Электронная плотность. Рассеяние электрона

Выбор структуры

Структура белка для дальнейшей работы должна удовлетворять некоторым требованиям. Был взят белок из первых семестров (YABJ_BACSU, 1QD9) и проверен по следующим критериям:

• В PDB выложены экпериментальные данные о структуре, а не только модель. Доступен для скачивания файл структурных факторов (экспериментальные данные), EDS узнает PDB ID и предоставляет всевозможную полезную информацию о структуре.
• В PDBeFold находится множество разнообразных гомологов белка разного сходства из разных организмов. Минимальное RMSD составляет 0.62. Для дальнейшей работы были выбраны несколько белков из разных организмов с разным RMSD и числом сопоставленных C_α:

  Name	RMSD	N_align (total 124)	Length	PDB ID
  CRYSTAL STRUCTURE OF PUTATIVE TRANSLATION INITIATION INHIBITOR PH0854 FROM PYROCOCCUS HORIKOSHII	0.85	119	125	2dyy
  CRYSTAL STRUCTURE OF E. COLI TDCF WITH BOUND SERINE	1.00	122	127	2uyk
  CRYSTAL STRUCTURE OF A PUTATIVE TRANSLATION INITIATION INHIBITOR FROM SALMONELLA TYPHIMURIUM	1.66	109	115	3gtz
  CRYSTAL STRUCTURE OF A PUTATIVE ENDORIBONUCLEASE (SO_1960) FROM SHEWANELLA ONEIDENSIS MR-1 AT 1.85 A RESOLUTION	2.05	106	153	1otm
  CRYSTAL STRUCTURE OF A PROTEIN OF UNKNOWN FUNCTION PA3499 FROM PSEUDOMONAS AERUGINOSA	1.55	117	142	1ig8

Файл структурных факторов

Из PDB был загружен файл структурных факторов и сверен непосредственно с файлом структуры pdb. Видно, что в файле структурных факторов число записей не соответствует количеству атомов в структуре. Собственно, в самом файле и описано, что за информация в нем содержится:

loop_
_refln.crystal_id
_refln.wavelength_id
_refln.scale_group_code
_refln.index_h
_refln.index_k
_refln.index_l
_refln.status
_refln.F_meas_au
_refln.F_meas_sigma_au
1 1 1    0    0   18  o  512.900 19.800 
1 1 1    0    0   24  o 1435.700 60.100 
1 1 1    0    0   30  o 1577.800 66.700 
...

Каждая строчка _refln. соответствует столбцу данных. Поля соответствуют mmCIF формату. Таким образом, в файле для каждой тройки Миллеровых индексов h, k и l указаны модуль и стандартное отклонение структурного фактора. Его фазу, как известно, детектировать нельзя. Кроме того, указаны ID кристалла, длины волны возбуждения и код группы масштабирования (в этой структуре они одинаковы для всех записей, ячейка только одна, длина волны составляет 1.0095 А), а также статус, который влияет на участие этого рефлекса в дальнейших рассчетах. Это можно считать сырыми данными, по которым потом можно восстановить структуру в декартовых системах координат и записать ее в pdb файл. Кроме того, в файле можно найти и сведения о размере и углах ячейки.

Электронная плотность

С сайта EPS был скачан файл электронной плотности структуры. С помощью pymol он был наложен на саму структуру, чтобы оценить качество ее модели. На рисунках показаны различные уровни электронной плотности на всей полипептидной цепи без боковых радикалов. Учитывалась электронная плотность только на расстоянии, меньшем или равном 1.9 А от молекулы (так отсеклись все "лишние", то есть соответствующие соседним молекулам, электронные плотности и шум). Использовались уровни электронной плотности, равные 1, 2 и 3 σ. Последний порог был слишком велик для ее адекватного отображения вокруг полипептидной цепи, на двух сигмах тоже видны "пропадающие" участки структуры. При пороге в одну сигму появляется очень много шума (что естественно), но на картинках он был по большей части обрезан, так как не вошел в область 1.9 А от полипептидной цепи.

Рис. 1

Затем были построены карты электронной плотности для разных аминокислотных остатков. Первый пример — последовательность His-Lys-Pro, сочетающая в себе положительно заряженные гистидин и лизин с длинным боковым радикалом и пролин. Кольца гистидина и пролина видны на карте электронной плотности очень хорошо, а "хвост" лизина (δC и N атомы) плохо различим дальше при увеличении уровня показанной плотности до 0.7 σ.

Рис. 2

Другой пример — последовательность Ser-Phe-Val, в котором есть и полярные, и гидрофобные, и даже ароматическая аминокислота. Здесь электронная плотность полностью совпадает с pdb структурой для всех трех аминокислот, отчетливо видел атом кислорода в серине.

Рис. 3

Наконец, я решила посмотреть, как будет выглядеть на карте электронной плотности атом серы.
На первом же попавшемся остатке цистеина оказалось два атома серы (показаны голубым на картинке ниже). Проверка pdb файла показала, что в структуре действительно прописано два SG атома:

ATOM   1749  CA  CYS B 104       7.029  18.689  32.069  1.00 14.11           C  
ATOM   1750  C   CYS B 104       8.350  19.352  32.355  1.00 13.15           C  
ATOM   1751  O   CYS B 104       9.403  18.793  32.048  1.00 13.52           O  
ATOM   1752  CB  CYS B 104       6.868  17.533  33.036  1.00 18.20           C  
ATOM   1753  SG ACYS B 104       6.920  18.012  34.803  0.75 17.82           S  
ATOM   1754  SG BCYS B 104       5.569  16.384  32.556  0.25 36.54           S  

При этом в цепи А, аналогичной по последовательности, этот цистеин совершенно нормальный. А в такой же цепи С - снова с двумя серами. Как видно, одному из атомов соответствует нормальный радиус электронной плотности. Вокруг второго же ее не видно четко, причем на разных "изоповерхностях" электронной плотности. С другой стороны, что-то там точно есть, и на это нельзя не обращать нимание. Рядом с этим атомом нет никакого другого, чья плотность могла бы слиться с серином и дать такой эффект. UPD: Как выяснилось, такое явление может быть объяснено тем, что в итоговую структуру попадает результат объединения данных из многих ячеек, в 75% которых встречается конформация цистеина, повернутого "вправо" (ACYS), а в остальных 25% — "влево" (BCYS).

Рис. 4

Вывод о качестве структуры пока что сделать трудно. На ней плохо различимы длинные боковые радикалы, как у лизина. Кроме того, боковые остатки некоторых аминокислот (например, цистеина, описанного выше) имеют разную конформацию в разных ячейках. Пока что сказать что-то конкретное о качестве этой структуры трудно.