1. Взаимодействия с белками соседних ячеек

Информация о выбранной кристаллографами элементарной ячейке находится в PDB-файле в строке с идентификатором CRYST1. В частности, в выбранной мною структуре крамбина с идентификатором 3NIR поле CRYST1 выглядит как:

CRYST1   22.329   18.471   40.769  90.00  90.55  90.00 P 1 21 1      2
       

У файла PDB позиционная архитектура, его оформление строго регламентировано и подчиняется соответствующим правилам. Согласно этим правилам, строка CRYST1 оформляется так:

Символы 1-6 : название строки (CRYST1)
Символы 7-15 : вектор a
Символы 16-24: вектор b
Символы 25-33: вектор c
Символы 34-40: угол α
Символы 41-47: угол β
Символы 48-54: угол γ
Символы 56-66: группа, к которой принадлежит кристалл (sGroup)
Символы 67-70: z-значение

Взаимное расположение векторов a,b,c и углов α, угол β и угол γ показано на рисунке 1. sGroup определяется как группа по символике Германа-Могена. z-значение соответствует количеству молекул в элементарной ячейке.

Таким образом, в структуре 3NIR векторы a,b,c равны соответственно 22.329, 18.471 и 40.769 ангстрем, углы α, β и &gamma равны 90.00, 90.55 и 90.00 соответственно. Таким образом, ячейка имеет форму почти правильного параллелепипеда.
Кристаллическая ячейка принадлежит к группе P 1 21 1. Эта группа является второй по представленности в PDB и в октябре 2016-го года запрос дает больше 18000 структур с такой архитектурой (запрос).

Рисунок 1. Взаимное расположение векторов a,b,c и углов α, угол β и угол γ в ячейке кристалла.

Выбор элементарной ячейки в достаточной степени произволен, поэтому, для удобства изображения, в качестве элементарной была выбрана ячейка, изображенная на рисунке 2.

Рисунок 2. Элементаная ячейка кристалла крамбина.Красным показана исходная структура, а зеленым -- восстановленная соответствующей командой в PyMOL.

Далее была восстановлена часть кристалла, изображенная на рисунке 3.

a	b	c	d

Рисунок 3. Восстановленная часть кристаллав радиусе 30 ангстрем от оригинальной структуры. а. Расположение одной элементарной ячейки (показана красным) в кристалле. b,c,d. Изображение кристалла в трех проекциях.

Теперь посмотрим на взаимодействия белков в кристалле (рис. 4). Можно заметить, что практически все аминокислоты крамбина принимают участие во взаимодействии внутри кристалла.

Рисунок 4. Взаимодействия между ячейками в кристалле крамбина в четырех ракурсах. Показаны контакты только для одной молекулы белка в ячейке, вторая помечена желтым.

Взаимодействия между кристаллами по большей части гидрофобные, сам кристалл достаточно плотный. Такая структура может объяснятся ролью крамбина -- это запасной белок, который должен образовывать компактные гранулы в клетке (кристаллы), поэтому важной его характеристикой является образование компактных кристаллов, в которых должно быть мало воды, чтобы они не набухали. Легкость образования кристаллов, плотные контакты в них и гидрофобная природа внутрикристаллических взаимодействий объясняют высокое качество разрешения структуры.

2. Расположение белковых цепей в структуре ДНК-белкового комплекса 3HDD

Идентификатор 3HDD соответствует комплексу гомеодомена дрозофилы с ДНК. При этом из самой структуры (рис. 5) следует, что гомеодомен связывается с концами двуцепочечной ДНК, что не согласуется с биологическими данными как по гомеодоменам, так и по двуцепочечной ДНК.

Рисунок 5. Структура с идентификатором 3HDD

Достроим цепь ДНК по данным о симметрии (рис. 6). Видно, что концевые нуклеотиды на достроенной цепи и на оригинальной комплементарны, аминокислотные остатки второго (сидящего на "конце") домена образуют такие же контакты с достроенной цепью, что и первый домен с оригинальной. Также можно заметить, что на достроенной цепи два домена связаны с палиндромным участком, что характерно для множества ДНК-связывающих белков.

a	b	c

Рисунок 6. a. Достроенная по симметрии структура (показана серым) и оригинальная структура (показана в цвете). b. Контакты с ДНК домена, связывающегося с серединой участка в структуре. c. Контакты субъединицы оригинальной структуры с достроенной цепью ДНК. Такие же контакты изображены на рисунке b справа.

Таким образом, данная структура не говорит о том, что гомеодомен взаимодействует с концами двуцепочечной ДНК, хотя на первый взгляд и создается такое впечатление.

3. Примеры PDB файлов, ассиметрические единицы которых не совпадают с биологической единицей

Белки зачастую фукнционируют в виде олигомеров -- комплексов из двух и более молекул белка. Соответственно, поскольку мономеры в этих комплексах соединены достаточно прочно, эти связи могут принимать участие в образовании кристаллов.
Биологической единицей называется та структура, в виде которой белок выполняет свою функцию. Ассиметрической единицей называется комплекс, образующийся в ячейке кристалла.
Для выполнения задания был проведен расширенный поиск (advanced search) в базе RCSB структур, ассиметрические единицы которых содержат 1-2 молекулы белка, а биологические единицы -- больше трех молекул. Было выбрано две структуры, отвечающие этим требованиям:
1. Структура с идентификатором 5HGP (рис. 7), соответствующая белку вируса иммунодифицита человека, который образует поры в капсиде, через которые транспортируются нуклеотиды, способствуя синтезу ДНК внутри капсида. Такой механизм нужен для защиты от цитозольных нуклеаз и обеспечения эффективной обратной транскрипции. Биологическая единица состоит из шести субъединиц, в то время, как ассимерическая единица в кристалле состоит всего из одной молекулы белка, расположение которой в ячейке можно посмотреть здесь.

a	b

Рисунок 7. a. Биологическая единица белка 5HGP. Достроенная по симметрии структура показана серым, оригинальная структура показана в цвете. b. Ассиметрическая едница белка 5HGP в кристалле, состоит всего из одной молекулы.

2. Структура с идентификатором 5HP7 (рис. 8), соответствующая гидролазе RidA из Резуховидки Таля Arabidopsis thaliana. Биологическая единица состоит из трех доменов, в то время, как ассиметрическая единица в кристалле, опять же, состоит из одной молекулы. Расположение этой молекулы в ячейке можно посмотреть здесь.

a	b

Рисунок 8. a. Биологическая единица белка 5HP7. Достроенная по симметрии структура показана серым, оригинальная структура показана в цвете. b. Ассиметрическая едница белка 5HP7 в кристалле, состоит всего из одной молекулы.

Из этого можно сделать вывод, что взаимное расположение молекул в кристалле не обязательно отражает какое-либо взаимодействие, встречающееся в природе.