Выбор белка и структуры

Для выполнения задания была выбрана структура с идентификатором 3NIR (рис. 1а,b). Эта струтктура соответствует крамбину: запасному белку Катрана испанского Crambe hispanica (рис. 1c), от родового названия которого он и получил свое имя.
Крамбин -- маленький белок (46 аминокислотных остатков), образует очень хорошие кристаллы, что явилось причиной его интенсивного кристаллографического исследования. В частности, структура с самым высоким разрешением 0.48 Ангстрем была получена именно для крамбина в 2011 году.

a	b	c

Рисунок 1. а. Структура белка. Видно, что присутствует одна альфа-спираль и один маленький бета-лист. b. Вид поверхности белка. Можно заметить, что крамбин -- достаточно компактный белок. c. Внешний вид Катрана испанского.

Выбранная струткура удовлетворяет условиям:
1. На сервере EDS лежат экспериментальные данные определения структуры, которые можно скачать.
2. С помощью сервиса PDBeFold я проверил наличие в базе PDB гомологичный структур. При использовании порогов RMSD -- от 0.5 до 3 Ангстрем и N_align > 40%, получается 13 структур.

Характеристики выбранной структуры:
1. Разрешение: 0.48 Ангстрем
2. Покрытие: 96.6%
3. Количество использованных членов ряда Фурье: 156860

1. Изображение электронной плотности вокруг полипептидной цепи

Визуализировалась электронная плотность с помощью файла, скаченного с сервера EDS пакетом PyMOL. Визуализация была проведена на девяти уровнях подрезки -- от 0.1σ до 6σ (рис.2).
На уровне 0.1σ можно видеть общую форму белка, прослеживается расположение полипептидной цепи в пространстве. Однако понять, где расположены атомы и сколько их, невозможно. На уровне 0.5σ уже видно несколько больше, можно примерно видеть, где расположены атомы. На уровнях 1-2σ достигается атомарное разрешение и видны молекулярные орбитали (валентные) орбитали. Однако невероятно высокое разрешение структуры позволяет увидеть и более низкие -- невалентные орбитали, а также установить амплитуды колебаний атомов в кристаллической решетке. Также на самых высоких уровнях (5-6σ) пропадает сигнал от некоторых участков цепи.

Рисунок 2. Электронная плотность вокруг полипептидной цепи при девяти уровнях подрезки. Значение параметра carve, задающего уровень отсечения сигнала от соседних атомов, постоянно и равно двум.

2. Построение изображения электронной плотности вокруг остатков: Y44, V8 и N14

Далее я построил изображения электронной плотности для трех остатков: 44-го тирозина, 8-го валина и 140-го аспарагина (рис. 3). В случае тирозина даже при очень низком уровне подрезки (0.1σ) заметна ароматическая структура, и тирозин в принципе угадывается. При повышении уровня подрезки до 1σ, структура уже очень четко видна. Видны даже орбитали атомоа водорода в ароматическом кольце. Поскольку на этих двух уровнях все отчетливо видно, можно сделать вывод, что 44-й тирозин в кристалле колеблется очень слабо. Дальнейшее повышение уровня подрезки до 5σ приводит к тому, что орбитали атома водорода пропадают и становятся видны предположительно 1s-орбитали углерода.
Если рассмотреть остаток восьмого валина, то можно заметить, что при уровнях подрезки 0.1σ и 1σ картина очень размытая, а при уровне 5σ поверхности имеют вытянутую форму. Я не нахожу этому другого объяснения, кроме того, что были детектированы колебания этого остатка в кристалле, которые и дали размазывание поверхностей для первых двух уровней. Также в PDB-файле для этого остатка есть несколько конфигураций.
В случае 14-го аспарагина, при низком уровне подрезки аминокислота угадывается слабо, а при среднем уже очень хорошо.

	level = 0.1σ	level = 1.0σ	level = 5.0σ
Y44
V8
N14

Рисунок 3. Электронная плотность вокруг трех аминокислотных остатков:Y44, V8 и N14 при трех уровнях подрезки: 0.1σ, 1σ и 5σ Значение параметра carve, задающего уровень отсечения сигнала от соседних атомов, постоянно и равно двум.

Заключение

Визуализация электронной плотности вокруг полипептидной цепи и трех разных по своей природе аминокислотных остатков показала, что структура крамбина разрешена не только достаточно хорошо, чтобы угадывалась последовательность аминокислот и их примерное расположение, но и достаточно хорошо для исследования молекулярных и атомных орбиталей. Так, зная среднюю энергию электронов, можно, выставляя разные уровни подрезки, определять энергию различных частей молекулярных орбиталей. Так, можно заметить, что электронная плотность sp3-гибридной связи углерод-углерод пропадает раньше, чем в sp2-гибридной связи углерод-углерод ароматического кольца, что означает, что последняя имеет более высокую энергию разрыва, что в свою очаредь согласуется с квантово-механичческими рассчетами.
Также такое разрешение позволяет оценить колебания атомов в кристаллической решетке, их амплитуду и вероятность каждого из состояний.