Кирпичиков Роман


Задание 1. Prody и B-фактор

В данном задании рассматриваем белок 6AJW из практикума 2. Были найдены остатки с наибольшим и наименьшим средним B-фактором: THR-166 (Средний B-фактор: 42,01) и ILE-126 (17,80), соответственно. Ниже представлены записи о них из файла PDB, а на Рис.1 показано их положение в структуре.

ATOM    797  N   ILE A 126     -13.264 -10.383  12.171  1.00 16.88           N  
ATOM    798  CA  ILE A 126     -13.829 -10.548  10.832  1.00 16.96           C  
ATOM    799  C   ILE A 126     -14.951  -9.545  10.582  1.00 17.18           C  
ATOM    800  O   ILE A 126     -15.061  -8.983   9.488  1.00 17.80           O  
ATOM    801  CB  ILE A 126     -14.275 -12.007  10.612  1.00 17.67           C  
ATOM    802  CG1 ILE A 126     -13.043 -12.890  10.513  1.00 17.53           C  
ATOM    803  CG2 ILE A 126     -15.121 -12.145   9.350  1.00 19.14           C  
ATOM    804  CD1 ILE A 126     -13.335 -14.378  10.665  1.00 19.21           C  

ATOM   1130  N   THR A 166      -6.952 -24.174  14.336  1.00 36.41           N  
ATOM   1131  CA  THR A 166      -7.888 -24.927  15.173  1.00 40.96           C  
ATOM   1132  C   THR A 166      -9.113 -25.394  14.398  1.00 43.03           C  
ATOM   1133  O   THR A 166      -9.097 -26.460  13.777  1.00 43.54           O  
ATOM   1134  CB  THR A 166      -8.325 -24.142  16.431  1.00 42.84           C  
ATOM   1135  OG1 THR A 166      -7.167 -23.630  17.102  1.00 44.04           O  
ATOM   1136  CG2 THR A 166      -9.092 -25.050  17.382  1.00 43.24           C  

Рисунок 1. Остатки с наибольшим и наименьшим средним B-фактором

THR-166 является С-концом белка и никак не стабилизирован своим окружением, поэтому у него такой высокий средний B-фактор. ILE-126 участвует в образовании альфа-спирали, а также стабилизирован гидрофобным окружением (PHE-129, PHE-157, ILE-161, LEU-164, LEU-66, ALA-122).

Рисунок 2. Стабилизация ILE-126 гидрофобным окружением

Задание 2. B-фактор и расстояние до центра масс белка

У 6AJW Был рассчитан центр масс: x=-11,075; y=-0,807; z=8,462. Затем был построен scatter plot зависимости среднего B-фактора остатка от удалённости его центра масс от центра масс белка. Заметно, что разброс точек с увеличением значения B-фактора растёт по мере удаления от центра масс белка.

Рисунок 3. Scatter plot зависимости среднего B-фактора остатка от удалённости его центра масс от центра масс белка

Задание 3. Восстановление функции электронной плотности по экспериментальным данным

Целью данного задания было смоделировать электронную плотность линейной системы на отрезке 30 А из нескольких атомов, а затем разложить ее на гармоники Фурье (без потерь и с потерями данных).

Для работы взял молекулу H2S и MgS и рассчитал для них одномерную функцию элетронной плотности командой:

%run compile-func.py -g 1,3,4.16+16,3.25,5.63+1,3,7.1+16,3.25,11.9+12,3.35,12.95 -o func.txt

Рисунок 4. Исходная электронная плотность

Влияние числа гармоник в полном наборе на качество восстановления

Далее искалось n_0 - минимальное число гармоник Фурье при котором будет отличное восстановление функции электронной плотности.

Рисунок 5. Гармоники 0-3 и 0-10

На Рис.5 видим приближения 0-3 гармониками и 0-10 гармониками. Из них мы можем лишь примерно предположить где находятся молекулы.

Рисунок 6. Гармоники 0-30

На Рис.6 видим приближения 0-30 гармониками. Из них мы можем достаточно точно понять из каких атомов состоят молекулы и каковы расстояния между ними, за исключением атомов с малым числом электронов (в данном случае 2 водорода).

Рисунок 7. Гармоники 0-3 и 0-10

На Рис.7 видим приближения 0-38 гармониками. Это приближение уже позволяет нам уверенно обозначить водороды. Это отличное восстановление, мы нашли n_0.

Рисунок 8. Гармоники 0-50

На Рис.8 видим приближения 0-50 гармониками. При таком приближении мы уже практически не видим отличий от исходной функции элетронной плотности. Но такое высокое разрешение (0,6 А) труднодостижимо и избыточно, ведь нам достаточно различать сигнал водорода на фоне шума гармоник.

Влияние шума на качество синтеза Фурье

Далее смотрел при каком виде шума и при какой его доле приближения 0-30 гармоник и 0-38 гармоник сохраняют хорошее и отличное восстановление соответсвенно.

Рисунок 9. Гармоники 0-30 с шумом амплитуды 30%

На Рис.9 видим, что несмотря на 30% шум амплитуды мы можем различить всё те же атомы в молекулах, что и в отсутствие шума.

Рисунок 10. Гармоники 0-30 с шумом фазы 20%

На Рис.10 видим, что при 20% шуме фазы мы уже начинаем сомневаться где у нас сигнал от Mg, а где от S.

Рисунок 11. Гармоники 0-30 с шумом амплитуды и фазы 20%

На Рис.11 видим, что при 20% шуме амплитуды и фазы мы можем различить атомы, а можем и не различить, если повторим эксперимент с теми же параметрами.

Рисунок 12. Гармоники 0-38 с шумом амплитуды 5%

На Рис.12 видим, что при 5% шуме амплитуды мы можем различить всё те же атомы в молекулах, что и в отсутствие шума (водороды тоже).

Рисунок 13. Гармоники 0-38 с шумом фазы 5%

На Рис.13 видим, что при 5% шуме фазы мы можем различить всё те же атомы в молекулах, что и в отсутствие шума (водороды тоже).

Рисунок 14. Гармоники 0-38 с шумом амплитуды и фазы 5%

На Рис.14 видим, что при 5% шуме амплитуды и фазы мы можем различить всё те же атомы в молекулах, что и в отсутствие шума (водороды тоже).

Неполные наборы гармоник

Далее работал с неполными наборами гармоник, но уже без шума.

Рисунок 15. Наборы гармоник 1-38, 2-38 и 5-38 соответственно

На Рис.15 видим, что шум, относительно теоритической электронной плотности идёт в противофазе с недостающими гармониками. Также видим, что чем меньше начальных гармоник, тем меньше амплитуда (вклад начальных гармоник в амплитуду сигналов значим).

Рисунок 16. Наборы гармоник 0-14 + 16-38 и 0-24 + 26-38 соответственно

При выбрасывании только одной гармоники (Рис.16) видим, что чем выше номер гармоники, тем выше частота шума (еще одно подтверждения размышления выше о противофазе), образовавшего из-за отсутвия одной гармоники.

Рисунок 17. Набор гармоник 0-10 + 20-38

На Рис.17 видим, что если выбросить гармоники из середины набора, то амплитуда пиков уже не так сильно подвергается изменениям и амплитуда шума, появившего из-за этого выбрасывания ниже, чем в случае с отбрасыванием начальных гармоник, что говорит нам о том, что чем выше порядок гармоники, тем меньше её амплитуда.

Рисунок 18. Набор гармоник 0-30 + 38

На Рис.18 видим, что если выбросить гармоники из конца набора, то видимых изменений наблюдаться не будет (нет какой-либо разницы между набором 0-30 и 0-30 + 38). Что говорит о том, что амплитуда 38 гармоники очень мала.

Рисунок 19. Набор гармоник 0-38 + 48

На Рис.19 видим еще одно подтверждение утверждения выше. При добавлении 48 гармонике к набору 0-38 восстановленная электронная плотность ничем не отличается.


© Кирпичиков Роман, 2017