Выбор белка

Первым делом я решил проверить, есть ли ЯМР-структура для белка 1XTM, который я изучаю в данных практикумах. Таковая нашлась - 1U3N.

Однако оказалось, что SOD-подобный белок из B. subtilis является неструктурированным в растворе, особенно без ионов цинка, но имеет твёрдую структуру в кристалле. Пришлось искать новый белок.

Примечание

Утверждается, что Zn/Cu супероксид дисмутаз (SOD) почти нет в археях, однако они есть у бактерий. Но у одних бактерий они не способны связывать ионы, а у других - способны и даже могут выполнять свои функции. Таким образом, можно проследить эволюционный градиент от неструктурированных белков к настоящим бактериальным SOD. Мне кажется, это может быть интересной темой по эволюции структур белков для журнального клуба. Возможно, уже есть готовые статьи по этому, т.к. это было известно ещё в 2005 году.

Продолжение

В итоге, из предложенной таблицы был выбран PDZ домен белка ERBIN (LAP2). Таблица 1 содержит информацию о расшифровке его структуры.

Таблица 1. Информация о структурах PDZ
Код PDB Разрешение (Å) Код PDB Число моделей
РСА 2H3L 1.0 ЯМР 1N7T 20

Расшифрованные структуры оказались на удивление похожи, за исключением концов белка (см. рис 1), которые в кристалле укладываются в β-тяжи, а в растворе флуктуируют.


Рисунок 1. Совмещение структуры 2H3L (голубой) и модели 1 структуры 1N7T (зелёный), выполененное посредством PyMol.

Сравнение водородных связей

Для сравнения между структурами, полученными методами РСА и ЯМР, было выбрано 3 водородных связи (см. табл. 2).

Таблица 2. Информация о водородных связях в структуре 2H3L (в скобках указан номер соответствующего остатка в структуре 1N7T)
Номер Донор Акцептор Вторичная структура Расположение
1 A:Leu1395(86).N A:Ala1391(82).O Спираль, остов Ядро
2 A:Arg1408(99).NH2 A:Asp1373(64).OD2 Боковые цепи петли и β-тяжа Ядро
3 A:Arg1348(39).NH2 A:Asp1351(42).OD2 Петли, боковые цепи Поверхность

В данной работе предполагается, что для образования водородной связи между полярными атомами должно быть не больше 3.5 Å. Для подсчёта расстояний между атомами в моделях ЯМР структуры использовался скрипт для среды PyMol. В таблице 3 представлена обобщённая информация о длинах рассматриваемых водородных связей.

Таблица 3. Сравнение водородных связей в кристалле и растворе.
Номер Расстояние между атомами (Å) Встречаемость в ЯМР
РСА ЯМР
Минимальная Медиана Максимальная
1 3.0 3.03 3.23 3.30 20/20 (100%)
2 2.8 3.99 6.35 9.36 0/20 (0%)
3 3.2 3.33 7.97 9.43 1/20 (5%)

Водородная связь №1 расположена в α-спирали с внутренней стороны белка. Эта связь, как и должно быть, оказалась очень стабильной, т.к. наблюдается во всех 20 моделях ЯМР (см. рис 2).


Рисунок 2. Водородная связь №1 в структуре 2H3L (слева) и в 1N7T (справа). Боковые цепи взаимодействующих остатков почти неподвижны.

Водородная связь №2 лежит внутри белка под самой поверхностью (видно на рис. 3 слева) и недоступна воде. Её образуют боковые группы аргинина (лежит в β-тяже) и аспартата (лежит в петле). Однако аргинин 1408 (99) расположен близко к С-концу белка, из-за чего включающий его β-тяж расплетается в растворе и приобретает подвижность. Из-за этого в ЯМР (см. рис. 3 справа) структуре этой водородной связи нет (вернее есть одна, очень слабая, длиной 4Å). Причём в ЯМР структуре этой связи нет ни в одной из комбинаций атомов из (NH1, NH2) и (OD1, OD2).


Рисунок 3. Водородная связь №2 в структуре 2H3L (слева) и в 1N7T (справа). Боковые цепи взаимодействующих остатков подвижны.

Водородная связь №3 лежит на самой поверхности белка в петлях между остатками аргинина и аспартата, которые очень подвижны в растворе (см. рис. 4). Из-за этого данная связь встречается в ЯМР-структуре всего 1 раз, причём не встречается в других комбинациях из (NH1, NH2) и (OD1, OD2)


Рисунок 4. Водородная связь №3 в структуре 2H3L (слева) и в 1N7T (справа). Боковые цепи взаимодействующих остатков подвижны.

Выводы

Не смотря на сильную схожесть остова структур PDZ домена белка ERBIN в кристалле и растворе, боковые группы аминокислотных остатков имеют большую подвижность, из-за чего водородные связи, наблюдаемые в кристалле, теряются в растворе.

Дополнительно

Сравнение выводов

Изученный белок взят из статьи Sikic et al., 2010, а значит полученные выводы можно сравнить с выводами аторов статьи.

  1. Авторы утверждают, что ЯМР и РСА-структуры в среднем разнятся. Видимо, представленный белок не попал в правило, к тому же здесь не проведено никаких количественных сравнений, только "на глаз".
  2. По мнению авторов, β-листы в среднем более консервативны, чем α-спирали и β-повороты. В данном же случае, наоборот, α-спирали устойчивее, нежели β-листы (см. рис. 5)

    3. Рисунок 5. Наложение β-листов и α-спиралей стуктур 2H3L (голубой) и 1N7T (иные цвета). Спирали точь-в-точь совпали, а вот второй сверху β-тяж - нет, не говоря уже о концевых β-тяжях.
  3. Авторы говорят о том, что не смотря на хорошее совпадение остова белка, боковые цепи аминокислотных остатков часто не совпадают или вообще направлены в другую сторону, особенно в петлях. Действительно, так и есть, это хорошо видно на рис. 4 - один из аргининов смотрит вверх, в то время как остальные направлены вниз, а ход цепи совпадает.