Восстановление "экспериментальной" электронной плотности

Выбор структуры

Для работы я выбрала белок Глюкокиназу с PDB ID 3vev. Глюкокиназа катализирует реакцию превращение D-глюкозы в D-глюкозо-6-фосфат, сопровождающуюся гидролизом АТФ.

Схема реакции Глюкокиназы

Рисунок 1. Реакция превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат, катализируемая глюкокиназой. Источник [1].

Кристаллическая структура 3vev с разрешением 1.8 Å представлет из себя глюкокиназу в комплексе с глюкозой и активатором.

Выбранная структура соответствует требованиям:

  1. Со страницы структуры на сайте PDBe доступен для скачивания файл с электронной плотностью и файл структурных факторов.
  2. Имеются подходящие структуры белков, сходных c выбранным белком. Таблица находок PDBeFOLD. Есть 5 или более разных белков с RMSD (колонка с оценкой сходства) от 0,8 до 3 ангстрем и N_align от 50% (235 AA) до 90% (423 AA) от числа аминокислотных остатков входного белка (470 АA).
  3. По результатам расшифровки структуры опубликована статья [2].

Построение изображения электронной плотности вокруг остова полипептидной цепи

При визуализации используются не физические единицы измерения — "заряд/кубический ангстрем", а статистические — превышение Z сигнала над шумом. Для вычисления Z рассчитывается среднее значение ЭП по ячейке кристалла M и среднее квадратичное отклонение σ . Для каждой точки вычисляется Z = (R – M)/σ. Здесь R — значение ЭП в данной точке пространства (x,y,z) в физических единицах, Z — значение ЭП "в сигмах" в той же точке.

Загружаем PDB-файл и файл с электронной плотностью, оставляем только атомы остова.

 
	   load pdb3vev.ent, protein    #загружаем pdb файл со структурой 
	   load 3vev.ccp4, map          #загружаем карту электронной плотности
	   remove hetatm                #убираем воду и лиганды
	   remove sc.                   #убираем атомы боковых цепей
	   #таким образом остается только остов (bb.)

Чтобы изобразить электронную плотность с уровнем подрезки 0.5, нужна следующая команда:

	isomesh new_surface, map, 0.5, bb., carve = 2.0

Изображение электронной плотности с разными уровнями подрезки представлено на риисунке 1. Видно, что при увеличении уровня подрезки электронная плотность концентрируется, сужается к центрам атомов. Также можно заметить, что с увеличением уровня подрезки "оголяются" N- и С-концы, а также экспонированные петли. Возможно, это происходит из-за того, что данные части глобулы более подвижны.

Рисунок 1. Электронная плотность вокруг остова полипептидной цепи с разным уровнем подрезки.
Чтобы увеличить картинку, нажмите на нее.

Рисунок 2. Электронная плотность вокруг остова полипептидной цепи с σ = 3. При таком уровне подрезки подвижные участки белковой глобулы (N- и С-конец, петли) "оголяются".
Чтобы увеличить картинку, нажмите на нее.

Построение изображения электронной плотности вокруг вокруг трех различных аминокислотных остатков

Рисунок 2. Электронная плотность вокруг остатка Tyr297 с разным уровнем подрезки.
Чтобы увеличить картинку, нажмите на нее.

Рисунок 3. Электронная плотность вокруг остатка Asp78 с разным уровнем подрезки.
Чтобы увеличить картинку, нажмите на нее.

Рисунок 4. Электронная плотность вокруг остатка Val55 с разным уровнем подрезки.
Чтобы увеличить картинку, нажмите на нее.

> При высоких уровнях подрезки электронная плотность лучше сохраняется на атомах азота и кислорода, чем на атомах углерода.

> На ароматическом остатке Tyr297 электронная плотность сохраняется лучше, чем на Val55.

Ссылки:

[1] Wikipedia.org/Glucokinase
[2] Liu S. et. al. Insights into mechanism of glucokinase activation: observation of multiple distinct protein conformations. The Journal of Biological Chemistry. Feb 2012, 287(17):13598-13610. DOI: 10.1074/jbc.M111.274126 pdf