Кристалл

Информация о белке

Для выполнения работы был выбран белок рибонуклеотид редуктаза.
Общая информация:

PDB ID: 3R1R
Белок для кристаллизации был выделен из Escherichia coli.
Разрешение 2.5 ангстрема.
Катализирует реакцию "2'-deoxyribonucleoside diphosphate + thioredoxin disulfide + H(2)O = ribonucleoside diphosphate + thioredoxin"

Кристаллографические характеристики белка из записи PDB:
CRYST1 224.610 224.610 336.630 90.00 90.00 120.00 H 3 2 72

Первые три числа обозначают длины направляющих векторов ячейки: 224.610 224.610 336.630
Вторые три числа обозначают углы между направляющими векторами:90.00 90.00 120.00
Следующая буква и два числа обозначают кристаллогрфическую группу - H 3 2 72.
Последнее число обозначает число молекул в ячейке: 72.

Рисунок 0. Информация о группе симметрии кристалла. Ацентрическая хиральная группа [5].

Структура белка была визуализирована с помощью программы PyMol. Его изображение показано на рисунке 1. Белок состоит из 3х цепей, две из которых соединены тонкой перемычкой.

Рисунок 1. Изображение белка.

Взаимодействия белка с субъединицами из соседних ячеек

Положение белка в кристалле относительно элементарной ячейки показано на рисунке 2. Видно, что молекула находится на краю элементарной ячейки.

Рисунок 2. Изображение белка внутри элементарной ячейки. Здесь и далее цепь А покрашена зеленым, В-бирюзовым, С-малиновым.

Было интересно посмотреть, как соседние белки расположены в кристалле при таком типе симметрии.
С помощью команды "symexp sym" в PyMol была воссоздана структура кристалла на расстоянии 5 А от белка. Она поэтапно рассматривается на рисунках 3 - 5.

Рисунок 3. Изображение 2-х соседних белков с разных ракурсов. Исходный белок покрашен оранжевым. Видно, что бирюзовые цепи В соединяются по трое.

Рисунок 4. Изображение множественных контактов с разных ракурсов. Исходный белок покрашен оранжевым. Видно, что малиновые (С) цепи соединяются по пять. Получается чередование: "пятимеры" чередуются с "тримерами" в одном слое.

Если посмотреть на образовавшуюся структуру сверху (рис. 4 нижняя панель), то видно, что субъединицы разных белков объединяются, формируя своеобразные упорядоченные ячейки.

Рисунок 5. "Вид сверху".

интересно воссоздать большую область структуры кристалла. На рисунках 6 и 7 показаны белки, находящиеся на расстоянии 10 А от исходного.

Рисунок 6.1 "Вид сверху".

Рисунок 6.2 "Вид сверху". Визуализация поверхностей. [1]

Рисунок 7. "Вид сбоку".

Видно, что белки образуют регулярные слои, расположенные друг относительно друга, вероятно, по следующему правилу: Цепь А всегда контактирует с цепью А, цепь С с цепью В.

Взаимодействие белков в кристалле. Водородные связи

Думаю, логично будет попробовать найти гидрофобные контакты, водородные связи и полярные взаимодействия между соседними белками.

Гидрофобные контакты

Для визуализации гидрофобных контактов средствами Pymol была построена поверхность белка с визуализацией гидрофобных остатков.

Рисунок 8. Изображение гидрофобной поверхности "мономера". Видно, что в некоторых местах наблюдается выход гидрофобных остатков на поверхность белка.

Рисунок 9. Изображение вероятных гидрофобных контактов между белками одного слоя.

Была сделана попытка найти гидрофобные области, расположенные между белками одного слоя, но она потерпела неудачу. Исходя из результатов визуализации, на мой взгляд, нельзя выделить какую-либо область, способную поддержать такого рода взаимодействие. При ближайшем рассмотрении оказывается, что ни на одном, ни на другом белке в месте контакта не обнаруживается обширных гидрофобных областей.
Скорее всего, в клетке белки контактируют по-другому. Пример взаимодействия показан в статье про рассматриваемый белок как белок месяца в PDB [6]. Там белки при замыкании в кольцо контактируют торцами, а не боковинами. Значит, следует попытаться искать контакты между слоями.

Рисунок 10. Изображение вероятных гидрофобных контактов между белками разных слоев. Сверху между цепью С и В. Снизу - между А и А.

Рисунок 11. Изображение торцевых поверхностей вероятных гидрофобных контактов между белками разных слоев. Сверху со стороны цепи С. Снизу - цепи А.

Между слоями гидрофобные контакты, на мой взгляд, видны лучше.

Полярные контакты и водородные связи

Для визуализации полярных контактов был выбран контакт между белками разных слоев. Было интересно, какую роль играют водородные связи и полярные взаимодействия в удержании белковых слоев.

Рисунок 12. Визуализация полярного контакта

Рисунок 13. Визуализация водородных связей. Измеренные расстояния позволяют предположить наличие водородных связей между остатками C/HIS`23 и /B/ASP`27, /B/HIS`34 и /C/ASP`20. В обоих случаях, в зависимости от положения боковых цепей аспарагиновой кислоты, возможно образование водородных связей с разными атомами кислорода. Образование сразу четырех связей мне кажется также возможным.

Между двумя белками было найдено три потенциальных водородных связи, но этого недостаточно для удержания слоев белка в кристалле. Видимо, эту функцию выполняют именно торцевые гидрофобные контакты.

Cтранное расположение белковых цепей в структуре ДНК-белкового комплекса 3HDD

Задание состояло в внимательном изучении ДНК-белкового комплекса 3HDD.
Данный белок был получен из организма Drosophila melanogaster. Структура белка была визуализирована с помощью программы PyMol.

Рисунок 14. Изображение комплекса белок-ДНК.

Она состоит из фрагмента двуцепочечной ДНК и двух белков. Также можно заметить, что одна из альфа-спиралей левого белка находится с краю структуры и как-будто взаимодействует с концом ДНК, что очень настораживает. Чтобы лучше понять природу этого взаимодействия была восстановлена структура соседних элементов элементарной ячейки кристалла. Из рисунков 15 и 16 видно, что наблюдается двойственное взаимодействие: пептидная цепь взаимодействует не только со своим участком ДНК, но и с фрагментом ДНК из соседней ячейки, а также образует протяженные тяжи из альфа-спиралей, скрепляющих участки ДНК между собой.

Рисунок 15. Изображение восстановленной соседней структуры.

Рисунок 16. Изображение нескольких соседних структур на расстоянии 4А и внутри элементарной ячейки.

Возможно, белок in vivo существует в виде изображенного димера. Возможно, данная странность является артефактом кристаллизации и не имеет биологического обоснования.

Выводы

Исходя из описанного в первом и втором практикумах, для грамотной работы с результатами рентгено-структурного анализа всегда следует проверять качество полученной в эксперименте электронной плотности, анализировать совокупность структур в восстановленной элементарной ячейке, а также обращать внимание на артефакты кристаллизации. Нужно хорошо представлять, какие конформации могут быть приняты белком, а какие могут получиться в результате взаимодействия белка с соседями или с лигандами и ионами.