выделения белка. Возможно, именно из-за него последние остатки (151-159) в структуре ЯМР лишены вторичной структуры.

Попытка наслоить структуры была не очень удачной. Несмотря на схожие элементы вторичной структуры, они плохо пространственно сходились (при попытке наслоить один элемент, остальные расходятся). Попытка наслоения структур по одной из альфа-спиралей изображена ниже.

**Рисунок 1.2** Изображение наслоения моделей ЯМР (бирюзовый) и РСА (зелёный)

На данном изображении виден изгиб альфа-спирали, не характерный для данной вторичной структуры. На рисунке 1.3 показаны 2 водородные связи, стабилизирующие данную конформацию.

**Рисунок 1.3** Изображение искривления альфа-спирали

Скорее всего, эта структура является единой альфа-спиралью, а этот "изгиб", вероятно, является важным для функционирования белка.

Для более наглядного описания различий на микроуровне рассмотрим остатки рядом с лигандом, который есть в РСА и нет в ЯМР. Изображения представлены ниже (рис. 1.4). На нём видно, что лиганд стабилизирован водородными связями и стекинг-взаимодействиями, следовательно, остатки (аргинин и нижние триптофаны) и их положения не случайны. В структуре ЯМР остатки расположены совсем по-другому.

Рисунок 1.4 Изображение остатков, находящихся вблизи лиганда структуры после РСА

Также важным различием структур ЯМР и РСА является то, что атомы водорода у ЯМР показаны в структуре, а у РСА - нет.

Данные различия, по-видимому, являются следствием пробподготовки белка для анализов.

Задание 2. RMSF

Для дальнейшего анализа были взяты первые 159 остатков для ЯМР и цепь А для РСА. Для остатков ЯМР были посчитаны RMSF, для РСА - В-факторы. Зависимость RMSF от В-фактора показана ниже.

**Рисунок 2.1** Scatter-plot зависимости RMSF от В-фактора

На рисунке виден слабый тренд к увеличению RMSF с ростом В-фактора. Но также видны некоторые остатки с явно завышенным RMSF. Очевидно, на эти остатки в структуре ЯМР влияет что-то постороннее. Для выяснения этого были построены зависимости RMSF атомов от номера остатка.

Атомы с очень высоким В-фактором соответствуют петлям белка, обращённым наружу.

Также были посчитаны RMSF и В-факторы для атомов не водорода для тех же остатков, кроме 20-го, где была мутация.

Рисунок 2.2 Scatter-plot зависимости RMSF атомов от номера остатка (Resnum)

Из полученного графика видно, что остатки с явно завышенным RMSF - это те самые остатки (151-159), которые лишились вторичной структуры у ЯМР предположительно по техническим причинам. Удалим их.

**Рисунок 2.3** Scatter-plot зависимости RMSF от В-фактора для остатков 1-150

Проведём преобразования RMSF и В-фактора согласно формуле их соответствия: B_mod = 3B/8pi^2, RMSF_mod = RMSF^2. Ожидается, что полученные значения будут равны и на графике зависимости друг о друга лягут на прямую y = x (синяя прямая).

**Рисунок 2.4** Точное сравнение RMSF и В-фактора

На графике видно, что точки не ложатся на прямую y = x, то есть не соответствует формуле, приведённой в статье.

Задание 3.

В структуре РСА были рассмотрены 3 водородные связи:

1) Остов бета-листа: Глутамин-81/N --- Глутамат-68/O

2) Боковые цепи: Глутамин-81/NЕ2 --- Глутамат-68/OЕ1

3) Петля: Аспартат-59/N --- Аспартат-57/OD1

**Остов ЯМР с водородной связью между боковыми цепями**

**Остов ЯМР без водородной связи между боковыми цепями**

Рисунок 3.1 Изображения выбранных водородных связей в РСА и ЯМР

Помимо изображённых водородных связей в структуре РСА на рисунке 3.1 были показаны модели ЯМР в данных местах. Более подробный анализ данных связей показан в таблице ниже.

	Остов	Боковые цепи	Петля
Расстояние в РСА	3.0	2.7	2.8
Есть связь	100%	45%	30%
Min	2.7	2.7	2.7
Max	3.1	6.3	6
Median	2.9	3.85	4.6

Из вышеописанного анализа ясно, что в остове вторичной структуры белка вариации расположения химических групп минимальна. Это обусловлено разной подвижностью атомов белка в зависимости от вторичной структуры.