Дополнительные исследования структуры белка

«Исследование структуры 1KMM»
1. Общее описание структуры 1KMM
1.1. Компоненты структуры, описанной в документе PDB 1KMM
Заголовок структуры: AMINOACYL-TRNA SYNTHASE
Название структуры: HISTIDYL-TRNA SYNTHETASE COMPLEXED WITH HISTIDYL-ADENYLATE
В документе представлены следующие цепи макромолекул:
Идентификатор цепи
Число остатков
A
424
B
424
C
424
D
424
Название молекулы
Комментарии
HISTIDYL-TRNA
По последовательности,
SYNTHETASE (гистидил- описанной в файле цепи
тРНК синтетаза)
идентичны. По
изображению в rasmol
структура начинается с
остатка asn4.
HISTIDYL-TRNA
Начинается с остатка
SYNTHETASE
ala2.
HISTIDYL-TRNA
Начинается с остатка
SYNTHETASE
asn4.
HISTIDYL-TRNA
Начинается с остатка
SYNTHETASE
asn4.
В документе представлены следующие низкомолекулярные вещества:
ID
HAM
HOH
Название
Формула
Число копий
Комментарии
HISTIDYL-ADENOSINE C16 H21 N8 O8 P1 4
MONOPHOSPHATE
В кажной цепи находится
(гистидиладенозинмоно
по одной молекуле
фосфат)
HOH (вода)
H2 O1
184
Молекулы равномерно
распределены по всем
четырём цепям.
Компоненты структуры
Разным цветом отмечены разные полипептидные цепи; лиганды HAM —
в шарнирной модели с раскраской по атомам; молекулы воды — в
шариковой модели.
Форма молекулы похожа на две сердцевидных структуры с короткими когтевидными
направленными к основанию отростками, причём эти две структуры являются зеркальными
отражениями друг друга и повёрнуты друг относительно друга.
2. Торсионные углы в полипептидной цепи 1KMM
2.1 Таблица. Измерение двугранных углов остатка глицина в белке
SYH_ECOLI, цепь А
Название
двугранного
угла
Угол определяется по координатам атомов
(обращение к атому в соответствие с синтаксисом RasMol, в
скобках – название атома)
Результат
измерения с
помощью RasMol
Φ
*9:A.C
(карбонильный
углерод 9-го
остатка
(аргинина)
цепи А )
*10:A.N
(азот
амидной
группы 10го остатка
(глицина)
цепи A)
*10:A.CA
(α-углерод
10-го остатка
(глицина)
цепи A)
*10:A.C
87.8
(карбонильн
ый углерод
10-го остатка
(глицина)
цепи А )
Ψ
*10:A.N
(азот амидной
группы 10-го
остатка
(глицина) цепи
A)
*10:A.CA
(α-углерод
10-го
остатка
(глицина)
цепи A)
*10:A.C
(карбонильн
ый углерод
10-го остатка
(глицина)
цепи А )
Ω
*10:A.CA
(α-углерод 10го остатка
(глицина) цепи
A)
*10:A.C
(карбонил
ьный
углерод
10-го
остатка
(глицина)
цепи А )
*11:A.N
(азот
амидной
группы 10-го
остатка
(метионина)
цепи A)
*11:A.N
6.9
(азот
амидной
группы 10-го
остатка
(метионина)
цепи A)
*10:A.CA
179.4
(α-углерод
10-го остатка
(метионина)
цепи A)
2.2. Изображение, иллюстрирующее определение угла φ глицина.
Для определения торсионного угла φ требуются координаты атомов: ARG9C
(карбонильный углерод 9-го остатка (аргинина) цепи А ), GLY10N (азот амидной
группы 10-го остатка (глицина) цепи A), GLY10CA (α-углерод 10-го остатка
(глицина) цепи A), GLY10C (карбонильный углерод 10-го остатка (глицина) цепи А
). Через прямую CaN проводится плоскость перепендикулярно ей, на эту
плоскость проецируются все 4 точки, обозначающие атомы. (Т. к. при этом точки
Ca и N приецируются в одну точку на плоскости, атом GLY10N закрыт атомом
GLY10CA и не виден на рисунке.) Угол φ – угол между отрезками, получившимися
на плоскости при прекции.
Т.к. пролин содержит не амино-, а иминогруппу, у него мало возможностей
изменять свои углы.
В глицине роль боковой группы играет атом водорода, поэтому он достаточно
легко может менять торсионные углы.
Наблюдается малый разброс значений, т. к. боковые радикалы как правило
определяют возможность ориентации остатка и торсионные углы.
В основном для альфа-спирали сочетания углов попадают в третью четверть, т. к. для
образования альфа-спирали остатки аминокислот поворачиваются на определённые
практически одинаковые углы вокруг центральной оси. То, что есть небольшое
количество углов во второй четверти определяется тем, что углы глицина могут больше
варьироваться, сохраняя при этом структуру альфа-спирали.
В карте Рамачандрана для бета тяжей также все сочетания близки по значению, но они
собраны во второй четверти, т. к. для образования бета-тяжей остатки располагаются
определённым образом, но не так, как для альфа-спиралей. Есть также сочетания в 1-й,
3-й, 4-й четвертях, что обуславливается отсутствие у глицина боковой группы и большим
разнообразием возможных значений углов.
3. Исследование элементов вторичной структуры.
3.1 Исследование альфа-спирали 16-36 цепи белка SYH_ECOLI
3.1.1.
Спираль в остовной модели с «торца», около каждого С –атома приведен
номер остатка.
Спираль - вид с боку, около каждого С–атома приведен номер остатка;
пунктирными линиями показаны водородные связи в основной цепи;
стрелка указывает направление оси спирали.
Спираль в проволочной модели, а атомы C показаны как шарики.
Связи С-С направлены во вне спирали, причём под углом, наклон в сторону Nконца. Наклон вправо, если смотреть с торца (со стороны N-конца).
3.1.3. Число элементов на виток n=+3,5
Друг под другом: CA 256 lys 30 & CA 145 THR 19, расстояние 16,25 Å.
d=1,625 Å
CA 269 asn 31 & CA 154 ala 20, расстояние 16,719 Å,
d=1,6719 Å
CA 169 trp 22 & CA 288 leu 33, расстояние 16,412 Å.
d=1,625 Å
Среднее смещение на остаток d=1,64 Å
Общее количество водородных связей в белке 1093.
Связи в данной альфа-спирали:
H (19,23), H(20,24), H(21,25), H(22,26), H(23,27)
Общий вид: H(n,n+4), n=1,2,3…
Дополнительные H-связи на концах спирали:
H(16,21), H(19,22).
Измерение длины водородной связи:
gln23A.O – gly27A.N 2,876 Å
glu26A.O – lys30A.N 2,855 Å
gly27A.O – asn31A.N 2,711 Å
asn31A.O – ser35A.N 3,001 Å
ala20A.O – arg24A.N 3,265 Å
Средняя длина водородной связи 2,942 Å
Если в среднем смещение на остаток равно 1,64 Å (см. задание 2.2), то длина
спирали равна количеству остатков, умноженному на смещение на остаток:
1,64*900=1476 Å
3.2 Исследование антипараллельной -структуры 124-133 , 103-111
цепи A белка SYH_ECOLI.
3.2.1.
Антипараллельные бета-тяжи, около каждого С–атома приведен номер
остатка;
пунктирными линиями показаны водородные связи:
Среднее значение угла =-111,97
Среднее значение угла ψ=124,04
Основной паттерн водородных связей.
Пронумеруем тяжи от N-конца к C-концу и запишем последовательности друг под
другом.
Тяж 124-133: k
k+1 k+2 k+3 … k+9
Тяж 103-112: n+9 n+8 n+7 n+6 … n
Водородные связи возникают между стоящими друг напротив друга остатками
через один, каждый остаток обеспечивает по две связи: H(n+8,k+1), H(k+1,n+8),
H(n+6,k+3), H(k+3,n+6) и т. д. Таким образом k сдвигается на 2a остатков вперёд, а
n – на тоже число остатков назад. Общий вид: H(k,n+2a), (n+2a,k).
В α-спирали остатки одной спирали образуют друг с другом связи и известно,
сколько остатков лежит между остатками, образовавшими связи, поэтому
значения i,j для H(i,j) могут задаваться через одну переменную и не зависят от
длины спирали. Для β-тяжей важно то, что номера остаков двух β-тяжей не
связаны друг с другом, т. к. между концами двух тяжей может находиться разное
число остатков.
Антипараллельные тяжи с расположением атомов С относительно оси
структуры. Связи С-С расположены почти под прямым углом к плоскости
водородных связей, связи С-С остатков, между которыми образованы
водородные связи находятся друг напротив друга и направлены в одну сторону.
Вдоль спирали располагаются по одной линии.
3.3 Исследование параллельной -структуры № 360-362, 331-333, 383386 цепи D белка SYH_ECOLI.
3.3.1.
Параллельные бета-тяжи, около каждого С–атома приведен номер остатка;
пунктирными линиями показаны водородные связи.
Параллельные тяжи с расположением атомов С относительно оси структуры
Связи С-С выходят из плоскости водородных связей и расположены под
углом к ней. Связи, направленные в одну сторону находятся друг напротив
друга.
Среднее значение угла =-107,67
Среднее значение угла ψ=127,28
Водородные связи:
Тяж 360-362: n
n+1 n+2
Тяж 331-333: k
k+1 k+2
Тяж 383-386: i
i+1
i+2
i+3
H (k+2a-1,n+2a), H (n+2a, k+2a+1) - для двух параллельных тяжей.
Для второго и третьего аналогично: H(i+2a-1, k+2a), H(k+2a,i+2a+1).
Дополнительные водородные связи: H(384,386), H(360,362).
Сравнение строения антипараллельной и параллельной βструктуры.
Средние значения углов φ и ψ различаются мало. Водородные связи образуются
между двумя тяжами в параллельной структуре между остатком одного тяжа и
двумя остатками другого, идущими через один, в антипараллельной – обе связи
между одним остатком одного тяжа и одним остатком другого, расположенными
напротив. В данных параллельных β-структурах были дополнительные
водородные связи.
Сравнение альфа-спирали и бета-структуры.
В альфа-спирали полипептидная цепь скручена в спираль и возникают
водородные связи между группой C=O одного остатка и группой N-H другого,
отстоящего от первого на четыре аминокислотных остатка. В бета-листах
полярные группы полипептидной связи попарно соединены водородными
связями; полипептидная цепь находится в растянутом состоянии, а группы C=O и
N-H связаны водородными связями с соответствующими группами соседней
параллельно ориентированной цепи. Основное отличие состоит в том, что в
альфа-спиралях между собой связаны остатки одной цепи и связи параллельны
оси, в бета-листах – остатки двух (анти)параллельных тяжей , что определяет
форму структур. Бета-тяжи также могут образовывать новые водородные связи,
бета-структуры наращиваются и могут состоять из нескольких тяжей.
Исследование реверсивного поворота антипараллельных бета-структур
396-411 цепи A белка SYH_ECOLI.
Среднее значение угла = -89,5719
Среднее значение угла ψ= 73,15625
Стандартные связи, соответствующие формуле (см. выше): H(397,410), H(410,397),
H(408,399), H(399,408), H(401,406). Далее должна следовать связь H(401, 406), но вместо
неё идёт H(401,405) и H(401,404), которые стабилизируют бета-изгиб, и здесь цепь делает
реверсивный поворот (на 180˚). Образуются также дополнительные водородные связи
между остатками внутри одного тяжа: H(397, 399), H(398, 400), H(399,401), H(400б402),
H(405,407), H(408,410). Общий вид: H(n,n+2), нет определённой закономерности в том,
какие именно пары остатков будут образовывать водородные связи (каким будет n).
4. Исследование контактов между аминокислотными остатками
Контакты спирали с остальной частью молекулы распределены в пространстве
неравномерно.
4.1 Табл. Контакты альфа-спирали 16-36 с остальной частью цепи А белка
SYH_ECOLI.
Имя атома остатка
спирали
Расстояние в Å
Предположительная природа
контакта
Lys324a.O
Leu33a.CD
Имя
контактирующег
о атома
Arg24a.NH1
Cys130A.SG
2.362
3.523
Arg352b.NE
Tyr36a.CE
Tyr36a.CE
Ser35a.O
Arg352b.CD
Arg352b.CZ
2.686
3.936
4.333
Водородная связь
Ван-дер-Ваальсово
взаимодействие
Водородная связь
Гидрофобное взаимодействие?
Гидрофобное взаимодействие?
Образование гидрофобных связей.
На картинке показано взаимодействие остатка триптофана альфа-спирали с
остатками гистидина и тирозина и образование кластера. Т. к. все 3 остатка
гидрофобные, они стремятся повернуться радикалом от воды и
сворачиваются внутрь белка.
4.2. Поиск S-S- мостиков
В молекуле инсулина все остатки цистеина вовлечены в создание
дисульфидных мостиков.
В молекуле белка SYH_ECOLI нет дисульфидных мостиков. Это можно объяснить
тем, что остатки цистеина находятся слишком далеко друг от друга и не могут
образовывать мостики. Общее количество остатков цистеина: по данной в первом
цикле занятий последовательности 5, по тому, что показывает rasmol 4.
Возможно, молекула инсулина меньше, поэтому для неё выгодно свернуться так,
что образуются дисульфидные мостики, а молекула SYH_ECOLI большая, в ней
образуются другие связи, которые компенсируют отсутствие дисульфидных
мостиков.
4.3. Поиск водородных связей между боковой группой серина и
боковыми группами других остатков.
Водородная связь между боковыми группами остатка серина и остатка
треонина.
Водородные связи между атомом кислорода боковой цепи остатка серина и
атомом азота основной цепи белка (остатка глицина).
Поиск ионных контактов в цепи А белка SYH_ECOLI.
Общее количество положительно заряженных остатков в цепи 48.
Общее количество отрицательно заряженных остатков в цепи 49.
Всего заряженных остатков в цепи 97.
Ионные связи образует 14 отрицательно заряженных и 12 положительно
заряженных остатков, всего 26 остатков, что составляет соответственно 28,57% и
25%, всего 26,8% от общего количества остатков.
Ионная связь между отрицательно заряженным остатком глутаминовой
кислоты и положительно заряженным остатком гистидина. Атомы,
образующие связь, подписаны.
Практикум 10. Зачетное задание
1. Контакты белка с функциональным лигандом.
Табл. Контакты лиганда HISTIDYL-ADENOSINE MONOPHOSPHATE белком
SYH_ECOLI/
Имя атома
остатка белка
GLU131A.OE
TYR288A.CD
ARG113A.NH2
GLN127A.NE2
PHE125A.CD2
PHE125A.CE2
PHE125A.CD1
PHE125A.CB2
TYR122A.O
ARG311A.CZ
TYR263A.OH
TYR264.OH
GLU83.OE1
ARG259A.NH2
TYR122A.O
GLU115A.OE1
THR281A.O
TYR122A.O
Имя атома
лиганда
HAM450A.NE
HAM450A.CE
HAM450A.O2P
HAM450.O
HAM450A.C4
HAM450A.C5
HAM450A.C6
HAM450A.C2
HAM450A.N6
HAM450.C2
HAM450A.N
HAM450A.ND1
HAM450A.N
HAM450A.O3P
HAM450A.N6
HAM450A.N6
HAM450A.*HO2
HAM450A.N6
Расстояние в Å
3.282
4.508
2.480
2.911
3.333
4.138
3.742
3.423
2.732
3.893
2.876
2.639
2.648
3.000
2.732
2.783
3.655
2.732
Предположительная природа
контакта
Водородная связь
Гидрофобная связь
Водородная связь
Водородная связь
Гидрофобная связь
Гидрофобная связь
Гидрофобная связь
Гидрофобная связь
Водородная связь
Гидрофобная связь
Водородная связь
Водородная связь
Водородная связь
Водородная связь
Водородная связь
Водородная связь
Водородная связь
Водородная связь
Чтобы увеличить сродство белка к лиганду, можно заменить аргинин (311, цепь
А) на фенилаланин, т.к. его гидрофобные свойства выражены более ярко за
счёт бензольного кольца.
Чтобы уменьшить сродство белка к лиганду, можно заменить тирозин (263,
цепь А) на фенилаланин, который будет осуществлять все те же связи, кроме
водородной связи OH-N.
Замена глутаминовой кислоты (131, цепь А) на аспарагиновую слабо изменит
силу взаимодействия).
2. Структура белка, расшифрованная кристаллографом состоит из четырёх
цепей , а природная структура включает в себя только две цепи (что
представляет собой половину структуры, расшифрованной
кристаллографом).
Изучение описания белка SYH_ECOLI в БД PDBsum.
1. В цепи А белка 2 структурных домена.
Домен 1kmmA01.
Классификация
Class3
Alpha Beta
Architecture
3.30
2-Layer Sandwich
Topology 3.30.930
BirA Bifunctional Protein; domain 2
Homologous Superfamily 3.30.930.10 [Gene 3D]
Bira Bifunctional Protein; Domain 2
Домен 1kmmA02.
Классификация
Class 3
Alpha Beta
Architecture
3.40
3-Layer(aba) Sandwich
Topology 3.40.50
Rossmann fold
Homologous Superfamily
[PDB] Ligase
3.40.50.800 [Gene 3D]
Скрипты с сайта скопированы в папку Credit2.
Скрипт 1kmmA01.pl показывает белок в остовой модели, а домен 1kmmA01
в ленточной модели в синем цвете.
Скрипт 1kmmA02.pl показывает белок в остовой модели, а домен 1kmmA02
в ленточной модели в синем цвете.
Скрипт dom0102.pl показывает цепь А в ленточной модели с выделением
по доменам: домен 1kmmA01 красным цветом, домен 1kmmA02 синим цветом.
2.
Расположение элементов вторичной структуры в последовательности.
В заголовке страницы, на которой описано расположение элементов вторичной
структуры, написано, что количество остатков равно 386. В спиралях находится
158 остатков, бета-тяжах 84. Если исходить из этих данных, получим: в спиралях
40,9% от общего количества остатков в цепи А, в бета-тяжах 21,76%.
Следующая по представленности вторичная структура – бета-изгибы (76 остатков,
19,69% по составу).
3. В тех участках, где пептидная цепь изгибается достаточно круто, часто
находится β-петля. Это короткий фрагмент, в котором 4 аминокислотных остатка
расположены таким образом, что цепь делает реверсивный поворот (на 180˚).
4. Самая «кривая» спираль в белке в цепи А Leu291-Gln294 (наибольшее
значение отклонения – см. ниже), аналогичные спирали есть в трёх других цепях.
Тип спирали
Количество остатков
Отклонение от идеальной конфигурации
Длина
Остатков на виток
H (α-спираль)
4
39,2˚
6.26Å
3.93
α-спираль Leu291-Gln294, цветом обозначены остатки: зелёный –
гидрофобные, синий – полярные, красный – заряженные.
Например, ферментная реакция для E. C. 6. 1. 1. 21 (реакция, которую
катализирует фермент):


L-гистидин
ATP


AMP
На 69% совпадает
со связывающим
лигандом HAM.
тРНК
(HYS)

Дифосфат
L-гистидил
тРНК(HYS)