Сравнение ЯМР- и РСА-структур одного белка

Задача: сравнить 3 водородные связи в структурах белка, расшифрованных с помощью ЯМР и РСА.

Для работы выбрана низкомолекулярная тирозин фосфатаза (low molecular weight protein-tyrosine phosphatase), структура которой расшифрована обоими методами. Молекулярная масса 17.95 KDa, длина 157 АА.

Структура расшифрованная методом ЯМР: 1bvh. 15 моделей ЯМР.
Структура расшифрованная методом РСА: 1dg9. Разрешение 1.9 Å

Сначала визуализировали все водородные связи в структуре, полученной методом РСА. Чтобы показать водородные связи в PyMOL использовали следующие команды:

	distance hbond, name N*, name O*, 3.5, mode=2 
	# показать все водородные связи (критерий – расстояние между атомами менее 3.5 Å

	distance hbond, name N* &bb., name O* &bb., 3.5, mode=2 
	# водородные связи только между атомами остова

	distance hbond, name N* & (not bb.), name O* & (not bb.), 3.5, mode=2 
	# водородные связи только между атомами боковых цепей.

Для анализа выбрала несколько водородных связей и затем вручную мерила расстояния между теми же атомами в 15 структурах, полученных методом ЯМР (Wizard --> Measurement). Данные вносила в таблицу. Сводная таблица представлена внизу страницы (Таблица 1).

Водородная связь в бета-листе.

Я выбрала связь ILE88(O) - GLU114(N) между атомами остова в бета-листе. Эта связь есть во всех ЯМР структурах.

Рисунок 1. Водородная связь в бета-листе между атомами остова остатков ILE88(O) и GLU114(N) в структуре полученной методом РСА. На картинках, полученных в PyMOL, здесь и далее расстояние между атомами показано желтым пунктиром, интересующие остатки показаны палочками.

Рисунок 2. Водородная связь в бета-листе ILE88(O) - GLU114(N) сохраняется в структурах полученных методом ЯМР (покрашены зеленым). Для сравнения эти остатки и водородная связь в РСА модели (покращина голубым).

Водородная связь в альфа-спирали.

Водородная связь в альфа-спирали (GLU23 (O)-ARG27(N)) также сохраняется во всех стуктурах, расшифрованных методом ЯМР. Интересно, что в структуре, полученной методом РСА есть также водородная связь между атомами боковой цепи (GLU23(OE1)-ARG27(NH2)), но эта связь не сохраняется в ЯМР моделях.

Рисунок 3. Водородная связь в альфа спирали между атомами остова остатков GLU23 (O)-ARG27(N) в структуре полученной методом РСА. Также в кристалле есть водородная связь между атомами боковых цепей этих остатков GLU23(OE1)-ARG27(NH2).

Рисунок 4. Водородная связь в альфа спирали между атомами остова остатков GLU23 (O)-ARG27(N) в структурах полученных методом ЯМР. Водородная связь между атомами боковых цепей этих остатков GLU23(OE1)-ARG27(NH2) не сохраняется ни в одной из структур, полученных методом ЯМР. На рисунке голубым остатки GLU23 и ARG27 в кристалле, зеленым – в растворе (из ЯМР модели 12).

Водородные связи между атомами боковых цепей в ядре белка.

Боковые цепи аминокислотных остатков более подвижны в растворе, чем остов, поэтому водородные связи между атомами боковых цепей в кристалле могут быть артефактом кристаллизации. На картинках ниже показаны водородные связи между атомами боковых цепей остатков ASN15, SER19, SER43, HIS72 в ядре глобулы в модели РСА. Из водородных связей существующих в кристалле в моделях ЯМР сохраняется только одная из связей, и то только в 33% случаев.

Рисунок 5. Водородные связи между атомами боковых цепей остатков ASN15, SER19, SER43, HIS72 в кристалле.

Рисунок 6. Водородные связи между атомами боковых цепей остатков ASN15, SER19, SER43, HIS72 в 8-ой модели ЯМР. Сохраняется только водородная связь SER43(OG)-ASN15(ND2).

Рисунок 7. Водородные связи между атомами боковых цепей остатков ASN15, SER19, SER43, HIS72 в 10-ой модели ЯМР. Водородных связей нет.

Водородная связь в петле, выходящей на поверхность глобулы

Для анализа выбрала водородную связь между атомами остова остатков ASP48(N) и VAL51(O), входящих в экспонированную петлю. Данная водордная связь сохраняется только в одной модели ЯМР.

Рисунок 8. Водородная связь в петле, выходящей на поверхность глобулы в кристалле ASP48(N) - VAL51(O).

Рисунок 9. Водородная связь в петле, выходящей на поверхность глобулы в кристалле ASP48(N) - VAL51(O) видна только в одной модели ЯМР – в 6-ой (рисунок А). В других расстояние между этими атомами больше (рисунок В)

Сводная таблица

Полученные данные проанализированы и собраны в таблицу 1.

Таблица 1. Сравние водородных связей в структурах белка, расшифрованных с помощью ЯМР и РСА.

					Связь, образованная остатками боковых цепей
Положение связи			β-лист внутри глобулы	α-спираль внутри глобулы	боковые цепи остатков, образующих альфа-спираль	боковые цепи остатков внутри ядра			в гибкой петле на поверхности глобулы
Обозначение			beta	alfa	sc_alpha	sc_core1	sc_core2	sc_core3	loop
Остатки формирующие водородную связь			ILE88(O) - GLU114(N)	GLU23(O)-ARG27(N)	GLU23(OE1)-ARG27(NH2)	ASN15(OD1)-HIS72(NE2)	SER43(OG)-ASN15(ND2)	SER19(OG)-ASN15(ND2)	ASP48(N)-VAL51(O)
Расстояние в РСА (Å)			2,9	2,9	2,8	2,7	2,8	2,9	3,4
Число моделей ЯМР, где есть водородная связь			15	15	0	0	5	0	1
% моделей ЯМР, где есть водородная связь			100%	100%	0%	0%	33%	0%	7%
расстояния в ЯМР между остатками	есть водородная связь	median	3,1	3,2	-	-	2,8	-	2,9
		min	2,7	3,1	-	-	2,7	-	2,9
		max	3,3	3,3	-	-	3,5	-	2,9
	нет водородной связи	median	-	-	7,8	6,3	4,25	7,8	4,25
		min	-	-	5,5	4,5	3,7	5,5	3,8
		max	-	-	11,8	9,4	7,6	11,8	5,3

Более подробную информацию можно получить из таблицы Excel, в которой собраны все полученные мной данные и в которой велись рассчеты:
Полная таблица

Выводы:

Водородные связи в альфа-спиралях и бета-листах между электроотрицательными атомами остова устойчивы и сохраняются как в кристалле, так и в растворе;
Водородные связи в петлях, которые есть в кристалле в моделях ЯМР могут не наблюдаться, так как эти участки подвижны;
Водородные связи, образованные остатками боковых цепей, могут быть артефактами кристаллизации, хотя некоторые водородные связи есть и в РСА-структуре, и в ЯМР структуре.

Учебный сайт Анастасии Тепловой

Семестры