Прежде всего

1T35_modified.pdb — PDB-файл, отредактированный для выполнения этого задания (пояснение в тексте).
helix.spt — скрипт из третьего упражнения (α-спираль). Скрипт содержит команды zap и load "1T35_modified.pdb".

Упражнение первое: вторичная структура

Мы продолжаем исследовать всё тот же белок, что и на предыдущих занятиях. Откроем его в RasMol, введем команду structure...

Number of H-Bonds ..... 0
Number of Helices ..... 0
Number of Strands ..... 0
Number of Turns ....... 0

После достаточно долгих разбирательств обнаружим следующее:

На рисунке изображен фрагмент цепи A, где «скелет» (backbone) изображен толстой зеленой линией. Внимание на отсутствующий кусок между остатками 141 и 146.

После некоторых экспериментов оказалось, что RasMol некорректно реагирует на наличие в белке остатков селенометионина (напомним, что в белке обычных метионинов нет) — цепь прерывается, как правило, именно там, где они расположены (но не только). Стоило провести в файле некоторые достаточно тривиальные изменения, а именно: удалить секции SEQADV и MODRES с информацией о модифицированных остатках; относящиеся к селенометионину секции HET, HETNAM и FORMUL; секцию LINK, которая, очевидно, ответственна за главную часть некорректного поведения, а также заменить всюду MSE на MET, HETATM на ATOM, SE на S, — и всё отлично заработало. Пустяки, ничего сложного. (Менее радикальные меры, как было проверено, не помогают.) Модифицированный PDB-файл прилагается.

После хорошей разминки для ума приступим к выполнению собственно задания. Статистика по всему белку:

Number of H-Bonds ..... 1037
Number of Helices ..... 70
Number of Strands ..... 58
Number of Turns ....... 137

Цепь A с раскраской по вторичной структуре в ленточной модели выглядит так:

Можно насчитать 7 β-тяжей, 9 α-спиралей и 17 реверсивных поворотов (заметим, что многие из них выглядят довольно подозрительно и совсем не напоминают реверсивный поворот). β-тяжи и α-спирали равномерно чередуются, это означает, что перед нами типичный α/β-белок. Хорошей иллюстрацией служит схема, взятая с PDB:

Заметим, что здесь число реверсивных поворотов — 8 против отмеченных RasMol'ом 17 (не зря они показались мне подозрительными).

Упражнение второе: нелегкий выбор

Были отобраны самая длинная α-спираль 17–31 (4 полных витка) и три соседних параллельных β-тяжа 3–7, 100–103, 130–133. Антипараллельных β-тяжей в белке нет, воспользуемся белком 1BS2: выберем оттуда три соседних взаимно антипараллельно ориентированных β-тяжа 69–72, 109–114, 102–106, а также реверсивный поворот 107–108 (в моём белке, конечно, тоже есть реверсивные повороты, но здесь он особенно нагляден, к тому же расположен в контексте других исследуемых структур).

Упражнение третье: α-спираль

Легко заметить, что водородные связи возникают между карбонильным кислородом i-того остатка и азотом i+4-го. Таким образом, всего в α-спирали 11 водородных связей: от 17–21 до 27–31. (Если смотреть белок целиком, можно заметить также связь 28–32 на C-конце спирали, которая равноценна предыдущим и тоже поддерживает форму этой структуры, хотя остаток 28 уже и не входит в α-спираль) Можно заметить также, что связи, соединяющие Cα- и Cβ-атомы, направлены по направлению хода спирали, что создает дополнительную «закрученность».

Упражнение шестое: параметры α-спирали

Если спираль повернуть к себе N-торцом, будет так:

Что-то это мне напоминает:

Картинки взяты с Wikimedia Commons

Спираль закручена в правую сторону. Для начала проведем измерения углов между альфа-углеродными атомами каждых двух соседних остатков (например, с помощью GIMP); получим среднее значение 98 градусов с разбросом 88-107 (пусть будет 100). Это означает, что на один виток приходится в среднем n=+3.6 остатка. Заметим, что остатки 18 и 29 расположены практически точно друг над другом (это согласуется с тем фактом, что 11/3.6 очень мало отличается от 3). Расстояние между ними, измеренное в RasMol'е — 1.65 нм, отсюда вычислим средний шаг спирали как 1.65/3 = 0.55 нм. Смещение на один остаток вычислим как 1.65/11 = d = 0.15 нм. Вычислить радиус и вовсе просто: если x — расстояние между двумя соседними альфа-углеродными атомами, а угол, который они образуют с приблизительным центром спирали на виде с торца, равен α, то для них проекция смещения будет равна sqrt(x²-d²), а искомый r = sqrt((x²-d²)/2(1-cosα)). Измерив расстояния между каждыми двумя соседними альфа-углеродными атомами, выясняем, что они почти одинаковы и равны в среднем 0.38 нм. Возьмем среднее значение угла — 100 градусов — и по формуле найдем r = 0.25 нм. И если все предыдущие находки отлично совпали с нагугленными данными для средних альфа-спиралей, то здесь английская википедия говорит, что характерный радиус альфа-спирали равен 0.6 нм. Возможно, там посчитали вместе со всем боковым окружением, я не вникал. Во всяком случае, грубые прямые прикидки (измерить расстояние между почти противоположными атомами спирали) расчет подтверждают.

Упражнение четвертое: β-тяжи

Сначала параллельные, из своего белка.

Общий паттерн очень хорошо прослеживается на остатке 102 и группировки вокруг него. Будем рассматривать средний тяж. Видно, что остатки в нем чередуются: одни образуют связи с «левым» тяжем, другие — с «правым». Если составить схему соседних тяжей так, чтобы сохранился этот шахматный порядок, и занумеровать в соседних тяжах соответственные остатки одинаково, то получится, что азот i-го остатка данного тяжа образует водородную связь с карбонильным кислородом i-1-го остатка соседнего тяжа, а карбонильный углерод i-го остатка — с азотом i+1-го остатка.

Расположение бета-углеродных атомов ожидаемое: над и под плоскостью листа, чередующееся, причем в соседних при таком «шахматном» порядке остатках одинаковое.

Теперь настало время антипараллельных листов. Их мы берем из 1BS2.

Здесь паттерн хорошо виден на остатке 111 и его окружении. Он еще проще, чем у параллельных листов: если остатки в листах также разместить, сохраняя шахматный порядок, и занумеровать соответственные остатки в соседних тяжах одинаково (в одинаковом направлении, несмотря на антипараллельность), то получится, что карбонильные кислороды и азоты соседних остатков связаны попарно ­— i-й и i-м. Расположение бета-углеродных атомов в сущности не отличается от параллельных листов.

Упражнение седьмое: бета-тяж как спираль

Возьмем средний тяж 109–114 антипараллельного листа из 1BS2 — он хороший и длинный (сравнительно, 6 остатков). Посмотрим на него с торца (с N-конца). Если мы измерим тем же методом, что и в шестом упражнении, углы между проекциями альфа-углеродных атомов, получим такие значения: 175, 150, 158, 165, 171. (Спираль левозакрученная.) Тогда по тем же формулам, что и в упражнении 6, получим, что средняя угловая дистанция равна примерно 164 градусам. Получается, что на один виток спирали приходится в среднем 2.2 остатка (n=–2.2). Что касается изменения шага, то здесь нет альфа-углеродных атомов, которые были бы расположены прямо один над другим, но зато видно, что шаг спирали больше ее радиуса, поэтому мы можем смерить расстояние между двумя как можно более удаленными атомами и считать погрешность достаточно малой. Измерим расстояние между 109-м и 114-м альфа-углеродными атомами, получим 1.64 нм. Отсюда смещение на один остаток d=0.32 нм, средний шаг d*2.2=0.7 нм. А вот с вычислением радиуса обычным методом у нас будут проблемы, потому что мы приняли погрешность пренебрежимо малой, а радиус и есть эта самая погрешность :-). Поэтому воспользуемся грязным трюком: связь C—O у 109-го остатка практически перпендикулярна оси тяжа («спирали»). Измерим ее в RasMol: 0.12 нм. Измерим ее в GIMP: 88 пикселей. Значит, в нашем экспортированном изображении 10 пикселей = 0.0136 нм. Легко прикинем радиус в пикселях: около 170. Переводя это в нанометры, получим r=0.23 нм.

Упражнение пятое: реверсивный поворот

Мы исследуем реверсивный поворот 107–108 в белке 1BS2, потому что там он особенно нагляден.

Бета-поворот соединяет два антипараллельных бета-тяжа. Он образован двумя аминокислотами — глицином и пролином и фактически скрепляется водородными связями тяжей.