Интерпретация ЯМР структуры

Сокращения:
РСА — ренген-структурный анализ
ЯМР — ядерный магнитный резонанс

Крупные белки мочи (major mouse urinary proteins) экспрессируются и секретируются только у созревших мышей мужского пола и играют роль в репродуктивном цикле мышей, действуя как феромоны (PMID: 10583419).

1JV4 — структура, расшифрованная методом РСА, с разрешением 1.75 Å.
1DF3 — структура того же белка, полученная методом ЯМР. Имеет 10 моделей.

Рассмотрели три водородные связи разного характера в ЯМР- и РСА-структуре. Длину водородной связи считали меньше 3.5 Å, также проверяли, что водород лежит на прямой между донором или акцептором с отклонением 70 градусов. Результаты описаны в таблице 1. В последних трех столбцах указаны соответствующие значения в 10 моделях ЯМР-структуры.

Таблица 1. Сравнение нескольких водородных связей в 1JV4 и 1DF3.

Водородная связь остова Ala103/O-Gly118/N

Водородная связь Ala103/O-Gly118/N в ядре белка — одна из формирующих бета-лист. Она обнаружена во всех ЯМР моделях с незначительным разбросом длины (3.0-3.2Å). На рис.1 изображена эта связь в 9 модели.

Рис. 1. Водородная связь остова Ala103/O-Gly118/N в 9 модели ЯМР-структуры.

Водородная связь боковых цепей Asn88/OD1-Asn107/ND2

Остатки со связью между боковыми группами Asn88/OD1 и Asn107/ND2 лежат в соседних бета-цепях в ядре белка (рис. 2А). Среди ЯМР-моделей оказался большой разброс в расстояниях между этими атомами. Выделяются две группы моделей: (1) расстояние между донором и акцептором — 3.0-3.2Å; (2) 5.6-5.8Å. Можно заметить, что конформации боковых цепей (особенно Asn88) имеют сходство в каждой группе. Может быть, существуют две "удобные" конформации боковых цепей, которые мы и видим на рис. 2БВ. В любом случае, понятно, что водородные связи, сформированные атомами боковых групп в ядре белка, имеют бОльшую вариабельность по длине и вообще по присутствию связи.

Рис. 2. Водородная связь Asn88/OD1-Asn107/ND2 в ядре (А) в РСА-структуре (отмечена длина 2.9 Å); (Б) модели ЯМР структуры, где есть связь (отмечена длина 3.0 Å); (В) модели ЯМР структуры с большим расстоянием между атомами (отмечена длина 5.8 Å).

Водородная связь в петле Ser4/OG-Thr6/N

Атомы Ser4/OG и Thr6/N принадлежат петле, которая находится на поверхности глобулы и образуют водородную связь (рис. 3). Водородной связи между ними не оказалось ни в одной модели ЯМР: расстояние не меньше 5.7 Å. Видимо, в петлях на поверхности белка водородные связи еще более вариабельны.

Рис. 3. Водородная связь в петле Ser4/OG-Thr6/N в РСА-структуре.

Результат "0%" моделей со связью Ser4/OG-Thr6/N в петле не очень устроил, поэтому было решено еще поискать аналогичные связи.

Спираль в РСА, но петля в ЯМР

При просмотре двух структур сразу заметно, что в РСА-модели есть спираль Lys28-Ile32 на поверхности глобулы, которой нет в ЯМР-модели белка. В ЯМР эти остатки образовали петлю, а не спираль (рис. 4).

Рис. 4. Вторичная структура участка 28-32 в РСА-модели (слева) и ЯМР-модели (справа).

В структуре, полученной РСА, спираль формируется за счет двух водородных связей остова: Lys28/O-Lys31/N и Arg29/O-Ile32/N (рис.5).

Рис. 5. Две водородные связи в спирали 28-32 в РСА-структуре.

Но в ЯМР-моделях на участке 28-32 есть только одна из этих водородных связей: Arg29/O-Ile32/N. Кроме нее есть еще одна связь в остове (Lys28/O-Glu30/N) (рис. 6), но, видимо, такими водородными связями стерически сложно образовать спираль.

Рис. 6. Водородные связи, которые не формируют спираль в ЯМР-структуре. Желтым пунктиром показаны связи между указанными на картинке атомами во всех моделях. Но изображена структура только одной модели (2), чтобы не загружать рисунок.

Получается, что рассмотрели еще один пример вариабельности водородных связей в петле снаружи глобулы.

Вывод

Видимо, внутри глобулы конформация остатков, а значит и присутствие или длина остовных водородных связей, более консервативна. Такие водородные связи обеспечивают формирование вторичной структуры ядра белка. Водородные связи между боковыми цепями остатков внутри глобулы более вариабельны. И самая большая варибельность водородных связей между остатками в петлях на поверхности глобулы. Наверное, потому, что они имеют наибольший контакт с растворителем, положение молекул которого все время различается и образуются разные водородные связи. К тому же в петлях не нужно такое постоянство вторичной структуры, как в ядре белка, где может находиться активный центр. Получается, что ЯМР позволяет понять, какие остатки наиболее вариабельны своей пространственной структурой в растворе, а какие — наоборот. А РСА дает понять, какие части структуры более-менее постоянны в кристалле.

← Назад к семестру