Восстановление кристалла из PDB файла

Взаимодействия с белками из соседних ячеек

Для работы снова использовалась структура глицерол киназы из гипертермофильной археи Thermococcus kodakarensis KOD1 (PDB ID: 2ZF5, разрешение: 2.4Å). Кристаллографические характеристики (поле CRYST1 в файле 2zf5.pdb):


Структура состоит из цепей O и Y, окрашенных в два разных цвета на рисунке ниже.

Рис.1. Изображение белка 2ZF5

Далее была воссоздана структура кристалла. Результат показан на рис.2 слева. Исходная молекула покрашена в красный, зеленым отмечена элементарная ячейка. Хорошо видно характерное расположение единиц в виде псевдогексамера, который описывается в статье, опубликованной при расшифровке структуры (1). Считается, что физиологическую роль имеет димер, а не гексамер. На том же рисунке справа показана исходная молекула и ее расположение относительно ячейки. Видно, что молекула находится за пределами элементарной ячейки. Несмотря на то, что такая модель кристаллографически верна, расположения молекулы вне ячейки советуют избегать (2), так как это может вводить в заблеждение и просто выглядеть очень плохо. [поэтому в этом месте мы злобно ругаем авторов всеми плохими словами]


Рис.2. Изображение части кристалла из белка 2ZF5 (слева) и расположение исходной молекулы относительно элементарной ячейки (справа)


Так как исходная молекула лежит вне элементарной ячейки, я решила посмотреть на ее контакты с белками из этой самой ячейки, с которыми она образует гексамер. На рис.3 показан общий вид рассматриваемых контактов, а на рис. 4 — все три области контактов вблизи.


Рис.3. Изображение всех рассматриваемых контактов исходной молекулы с молекулами из элементарной ячейки. Остатки, участвующие во взаимодействии, показаны в виде sticks.


Рис.4. Изображение двух рассматриваемых контактов вблизи. Участвующие остатки показаны в виде sticks, водородные связи показаны желтым цветом.


Как я писала в отчете (3), в кристалле наш белок формирует псевдогексамер, состоящий из трех димеров. Было показано, что в растворе даже при высоких концентрациях эта глицеролкиназа только в виде димера. Тем не менее, наличие или отсутствие физиологической роли у гексамера все еще является открытым вопросом. Пытаться на основании взаимодействий в кристалле предсказывать взаимодействия in vivo, на мой взгляд, идея не самая лучшая.

Странное расположение белковых цепей в структуре 1MNM

В данном задании необходимо было объяснить странное расположение белковых цепей в структуре ДНК-белкового комплекса 1MNM, а именно непонятное расположение конца альфа-спирали, уходящей куда-то вдаль. На рис. 5 показана рассматриваемая структура, рамкой выделен странный хвост.

Рис.5. Изображение рассматриваемого ДНК-белкового комплекса. Красной рамкой отмечена странно отклоняющаяся спираль


Для того, чтобы понять, с чем связано такое странное расположение хвоста в пространстве, я попробовала найти взаимодействия этого участка с молекулами из соседней ячейки. На рис. 6 показано расположение обеих молекул относительно ячейки (слева) и взаимодействующие остатки вблизи (справа). Серым показана молекула из соседней ячейки, фиолетовым — исходная молекула (и так же их взаимодействующие отстатки). Из этих рисунков становится очевидно, что отклонение на самом деле не случайно и вызвано взаимодействием участка с молекулой из соседней ячейки. Таким образом, всегда необходимо разумно подходить к размещенным в БД PDB моделям, рассматривая не только элементарную ячейку и асимметрическую единицу, но и соседние ячейки кристалла там, где это может быть нужно для внесения ясности в общую картину.


Рис.6. Расположение двух взаимодействующих молекул по отношению к элементарной ячейке (слева) и взаимодействующие остатки вблизи (справа)


Несовпадение асимметрической и биологической единиц

Асимметрическая единица — наименьшая структурная единица кристалла, из которой можно восстановить весь кристалл при помощи операций симметрии. Другими словами, это уникальная часть кристаллической структуры, не обязательно отображающая структуру in vivo. Биологическая единица — структура макромолекулы, для которой было показано или предсказано наличие физиологической функции. Таким образом, биологическая единица может состоять из одной, нескольких асимметрических единиц, а иногда даже из части асимметрической единицы (4).

В качестве примеров я выбрала две структуры: 5YVE и 6GR7.

На рис. 7 показаны асимметрическая (слева) и биологическая (в центре) единицы для структуры 5YVE, представляющей собой рецептор P2X3 человека. Биологическая единица в данном случае состоит из трех асимметрических единиц. На том же рисунке справа бирюзовым отдельно показана асимметрическая единица. Хорошо видно, как три асимметрические единицы образуют цельный канал с ионом натрия внутри, к чему не способна одна такая единица.


Рис.7. Асимметрическая единица (слева), биологическая единица (в центре) и вид на обе единицы сверху (справа)


На рис. 8 показаны асимметрическая (слева) и биологическая (справа) единицы для структуры 6GR7, представляющей собой белок транстиретин, обеспечивающий транспорт тироксина и ретинола. Биологическая единица в данном случае представлена двумя асимметрическими единицами (бирюзовым отдельно показана асимметрическая единица). С другого ракурса, не приведенного на рисунке, в этом случае тоже хорошо видно, как две асимметрические единицы образуют канал с двумя молекулами ингибитора в нем.


Рис.8. Асимметрическая единица (слева), биологическая единица (справа)

Ссылки

[1] Koga, Y., Katsumi, R., You, D., Matsumura, H., Takano, K. and Kanaya, S. (2008), Crystal structure of highly thermostable glycerol kinase from a hyperthermophilic archaeon in a dimeric form. The FEBS Journal, 275: 2632-2643. doi:10.1111/j.1742-4658.2008.06410.x
[2] Avoidable errors in deposited macromolecular structures: an impediment to efficient data mining // IUCrJ
[3] Отчет по validation
[4] Guide to Understanding PDB Data // RCSB PDB