Pymol, электронная плотность

Задание 1. Pymol

Рассматриваемая структура: 5REP. На рисунке 1 представлены: лиганд T3G и два аминокислотных остатка (Gly143 и Cys145), которые, по-видимому, обеспечивают взаимодействие лиганда с белком с помощью водородных связей. Вероятно, между О2 лиганда T3G и азотом N Ser144 (точнее даже, его "остовной" NH-группой) может формироваться некоторое подобие водородной связи длины 3.2 Å (есть сомнения в том, что углы между атомами способствуют геометрии, "удобной" для формирования водородной связи, поэтому она не отмечена на рисунке).

Соответствующую сессию PyMol вы можете найти здесь

Задание 2. ЭП: хорошая и плохая расшифровки

В структуре 5YOK заметно большее количество unbound-воды в сравнении с 1FQX (возможно, это связано с тем, что 5YOK имеет лучшее разрешение, позволяющее выделить большее количество атомов). Кроме того, лиганд и белковая последовательность в составе 5YOK уже протонированны (но, вероятно, это может быть связано с различной предподготовкой структур, а не качеством расшифровки электронной плотности как таковой). Также в структуре 1FQX в составе лиганда меньше альтлоков,что, возможно, не говорит о лучшей разрешенности данной структуры. Более точные предположения мы можем сделать при взгляде на ЭП интересующих нас структур. Выберем 14-21 остатки В-цепей в составе 5YOK и 1FQX, покажем их электронную плотность на уровне обрезки 2.0 с различными значениями curve - 1.0, 1.5, 2.0.

Видно, что в случае 5YOK электронная плотность имеет вид хорошо оформленных сфер (рис. 2), иногда даже несколько вытянутых в направлении водородных атомов (это можно заметить на некоторых атомах азота в составе остова).

В структуре 1FQX электронная плотность на выбранном уровне подрезки локализуется преимущественно в области некоторых карбонильных атомов углерода (рис. 3). Возможно, это можно объяснить карбонильной связью -C=O, ведь двойная связь характеризуется некоторой "сконцентрированностью" электронов.
Структура 5YOK харатеризуется "хорошей", округлой формой ЭП на протяжении всего остова, а 1FQX - лишь некоторыми ее вкраплениями, которые помимо всего прочего зачастую плохо согласуются с положением атомов. Даже при задании значения уровня обрезки как 0.0 - 0.2 остов не покрывается полностью электронной плотностью.

Таким образом, мы предполагаем, что структуру 5YOK можно отнести к "качественно" разрешенным (предполагаемое разрешение < 1 Å), а 1FQX - к "плохоразрешенным" (предполагаемое разрешение > 2.5 Å).

Разрешение в структуре 5YOK: 0.85 Å
Разрешение в структуре 1FQX: 3.10 Å

Мы видим, что экспериментальные значения соответствуют нашим ожиданиям - структура 5YOK является хорошо разрешенной, а 1FQX - нет.

Задание 3. ЭП и положение в структуре

В этой задачке нам было интересно посмотреть, как изменяется вид электронной плотности вокруг остова структуры 5RED, при варьировании такого параметра как уровень обрезки. Мы изменяли его от 1 до 3 с шагом 0.5. При увеличении z-score (порога отсечки) у нас снижается % соответствующих электронных областей - соответственно, при понижении уровня порезки мы ожидаем увидеть увеличение плотности на картинке. По идее, это мы и наблюдали на практике (рис. 4).

Интересно, что некоторые участки молекул "лишаются" ЭП-оболочки уже при небольших отсечках. Мы можем предположить, что это связано с подвижностью данного участка молекулы - когда в течение некоторого времени электронная плотность не детектируется в данной области пространства. Подвижные участки характерны для поверхностных участков молекулы - некоторые белковые петли/хвосты достаточно активно движутся в водном растворе. Как мы бы могли это визуализировать? Попробуем окраску по В-фактору (сделаем стандартный градиент от синего к красному с понижением нижней границы до 10, чтобы не было слишком контрастного деления по цветовому признаку) + визуализацию ЭП разных цветов (серая при уровне обрезки 1.0 и бордовая при уровне обрезки 3.0). Соответвтенно, если будут участки молекулы, покрашенные в красный/беловато-красный и окруженные только серой сетки, то наша гипотеза найдет свое подтверждение (рис. 5).

Задание 4. ЭП и типы атомов

Уровень подрезки	Какие атомы покрыты
0.0	Преимущественно все
0.5	Преимущественно все
1.0	Оба атома фтора, частично - бензольное кольцо (С2, С3), -SO2- группа, N и N1 с прилежащими областями, карбонильная группа С10-О2
1.5	F, S, O, N, C10, O2, частично SG Cys145, ковалентно сшивающего лиганд с белком
2.0	S, O2, SG
2.5	O2, SG
3.0	SG

При увеличении порогового значения отсечки (повышении z-score), ЭП снижается, так как снижается % плотных областей, удовлетворяющих порогу. При уровне подрезки = 1.0, у нас остается ЭП на обоих атомах фтора, на 2 и 3 углеродах бензольного кольца, вся -SO2- группа остается покрытой ЭП, N и N1 с прилежащими областями, а также покрыта карбонильная группа C10-O2. По идее, большое количество электронов, длительное время пребывающее в интересующей нас области пространства, будет способствовать тому, что плотность будет оставаться на компонентах даже при высоких пороговых значениях. То-есть, по идее, если атом крупный, имеет относительно много электронов, то и его ЭП будет наблюдаться при больших порогах - тут мы говорим об атомах азота и серы, что вполне соответствует нашим наблюдениям при значении подрезки == 1. Также, я полагаю, хорошая ЭП будет наблюдаться в областях обобществления электронов - таких как двойные связи и ароматические системы, что мы также видим на примере карбонильной группы и участка ароматического кольца. Забавно, что, например, атомы углерода в составе гетероцикла, уже, фактически, не имеют покрытия ЭП при пороге отсечки == 1.0.