Учебный сайт Сергея Маргасюка

Внутренности белков и макромолекулярных комплексов

I. Гидрофобное ядро гидрогеназы бактерии Desulfovibrio vulgaris

В данном разделе представлена модель гидрофобного ядра гидрогеназы бактерии Desulfovibrio vulgaris (PDB ID 1H2A [1]), построенная с помощью программы JMol. Далее обсуждаются свойства гидрофобного ядра, выясненные при помощи этой модели.

Описание работы модели

Изменение вида модели осуществляется засчет JMol-скриптов. Выполнение JMol-скрипта script X может быть остановлено и начато сначала нажатием кнопок "Stop script" и "Start script X" соответственно; смена режимов отображения внутри скрипта происходит при нажатии кнопки "Resume". Далее представлен список JMol-скриптов, используемых при работе модели (при переходе по ссылке будет открыт текст соответствующего скрипта):

init автоматически выполняется при открытии страницы; обеспечивается загрузка модели молекулы белка и быстрый доступ к множеству атомов гидрофобного ядра, найденному с помощью сервиса CluD в следующих скриптах;
script 1 показывает гидрофобное ядро белка и его окружение; в ходе выполнения сменяются следующие режимы отображения молекулы:
- изображение атомов гидрофобного ядра в виде ван-дер-ваальсовых сфер зеленого цвета и прочих атомов белка в виде остовной модели c раскраской по химическим элементам;
- изображение атомов гидрофобного ядра в виде ван-дер-ваальсовых сфер зеленого цвета и прочих атомов белка в виде ван-дер-ваальсовых сфер с раскраской по химическим элементам;
script 2 показывает один аминокислотный остаток (PHE70:S), входящий в гидрофобное ядро белка, и его окружение; в ходе выполнения сменяются следующие режимы отображения молекулы:
- изображение атомов выбранного остатка в виде ван-дер-ваальсовых сфер зеленого цвета;
- изображение атомов выбранного остатка в виде ван-дер-ваальсовых сфер зеленого цвета и окружающих атомов молекулы белка (атомов, находящихся на расстоянии не более 7 Å от выбранного остатка) в виде точек с раскраской по химическим элементам;
- семь изображений: атомы выбранного остатка в виде ван-дер-ваальсовых сфер зеленого цвета, атомы, находящиеся от него на расстоянии, меньшем X Å, в виде ван-дер-ваальсовых сфер с раскраской по химическим элементам, и атомы, находящиеся на расстоянии от выбранного остатка от X Å до 7 Å, в виде точек с раскраской по химическим элементам (здесь X — целое число из отрезка [1;7]);

Модель 1: гидрофобное ядро гидрогеназы бактерии Desulfovibrio vulgaris

Характеристики гидрофобного ядра

Отметим некоторые параметры гидрофобного ядра белка.

В гидрофобное ядро входит 1647 атомов углерода, что составляет значительную часть (42%) от общего числа атомов углерода в молекуле (3955).

script 1 позволяет заметить, что форма гидрофобного ядра близка к сферической; гидрофобное ядро закрыто внешними атомами равномерно: отсутствуют крупные выходы гидрофобного ядра на поверхность глобулы. Можно предположить, что данный белок функционирует в водном растворе, а не встроен в мембрану.

script 2 позволяет судить о плотности расположения атомов в гидрофобном ядре (если предположить, что свойства выбранного крупного аминокислотного остатка примерно совпадают со свойствами остальных аминокислотных остатков гидрофобного ядра). Так, атомы остатка закрыты атомами, располагающимися на расстоянии 5 Å от него (т. е. расстояние между ван-дер-ваальсовыми сферами этих атомов меньше их диаметров). При анализе взаимного расположения ван-дер-ваальсовых сфер близких, но не связанных ковалентно атомов (для близко расположенных часто происходит слабое перекрытие) можно заметить, что расстояние между не связанными ковалентно атомами обычно близко к сумме их ван-дер-ваальсовых радиусов (2.8–3.7 Å [2]). Из этого, в частности, следует, что внутрь данной структуры не может попасть больше молекул воды, чем присутствует в модели.

II. Домен связывания ДНК AncGR2

В данном разделе представлена модель домена связывания ДНК AngGR2, связанного с ДНК (PDB ID 5CBY [3]), построенная в программе JMol. Модель призвана продемонстрировать особенности взаимодействия белка и ДНК, которые будут описаны далее.

Описание работы модели

Управление работой модели осуществляется аналогично модели 1; при этом использованы другие JMol-скрипты. Далее представлен список скриптов модели 2 со ссылками на их тексты:

script 1 показывает комплекс ДНК и белка; в ходе выполнения сменяются следующие режимы отображения:
- изображение молекул белка и ДНК в режиме cartoons с раскраской по вторичной структуре;
- изображение атомов молекулы ДНК в виде ван-дер-ваальсовых сфер с раскраской по химическим элементам, молекулы белка в виде остовной модели с раскраской по вторичной структуре и боковые цепи белка, контактирующие (здесь и далее будем считать, что фрагменты контактируют, если расстояние между ними менее 5 Å) с молекулой ДНК, в виде стержневой модели с раскраской по химическим элементам;
script 2 показывает различные части молекулы ДНК и контакты белка с ними; в ходе выполнения сменяются следующие режимы отображения:
- изображение молекулы ДНК в виде ван-дер-ваальсовых сфер: атомы большой бороздки покрашены в фиолетовый цвет, малой — в зеленый; раскраска атомов сахаро-фосфатного остова по химическим элементам;
- изображение молекулы ДНК аналогично предыдущему пункту, а также молекулы белка в виде проволочной модели с раскраской по химическим элементам;
- изображение молекулы ДНК и белка аналогично предыдущему пункту, дополнительно атомы белка, контактирующие с атомами большой бороздки, изображены в виде шаров;
- изображение молекулы ДНК и белка аналогично предыдущему пункту, но показаны в виде шаров атомы белка, контактирующие с атомами малой (а не большой) бороздки;
- изображение молекулы ДНК и белка аналогично предыдущему пункту, но в виде шаров показаны атомы белка, контактирующие с сахаро-фосфатным остовом молекулы ДНК;
script 3 позволяет анализировать водородные связи между белком и молекулами ДНК, в ходе выполнения сменяются следующие режимы отображения:
- изображение шаро-стержневой модели ДНК: акцепторы протонов в большой бороздке раскрашены в розовый цвет, доноры — в синий; остальные атомы покрашены в серый цвет;
- изображение шаро-стержневой модели ДНК: аналогично предыдущему пункту раскрашены доноры и акцепторы протонов малой бороздки;
- изображение проволочных моделей сахаро-фосфатного остова ДНК и белка с раскраской по химическим элементам, показаны водородные связи между атомами; атомы в молекуле белка, соединенные водородными связями с сахаро-фосфатным остовом, и атомы сахаро-фосфатного остова, соединенные водородными связями с молекулой белка, показаны в виде шаров;

Модель 2: домен связывания AncGR2 и молекула ДНК

Описание комплекса ДНК и белка

Построенная модель изображает контакт ДНК и белка. Белки могут взаимодействовать с ДНК с различными целями: поддержание и изменение пространственной структуры ДНК (например, хеликазы раскручивают двойную спираль ДНК), разрезание и восстановление целостности молекулы, матричный синтез (например, репликация, осуществляемая ДНК-зависимой ДНК-полимеразой).

Рассмотрим далее данные о взаимодействии молекул белка и ДНК, полученные с помощью модели.

script 2 показывает, с какими частями ДНК контактирует белок. Согласно полученным данным, с большой бороздкой, малой бороздкой и сахаро-фосфатным остовом контактируют 10, 2 и 86 тяжелых атомов белка соответственно. Возможно, преобладание атомов сахаро-фосфатного остова среди контактирующих с белком атомов объясняется тем, что эти атомы расположены ближе всего к краю двойной спирали; возможно также, что это происходит из-за того, что для данного белка необходимо неспецифичное взаимодействие с ДНК: все молекулы ДНК содержат одинаковый по структуре сахаро-фосфатный остов, и рассматриваемый белок взаимодействует именно с ним.

script 3 показывает расположение доноров и акцепторов протонов в двойной спирали ДНК, в частности, в большой бороздке. Анализируя полученное изображение можно заметить, что размещение доноров и акцепторов протонов, принадлежащих одной паре азотистых оснований, в большой бороздке уникально для каждого типа пары (А — T, T — A, G — C, C — G). Таким образом, теоретически возможно определение нуклеотидной последовательности ДНК без раскручивания двойной спирали.

Ссылки:

[1] 1H2A: single crystals of hydrogenase from Desulfovibrio vulgaris, RCSB Protein Data Bank
[2] Дж. Эмсли; "Элементы", 1993
[3] 5CBY: AncGR2 DNA Binding Domain - (+)GRE Complex, RCSB Protein Data Bank