Задание 1. Вводное

В данном задании проводилось сравнения двух структур макродомена вируса венесуэльского конского энцефалита (VEEV) в комплексе с АДФ-рибозой, полученных двумя разными методами (РСА и ЯМР). У РСА-структуры (3GQO) разрешение 2.60 Å, ЯМР-структура (5MQX) имеет 21 модель. Для того, чтобы понять разницу между моделями, РСА-структура была наслоена на структуру ЯМР.

На макроуровне (рисунок 1) расположение и типы вторичной структуры совпадают у обеих моделей. На структурированных участках отличия видны не сильно (альфа-спирали почти идентичны, бета-тяжи очень похожи, но различаются слегка сильнее, чем альфа-спирали), но в районах петель и концов эти различия заметнее. Это может быть связано с тем, что геометрические и физико-химические ограничений больше для элементов вторичной структуры, чем для петель: для петель известны общехимические призникаи, т. к. длины связей, значения обычных и двугранных унлов, а для вторичной структуры добавляются еще те признаки, которые ее формиру (предпочтительные взаимодействия и типы остатков, расположение друг относительно друга). Положение аденозин-5-дифосфорибоза (APR) в РСА-структуре не похоже ни на одно из 21 моделей в ЯМР-структуре. Возможно, это связано с тем, что в РСА положение лигандов плохо разрешается из-за того, что наиболее часто для решения фазовой проблемы применяют метод молекулярного замещения с помощью которого можно получить положение лиганда только в гомологичной структуре, но не в исследуемой. В слчае ЯМР различия в положении лиганда могут быть объяснены менее строгими ограничениями на его положение в месте связвания.

На микроуровне видно (рисунок 2), что молекулы воды присутствуют только в РСА-структуре, т. к. в методе ЯМР либо просто гасят сигналы от обычной воды, либо используеют дейтерированную воду, чтобы убрать шумы от диполь-дипольных взаимодействий. Также только в ЯМР-структуре видны протоны. В РСА-структуре такого разрешения не могут быть протоны из эксперимента. Последовательности остатков совпадают, однако ротамеры различаются. Так, например триада HIS5/ASP138/SER3 в РСА-модели развернута так, что теряются 3 водородные свзяи, которые есть в ЯМР-модели. Наличие водородных связей кажется более адекватным с биологической точки зрения в данном месте структуры, чем их отсутствие.

Рисунок 1. Отличия на макроуровне структур макродомена вируса венесуэльского конского энцефалита (VEEV) в комплексе с АДФ-рибозой, полученных разными методами: желтая структура (3GQO) - РСА, серая (5MQX) - ЯМР.

Рисунок 2. Отличия на микроуровне структур макродомена вируса венесуэльского конского энцефалита (VEEV) в комплексе с АДФ-рибозой, полученных разными методами: желтая структура (3GQO) - РСА, серая (5MQX) - ЯМР.

Задание 2. RMSF

Рисунок 3. Scatter plot зависимости B-фактора от RMSF.

По графику видно, что в среднем большим значеням RMSF соответствуют большие значения B-фактора. Эта зависимоть прослеживается не всегда: есть точки с малым RMSF и большим B-фактором, и наоборот. Первых точек больше, чем вторых, поэтому можно предположить, что вероятность высоких значений B-фактора при высоких значениях RMSF больше, чем вероятность высоких значений RMSF при высоких значениях B-фактора. Таким образом, можно грубо прикинуть, в какой мере ансамбль моделей в записи PDB, полученной методом ЯМР, действительно можно принять за отражение подвижности белка, взяв для сравнения значения B-факторов из модели РСА.

Задание 3. Водородные связи

По результатам таблицы 1 видно, что наличие водородной связи в определенной позиции в структуре, полученной методом РСА, не всегда говорит о том, что в ЯМР-структуре на том же месте тоже будет водородная связи. Как мне кажетя, наличие водородной связи в моделях, полученных разными методами наиболее вероятны в тех случаях, когда эти водородные структурно важны или малоподвижны. Так водородная связь между backbone VAL104 и AVA140 в бета-листе (рисунок 4) присутствовала и в РСА-структуре, и во всех моделях ЯМР. Боковые цепи аминокислот подвижны, из-за этого не во всех моделях ЯМР может присутствовать водородная связь, которая была в РСА-моделе. В случае водородной связи между SER44 альфа-спирали и HIS67 бета-листа (рисунок 5) всего 5% моделей ЯМР имеют водородную связь. Это может быть связано с неправильным определением РСА структуры в данном месте (в электронную плотность остатки вписаны либо неправильно, либо не те), а также с неполнотой данных об ограничениях на расстояния и ковалентную связность, получаемых из ЯМР-эксперимента. В каких-то случаях неполнота данных вызвана шумом в данных и неидеальностью эксперимента или является следствием подвижности атомов. В случае водородных связей между остатками петель неполнота скорее всего связана с подвижностью. Этим может быть обусловлено наличие водородной связи только примерно в половине моделей ЯМР между HIS64 и TYR101 (рисунок 6).

Таблица 1. Сравнение параметров водородных свзяей в структурах, полученных методами ЯМР и РСА.

Номера остатков Типы остатков Атомы, образующие водородную связь Элементы вторичной структуры Расположение Расстояние в РСА Процент моделей ЯМР, в которых есть водородная связь Минимальное, максимальное и медианное значение расстояния в ЯМР Номер рисунка
104-140 VAL-ALA =O - - H-N- Бета-лист-бета-лист В ядре 2.8 Å 100% 2.0 Å, 3.0 Å, 2.3 Å 4
44-67 SER-HIS =O - - H-N- Альфа-спираль-бета-лист В ядре 2.5 Å 5% 2.6 Å, 10.7 Å, 6.7 Å 5
64-101 HIS-TYR -N - - H-O- Петля-петля На поверхности 2.8 Å 57% 2.0 Å, 5.1 Å, 3.4 Å 6

Рисунок 4. Водородная связь между атомами остова в ядре белка.

Рисунок 5. Водородная связь боковых цепей в ядре белка.

Рисунок 6. Водородная связь в петлях, выходящих на поверхность глобулы.