Учебный сайт Алены Корягиной

Jmol. Трехмерная структура белка АТФазы VirB4 из генома бактерии Thermoanaerobacter pseudethanolicus, штамм ATCC 33223

Jmol — Java программа для визуализации трёхмерных молекулярных структур. Эта программа находится в свободном доступе, и вы можете скачать ее с официального сайта Jmol. Jmol читает текстовый файл, в котором содержатся уже рассчитанные координаты всех атомов молекулы, и воспроизводит их в графическом виде. Данная программа поддерживает большое количество форматов файлов, включая: pdb (Protein Data Bank), cif (Crystallographic Information File), mol (MDL Molfile), CML (Chemical Markup Language), XYZ (Chemical File Format) [1]. Используя различные команды Jmol, которые вводятся в командную строку, мы можем посмотреть, как устроены молекулы в пространстве: как расположены атомы друг относительно друга, какие расстояния между ними и типы связей, какие структуры присутствуют. Так же для удобства анализа мы можем раскрашивать, удалять и по-разному представлять различные элементы молекул.

С помощью данной программы в графическом виде был представлен белок из генома бактерии T. pseudethanolicus, кодирующий ген которого был рассмотрен ранее. Согласно новой информации, полученной с сайта PDB (Protein Data Bank), рассматриваемый белок — белок АТФазы VirB4, который входит в комплекс секреторного пути IV типа (идентификатор этого белка в базе данных PDB — 4AG5). Общая информация о данном белке была взята из текста pdb-файла и далее представлена в таблице 1 (в первых двух столбцах информация записана так, как файле, в следующих двух представлен перевод).

Таблица 1. Информация о белке АТФазы VirB4 из генома Thermoanaerobacter pseudethanolicus ATCC 33223

На первых двух рисунках (рис.1 и рис.2.) представлена асимметрическая ячейка кристаллической решетки белка. Она состоит из двух димеров, между которыми нет никаких взаимодействий. Всего в данный комплекс входят четыре идентичных друг другу цепи (А, В, С, D). Одна цепь и является белком VirB4. На первом рисунке (рис.1.) асимметрическая ячейка изображена в наиболее правдоподобном виде, так как все атомы белка представлены в виде сфер (команда cpk), а радиус каждой сферы соответствует Ван-дер-Ваальсовому радиусу атома. Раскраска атомов соответствует их химической природе, например, атомы углерода серые, азота голубые, кислорода красные, фосфора оранжевые и серы желтые (команда color cpk). На втором изображении (рис.2.) акцентировано внимание непосредственно на строении белка. Остов белка представлен в виде ленточной модели (cartoons), так как именно благодаря этой модели мы можем распознать вторичную стуктуру белка. В белке встречаются такие вторичные структуры, как α-спираль и β-лист. Каждая цепь покрашена в собственный цвет: А — в оранжевый, В — в голубой, С — в сиреневый и D — в зеленый. Более светлым оттенком покрашены α-спирали, более темным — β-листы, а серым выделены участки цепи белка, которые не имеют вторичной структуры. Помимо молекул белка в асимметрическую ячейку входят еще молекулы АДФ, молекулы глицерола и воды, ионы магния и сульфат-ионы. Молекулы АДФ выделены черным цветом и представлены в проволочной модели (wireframe 100). Атомы всех остальных молекул и ионов представлены в виде уменьшенных и раскрашенных в соответствии с химической природой сфер (cpk 100, color cpk), между которыми показаны химические связи (wireframe).
Примечание:
1)Молекулы воды представлены только атомами кислорода (красные уменьшенные сферы), так как разрешение рентгеноструктурного анализа не позволяет определять положение маленького и подвижного атома водорода.
2)Ионам магния соответствует салатовый цвет.

Рис.1. Трехмерная структура асимметрической ячейки кристаллической решетки белка. Атомы в виде сфер, радиус каждой сферы соответствует Ван-дер-Ваальсовому радиусу атома. Раскраска атомов: серые — атомы углерода, голубые — атомы азота, красные — кислорода, оранжевые — фосфора, желтые — серы и салатовые — магния. Рисунок получен с помощью программы Jmol.

Рис.2. Трехмерная структура асимметрической ячейки кристаллической решетки белка. Остов белка представлен в виде ленточной модели. Раскраска цепей: цепь А — оранжевая, цепь В — голубая, С — сиреневая и D — зеленая. Более светлым оттенком покрашены α-спирали, более темным — β-листы, серым выделены участки цепи белка, которые не имеют вторичной структуры. Черной проволочной моделью представлена молекула АДФ. Атомы молекул глицерола, воды, ионов магния и сульфат-ионов представлены в виде уменьшенных и раскрашенных в соответствии с химической природой сфер, между которыми показаны химические связи. Рисунок получен с помощью программы Jmol.

Вы можете в точности воспроизвести данные визуализации. Для этого необходимо в строку поиска сайта PDB ввести идентификатор рассматривамого белка — 4AG5, и скачать файл — "PDB file (text)". После открыть Jmol, и запустить один из скриптов: скрипт №1 для визуализации первого рисунка, скрипт №2 — для второго. Текст этих Jmol-скриптов я прилагаю далее:

            load 4AG5.pdb 
            background white
            select all
            cartoons off
            wireframe off
            cpk
            color cpk
            rotate X 270
            zoom 40
              

            load 4AG5.pdb
            background white
            select all
            cpk off
            wireframe off
            Select all
            cartoons
            select helix and *A
            color orange
            select sheet and *A
            color OrangeRed
            select helix and *B
            color SkyBlue
            select sheet and *B
            color blue
            select helix and *C
            color violet
            select sheet and *C
            color purple
            select  helix and *D
            color LightGreen
            select sheet and *D
            color green
            select ligand
            cpk 100
            color cpk
            wireframe 
            select water
            cpk 100
            color cpk
            select ADP
            color black
            wireframe 100
            cpk 100
            select Mg
            cpk 100
            rotate X 270
            zoom 40
              

На следующих двух рисунках (рис.3 и рис.4.) представлены биологические единицы рассматриваемого белка. Каждый димер из асимметрической ячейки является биогической единицей. Димер, состоящий из цепей А и D, изображен на рисунке 3, в его состав входят: молекула АДФ, 2 молекулы глицерола, 84 молекулы воды, ион магния и сульфат ион. На рисунке 4 соответственно изображен второй димер (цепи В и С), в состав которого входят: молекула АДФ, 1 молекула глицерола, 77 молекул воды и два иона магния. Расскраска обеих биологических единиц соответствует расскраске асимметрической ячейки на
рисунке 2.

Рис.3. Графическое представление биологической единицы, состоящей из цепей А и D. Цепь А — оранжевая, D — зеленая. Рисунок получен с помощью программы Jmol.	Рис.4. Графическое представление биологической единицы, состоящей из цепей B и C. Цепь В — голубая, С — сиреневая. Рисунок получен с помощью программы Jmol.

Несмотря на то, что все цепи идентичны по составу аминокислот, их графическое представление различно. Например, мы можем заметить, что вторая цепь каждого димера (D и С) несколько «разрушена» по сравнению с первой. Это является следствием подвижности некоторых участков и недостатка разрешения для точного определения расположения этих участков. Во всех дальнейших исследованиях данного белка мы будем рассматривать биологическую единицу, содержащую цепи В и С.

Источники:

[1] http://ru.wikipedia.org/wiki/Jmol