Для работы с этим заданием был взят мой стандартный белок в этом семестре — бутирилхолинэстераза
человека 2XMD. В файле PDB предусмотрено поле CRYST1 с информацией о кристаллографической структуре.
В файле для моего белка это поле выглядит так:
CRYST1 154.880 154.880 127.530 90.00 90.00 90.00 I 4 2 2 16
Следующие 4 символа I 4 2 2 описывают группу симметрии в соответствии с нотацией Германа-Могена.
Последнее же число — 16 — показывает число молекул в элементарной ячейке.
На рис. 1, 2 показана биологическая сборка 2XMD. Ассиметрическая единица выделена красным. На рис. 3—5 показан фрагмент восстановленного по ней кристалла белка с выделенной элементарной ячейкой в разных ракурсах.
Ассиметрическая единица выделена красным
При рассмотрении восстановленного кристалла выясняется, что одна ассиметрическая единица фермента контактирует с 5 другими: 4-мя внутри биологической сборки и еще одной из соседней биологической сборки. На рис. 6 показана биологическая сборка (красная) с контактирующими с ней субъединицами белка из соседних по кристаллу сборок. На рис. 7 показана одна из таких соседних сборок.
На рис. 8 для субъединицы, показанной методом cartoon малиновым цветом,
показаны все соседствующие с ней субъединицы. Желтая, розовая, зеленая и голубая вместе с малиновой
являются частью гомооктамерной биологической сборки, в то время как оранжевая принадлежит соседней биологической сборке.
Для визуализации полярных контактов были проведены следующие манипуляции в PyMol:
select pol, 2xmd_0001 and resn Lys+Arg+His+Tyr+Asp+Glu+Ser+Thr+Cys+Asn+Gln select pol_neigh, (not 2xmd_0001) and resn Lys+Arg+His+Tyr+Asp+Glu+Ser+Thr+Cys+Asn+Gln #Выделить воду, потенциально образующую водяной мостик create h2o, (resn HOH w. 3.5 of pol) and (resn HOH w. 3.5 of pol_neigh) select pol_hoh, (br. all w. 3.5 of h2o) and not (pol or pol_neigh) select pol_cont, br. pol w. 3.5 of pol_neigh select pol_neigh_cont, br. pol_neigh w. 3.5 of pol show sticks, pol_hoh or pol_cont or pol_neigh_cont show spheres, h2o distance h1, h2o, pol_hoh, 3.5, 2 # mode=2 - водородные связи distance h2, h2o, pol_cont, 3.5, 2 distance h3, h2o, pol_neigh_cont, 3.5, 2 distance h4, pol_cont, pol_neigh_cont, 3.5, 2 distance h5, (pol_hoh and 2xmd_0001), (pol_hoh and not 2xmd_0001), 3.5, 2
На рис. 9 показана область полярного контакта между рассматриваемой малиновой субъединицей и голубой субъединицей, находящейся с малиновой в одной биологической сборке. Как видно из рисунка, во взаимодействие вносят вклад 2 водородные связи, 2 водяных мостика и дальняя электростатика между лизином голубой субъединицы и аспартатом малиновой.
На рис. 10 показана область полярного контакта между рассматриваемой малиновой субъединицей и желтой субъединицей, находящейся с малиновой в одной биологической сборке. Как видно из рисунка, скорее всего между этими субъединицами нет никакого взаимодействия. При ином взаиморасположении лизина одной субъединицы и аспартата другой между ними могли бы возникнуть значимые электростатические взаимодействия.
На рис. 11 показана область полярного контакта между рассматриваемой малиновой субъединицей и розовой субъединицей, находящейся с малиновой в одной биологической сборке. Как видно из рисунка, во взаимодействие вносят вклад 2 водородные связи и 2 водяных мостика.
На рис. 12 показана область полярного контакта между рассматриваемой малиновой субъединицей и оранжевой субъединицей, находящейся в соседней по кристаллу биологической сборке. Как видно из рисунка, во взаимодействие вносят вклад 4 водородные связи и 2 водяных мостика. Это единственные взаимодействия, обеспечивающие сборку кристалла.
Никаких взаимодействий полярных групп на интерфейсе малиновой и зеленой субъединиц обнаружено не было. Однако, после покраски по Eisenberg hydrophobicity scale с помощью скрипта стали очевидны значимые гидрофобные взаимодействия межды этими субъединицами (сессию pymol с раскраской можно скачать).
На рис. 13 показана область гидрофобных взаимодействий между рассматриваемой малиновой субъединицей и зеленой субъединицей, находящейся в одной биологической сборке с малиновой. Как видно из рисунка, во взаимодействие вносят вклад 6 фенилаланинов — по 3 от каждой субъединицы.
Суммируя, одна субъединица в кристалле соседствует с 5-ю другими, с 4-мя из которых она взаимодействует. 3 подобных контакта обуславливаются водородными связями и водяными мостиками, 1 — гидрофобной агрегацией. 3 образующихся контакта (2 полярных и 1 гидрофобный) ответственны за ассоциацию частиц в биологическую сборку, а 1 полярный — за построение из этих биологических сборок в кристалл.
Структура 3HDD содержит двухцепочечную ДНК и две молекулы гомеодоменов D. melanogaster, взаимодействующих с ДНК. При этом, как видно из рис. 14, одна из них (показана синим) находится прямо на краю молекулы ДНК. Это достаточно неестественное положение может быть объяснено особенностями кристаллизации и определения элементарной ячейки. Если достроить соседнюю ячейку, то становится видно, что синяя цепь белка также взаимодействует с цепью ДНК из этой ячейки (см. рис. 15). Также становится понятна роль трех молекул воды, закристаллизованных с левого края молекулы ДНК (на рис. 14)
На рис. 16 показаны взаимодействия обеих молекул ДНК с молекулой гомеодомена. Использованные команды PyMol аналогичны тем, что были использованы в предудыщем пункте. Как видно, в основном молекула гомеодомена взаимодействует с той же цепью ДНК, что находится с ней в одной ячейке (покрашена белым). Тем не менее есть водяные мостики между ДНК из соседней ячейки (показана голубым).
В этом пункте предлагается привести примеры структур PDB, для которых ассиметрическая единица не совпадает с биологической сборкой. В качестве первого случая, когда ассиметрическая единица состоит из меньшего количества цепей, чем биологическая сборка, можно привести уже рассмотренную структуру 2XMD бутирилхолинэстеразы челоека, для которой ассиметрическая единица состоит из 1 субъединица, а сборка — гомооктамер (см. рис. 17, ассиметрическая единица выделена красным).
Для иллюстрации обратного случая был использован расширенный поиск по базе PDB. В качетве примера случая, когда ассиметрическая единица содержит больше цепей, чем биологическая сборка, приведена структура 5F05 — глутатион трансфераза из Populus trihocarpa. Биологическая единица — гомодимер, показана на рис. 18 насыщенным синим и красным. Ассиметрическая единица состоит из 4 субъединиц, 2 добавочные субъединицы показаны светло-голубым и светло-розовым.
