Занятие 13: исследование вторичной структуры заданного белка

Общее описание вторичной структуры белка CDD_BACSU

Изображение цепи А в ленточной модели с раскраской по структуре (1)

Изображение цепи А в ленточной модели с раскраской по структуре (2)

Командой structure определили количество спиралей, β-тяжей и реверсивных поворотов (β-поворотов) в данной цепи (цепи A). Получили следующие данные:

Количество альфа-спиралей - 6
Количество бета-складок - 9
Количество бета-поворотов - 12

Данный белок - CDD_BACSU - относится к α+β белкам, т.к. в его вторичной структуре можно выделить как α-спираль, так и β-листы, при этом эти структуры не чередуются (при чередовании мы бы отнесли белок к α/β белкам).

Множества атомов остова для элементов вторичной структуры

Для исследования выбраны следующие элементы вторичной структуры:

• самая длинная α-спираль - ARG3:A - ARG14:A (3 - 14);
• самая длинная пара соседних антипараллельных β-тяжей - VAL26:A - THR32:A, TYR36:A - CYS41:A (26 - 32 и 36 - 41);
• самая длинная пара соседних параллельных β-тяжей - PHE70:A - ALA77:A, ILE102:A - THR106:A (70 - 77 и 102 - 106);
• петля, в которой полипептидная цепь круто разворачивается на 180°, - ASN107:A - GLN111:A (107 - 111);

Цепь A, выбранные элементы обозначены разными цветами

Свойства α-спирали

С помощью скрипта были созданы следующие изображения.

Вся цепь A в ленточной модели, выбранная спираль выделена цветом

Выбранная α-спираль на белом фоне

Остов α-спирали с водородными связями, указаны номера остатков

Остов α-спирали с водородными связями, добавлены атомы Cβ

Изображения в оригинальном размере: (3), (4).

Выпишем некоторые H-связи в виде Н(i,j), где i - номер остатка, которому принадлежит атом кислорода, j - номер остатка, которому принадлежит атом азота:

...H(4,8), H(5,9), H(6,10)...

Мы видим, что j = i + 4. Поэтому можем написать обобщенный паттерн: H(i, i+4).

Для определения расположения атомов Cβ относительно спирали расположим спираль перепедикулярно плоскости экрана. Мы видим, что атомы Cβ «выходят» из спирали под равными углами.

Расположение атомов Cβ относительно спирали

Свойства β-тяжа

С помощью скрипта были созданы следующие изображения.

Вся цепь A в ленточной модели, 3 соседних тяжа выделены цветом

Выбранный β-тяж и 2 соседних на белом фоне

Остов β-тяжей с водородными связями, указаны номера остатков

Остов β-тяжей с водородными связями, добавлены атомы Cβ

Изображения в оригинальном размере: (3), (4).

Для определения расположения атомов Cβ относительно "плоскости" β-листа расположим лист перепедикулярно плоскости экрана. Мы видим, что атомы Cβ в одном β-тяже «выходят» из листа поочерёдно в разные стороны, под равными углами (по отношению к связям), практически перпендикулярно к плоскости листа.

Расположение атомов Cβ относительно "плоскости" β-листа

Определение паттерна водородных связей для β-тяжей

Рассмотрим 2 тяжа из изучаемых трёх (антипараллельных). Составим таблицу для водородных связей с номерами остатков.

Пронумеровав остатки обоих β-тяжей, начиная с их N-концов, получаем такую таблицу:

Если не брать в рассмотрение вторую связь от атома кислорода первого тяжа, то можем записать: i, 103-i (из первой таблицы), i, k+7-i, где i=i₀+2n+1 (из второй таблицы).

Можно провести аналогичное рассморение для двух параллельных тяжей. Тогда составим такую таблицу.

Здесь мы наблюдаем красивую закономерность: элементы последовательности i+2n+1 связаны попарно с соответствующими элементами последовательности k+2(n-1), k+2n.

Изображение реверсивного поворота

Изображение можно получить при помощи скрипта.

Выбранный реверсивный поворот

Выбранный поворот: ASN107-LEU108-GLN109-GLY110-GLN111.

В повороте есть Н-связь, способная "скрепить" поворот. Она наглядно изображена ниже.

Выбранный реверсивный поворот и водородная связь

Изображения в оригинальном размере: (1), (2).

Параметры выбранной спирали

С помощью скрипта получли необходимое изображение.

Выбранная спираль в остовной модели с раскраской по остаткам

Выбранная спираль в остовной модели с раскраской по остаткам (с торца)

Сренее число аминокислотных остатков на виток спирали примерно равно трём с половиной, и спираль правозакрученная: n = 3,5.

Определим пару атомов Сα, находящихся друг под другом. Это, например, атомы с номерами 8 и 12. Измеренное расстояние равно 6,26A.

Измерение расстояния между Cα-атомами

Аналогичное измерение для атомов Сα с номерами 4 и 8 даёт в результате цифру 6,42A.

Тогда смещение по оси на один остаток d примерно равно 0.16A: d = |6,26A - 6,42A| = 0,16A.

Значение шага спирали определяется формулой n × d: n × d = 3,5 × 0,16A = 0,56A.

Для оценки радиуса «сверху» найдём, к примеру, расстояние между атомами Сα с номерами 9 и 11. Очевидно, радиус меньше половины полученного значения: r < 2.71A.

Измерение расстояния

Параметры Cβ-тяжа как спирали

Можно попробовать описать Cβ-тяж как спираль и найти параметры такой спирали.

Измерение расстояния (1)

Измерение расстояния (2)

Выбранный тяж с раскраской по остаткам

Изображения в оригинальном размере: (1), (2), (3).

Тогда получаем следующие примерные значения для числа элементов на виток, смещения по оси и шага:

n = 0,5,
d = |5,76A - 5,48A| = 0,28A,
n × d = 0,5 × 0,28A = 0,14A.

Ссылки

1. Структура белка в формате .pdb.
2. Скрипт для генерации изображения, иллюстрирующего свойства выбранной альфа-спирали, в формате .spt.
3. Скрипт для генерации изображения, иллюстрирующего свойства выбраного бета-тяжа, в формате .spt.
4. Скрипт для генерации изображения реверсивного поворота, в формате .spt.
5. Скрипт для генерации изображения для определения параметров выбранной спирали, в формате .spt.