«Исследование структуры 1TDJ»

Заголовок «Исследование структуры 1TDJ»

1.  Заголовок «Общее описание структуры 1TDJ»

1.1.  Табл. «Компоненты структуры, описанной в документе PDB 1TDJ» из протокола к занятию 6.

Заголовок структуры: ALLOSTERY

Название структуры: THREONINE DEAMINASE (BIOSYNTHETIC) FROM E. COLI

В документе представлены следующие цепи макромолекул:

Идентификатор цепи	Число остатков	Название молекулы	Комментарии
NULL	514	BIOSYNTHETIC THREONINE DEAMINASE	SCHIFF BASE LINKAGE BETWEEN LYS 62 AND PLP

Реально цепь начинается с 5ого остатка (GLN).

В документе представлены следующие низкомолекулярные вещества:

ID	Название	Формула	Число копий	Комментарии
PLP	PYRIDOXAL-5'-PHOSPHATE	C8 H10 N1 O6 P1	1
HOH	Вода	H2 O1	33	Вода

*Картинка «Компоненты структуры» к упр. 5 с пояснениями

На рисунке зеленой нитью отображена цепь белка, красными шариками – молекулы воды, темным цветом (в виде бензольного кольца с радикалом) – лиганда PLP.

*Оценка размеров глобулы, протокол к упр.7 занятия 6

По картинке:

в ширину ~ 95 Å

в глубину ~ 45 Å

в высоту ~ 60 Å (слева), 50 Å (справа)

диаметр перемычки ~ 15 Å

Данная структура имеет вид шпульки («огрызка»). Сбоку – овальная.

1 ангстрем = 10-10 м.

Аппроксимируем белок сферой радиуса r=35 Å ((95*45*50*3/4/pi)^(1/3)~37).

  1) Сколько молекул Вашего белка поместится в одной клетке Escherichia coli, если аппроксимировать клетку цилиндром r=0.5μm и h=2μm?

  μm = мкм = 10-6? Тогда объем клетки V=pi*r2*h~3,14*(5/10^7)^2*2/10^6=1,57/10^18 m3. Объем структуры V2=4/3*pi*r3=4/3*3,14*(35/10^10)^3~1,8/10^25 m3. V/V2~ 8,72*10^6. То есть 8,5 млн. … Но ведь в клетке есть нуклеоид. А он наверно хоть половину клетки займет, так что в 1 клетке поместится где-то 4 млн. молекул белка THD1_ECOLI.

  2) Предположим, что все 4400 белков кишечной палочки были синтезированы одновременно и в равных количествах. Предположим, что размеры всех белков одинаковы и равны размерам Вашего белка. Предположим, что в клетке ничего нет, кроме белков. Сколькими молекулами будет представлен каждый белок?

  Каждый белок будет представлен ~ 8,72*10^6/4400~1982 молекулами.

  3) Современные фирмы создают кристаллы CPU с точностью до 0.13μm. Сколько молекул Вашего белка поместится на линейке такой длины?

  Если укладывать поперек и «боком», то 1,3/10^7/(45/10^10)~28 белков.

  Если укладывать «сферы», то 28*(45/(35*2))~18 белков.

  4) Предел разрешения светового микроскопа оценивается как λ/2, где λ - длина волны. Сколько молекул белка потребуется, чтобы создать объект, видимый под световым микроскопом?

  Видимый спектр света: 400 – 700 нм. Поэтому максимальная разрешающая способность светового микроскопа = 400/2=200 нм ((http://ou. tsu. ru/hischool/botanika/gl1.html)). Поэтому видимый объект должен быть по площади >= квадрата 200*200 нм (S=0,04 мкм2). То есть содержать примерно (>=) 4/10^14/(pi*(35/10^10)^2)~1040 белков-сфер.

  Или примерно (>=) 2/10^7/(2*35/10^10)~29 белков-сфер.

2.  Заголовок «Торсионные углы в полипептидной цепи THD1_ECOLI»

2.1.  Таблица «. Измерение торсионных углов остатка 10 (ALA) в белке THD1_ECOLI, цепь *» см протокол к занятию 7

Двугранный угол	Угол определяется по координатам атомов (обращение к атому в соответствие с синтаксисом RasMol, в скобках – название атома)	Результат измерения с помощью RasMol
φ	GLY9:*.C	ALA10:*.N	ALA10:*.CA	ALA10:*.C	-130.7
ψ	ALA10:*.N	ALA10:*.CA	ALA10:*.C	PRO11:*.N	56.5
ω	ALA10:*.CA	ALA10:*.C	PRO11:*.N	PRO11:*.CA	178.2

2.2.  Картинка с подписью к упр.2 занятия №7.

(На картинке под атомом N находится атом CA. Они спроецированы в одну точку, чтобы на картинке был виден торсионный (двухгранный) угол.)

Для определения торсионного угла φ нужны координаты атомов: GLY9.C, ALA10.N, ALA10.CA, ALA10.C. Перпендикулярно прямой N–CA проводится плоскость, на нее проецируются все 4 точки, соответствующие атомам. На картинке не видно атома ALA10.N т. к. он находится на одной прямой с атомом ALA10.CA и поэтому проецируется в ту же точку плоскости, что и ALA10.CA. В результате, угол φ изображении на рисунке. Он отрицателен, т. к. он «рисуется» против часовой стрелки от связи C-N к связи CA-C.

2.3.  Карты Рамачандрана и комментарии к ним, см. протокол к упр.3 занятия №7.

все остатки пролина THD1_ECOLI

Может быть причиной такого расположения «точек» является включение –NH2-группы в цикл.

все остатки глицина THD1_ECOLI

Такой разброс значений можно объяснить отсутствием у гилцина бокового радикала, мешающего вращению вокруг связей.

все остатки THD1_ECOLI, кроме остатков пролина и глицина

«Точки» в основном располагаются в верхней части «2 четверти» и в «3 четверти» ближе к 0. В 1 четверти несколько точек, и всего 2 в 4ой. -90 < Psi < -10, 90 < Psi < 160; -160 < Phi < -30.

все остатки в альфа-спиралях

В альфа-спирали угля должны быть достаточно жестко определены, т. к. это можно сказать постоянная структура. Поэтому концентрация сочетаний углов в 3ей четверти. Во 2ой четверти несколько точек, в 4ой – 1, в 1ой – нет. -90 < Psi < -20; -90 < Phi < -30.

все остатки в бета-листах

Почти все значения во 2ой четверти, оставшиеся 2 – в 3ей. 100 < Psi < 160, -160 < Phi < -60.

Бета-листы также регулярные структуры, поэтому углы не сильно различаются.

В большинстве случаев угол Phi отрицательный. Исключениями могут быть остатки глицина.

3.  Заголовок «Исследование элементов вторичной структуры.»

3.1.  Подзаголовок «Исследование альфа-спирали 321-333 белка THD1_ECOLI»

3.1.1.  Картинки 2.5а, 2.5b, 2.5c из протокола к упр.2 занятия 8

спираль в остовной модели с «торца», около каждого Сa – атома приведен номер остатка

спираль в «толстой» проволочной модели, вид с боку, показаны только атомы основной цепи (N, Ca, C,O), около каждого Сa – атома приведен номер остатка; пунктирной линией показаны водородные связи в основной цепи. Стрелочка указывает направление оси спирали.

атомы основной цепи спирали в проволочной модели, а атомы Cb показаны как шарики.

Сb атомы расходятся от центра спирали в стороны, причем не по радиусам, а немного закручено в сторону кручения самой спирали, если смотреть «сзади с торца» (с начала), и отклонены к началу спирали.

3.1.2.  Описание параметров спирали, см. протокол к упр.2.1-2.4 занятия 8

Средние значения углов j и y у аминокислотных остатков спирали равны -52,4 и -46,8 соответственно. (Exel)

Шаг спирали: +3,3 (число элементов на виток: 13 ао на 4 витка, примерно 3,3 ао на виток)

Среднее смещение на остаток по оси спирали: d = 5.66/3.3 ~ 1,72 Å

(Phe321.CA-Leu324.CA: 5.55

His322.CA-Arg325.CA: 5.61

Gly323.CA-Tyr326.CA: 5.78

Arg325.CA-Ser328.CA: 5.43

Arg325.CA-Glu329.CA: 6.10

Tyr326.CA-Arg330.CA: 6.11

Ser328.CA-Cys331.CA: 5.13

Ser328.CA-Glu332.CA: 5.89

Arg330.CA-Leu333.CA: 5.31

Среднее значение: 5.66)

*радиус: r<2,4 Å. Такая цифра получается, если взять 4 верхних Сa–атома, измерить расстояния между ними по диагонали, взять среднее значение и поделить пополам. По идее радиус будет еще меньше, т. к. эти 4 атома расположены под углом к оси спирали, а не перпендикулярно ей.

Всего водородных связей: 364.

Для альфа-спирали:

H(328,332), H(327,331), H(326,330), …

H(i, i+4), где i – натуральное.

Дополнительные водородные связи: H(321,324) (- первый ао в спирали), H(332,335) (- предпоследний ао в спирали).

*Ответы на доп. вопросы, см упр.2.6 занятия 8

Средняя длинна водородной связи в альфа-спирали: 3.2 Å. (Измерены длины Н-связей: 321-324: 2.8; 322-326: 4.2; 323-327: 3.5; 324-328: 3.3; 325-329: 3.0; 326-330: 2.8; 327-331: 2.9; 328-332: 2.7; 329-333: 3.4. В Excel найдено среднее арифметическое значение)

(Ковалентные радиусы H и O равны 0.23 и 0.68 соответственно.) А вандерваальсовы радиусы H и O равны 1.20 и 1.52 соответственно. => молекула воды не может поместиться внутри спирали.

Шаг спирали примерно 1,7 Å, таких шагов в спирали из 900 ао 899. => длина спирали (белка SCP-1): 899*1,7 ~ 1528 Å.

3.2.  Подзаголовок «Исследование антипараллельной бета-структуры 338-344, 378-384 белка THD1_ECOLI»

3.2.1.  Картинки 3.2 и 3.4 из протокола к занятию 8

бета-тяжи в «толстой» проволочной модели, вид с боку, показаны только атомы основной цепи (N, Ca, C,O), около каждого Сa – атома приведен номер остатка; пунктирной линией показаны водородные связи в основной цепи.

бета-тяжи в ленточной модели (основная цепь), атомы Сb представлены шариками, вид с боку, около каждого Сa – атома приведен номер остатка; пунктирной линией показаны водородные связи в основной цепи.

Связи Сa-Сb расположены почти под прямым углом к плоскости тяжей. У ао, связанных водородными связями, атомы Сb находятся с одной стороны плоскости тяжей.

*Протокол к упр.3.1, 3.3 занятия 8

Средние значения углов j и y у аминокислотных остатков спирали равны -104,7 и 125 соответственно.

Тяж 338-344: i i+1 i+2 i+3 … i+6

Тяж 378-384: j+6 j+5 j+4 j+3 … j

Пусть 2ао, находящиеся напротив друг друга, называются парой ао. Тогда водородные связи образуются у каждой второй пары ао. На 1 пару ао приходится 2 водородные связи.

Обобщенный паттерн Н-связей можно представить как: H(i+2x, j-2x) и H(j-2x, i+2x), где x – натуральное.

Дополнительные водородные связи: H(342,344), H(341,343), H(379,381), H(378,380).

Для альфа-спиралей основные водородные связи можно задать формулой: H(i, i+4). Для антипараллельных бета-структур подобная запись не возможна, т. к. связи образуются между ао разных последовательностей (i и j не связаны друг с другом), а не одной.

3.3.  Подзаголовок «Исследование параллельной бета-структуры 47-51, 309-313 белка THD1_ECOLI»

3.3.1.  Картинки 4.2 и 4.4 из протокола к занятию 8

бета-тяжи в «толстой» проволочной модели, вид с боку, показаны только атомы основной цепи (N, Ca, C,O), около каждого Сa – атома приведен номер остатка; пунктирной линией показаны водородные связи в основной цепи.

бета-тяжи в ленточной модели (основная цепь), атомы Сb представлены шариками, вид с боку, около каждого Сa – атома приведен номер остатка; пунктирной линией показаны водородные связи в основной цепи.

Связи Сa-Сb расположены почти под прямым углом к плоскости тяжей. У пар ао атомы Сb находятся с одной стороны плоскости тяжей и связи Сa-Сb отклонены в одинаковые стороны от перпендикуляра.

*Протокол к упр.4.1, 4.3 занятия 8

Средние значения углов j и y у аминокислотных остатков спирали равны -117,4 и 133,5 соответственно.

Тяж 47-51: i i+1 i+2 i+3 … i+6

Тяж 309-313: k k+1 k+2 k+3 … k+6

H(i, k+1), H(k+1,i+2), H(i+2,k+3), H(k+3,i+4), …

Обобщенный паттерн Н-связей можно представить как: H(i+x, k+x+1), H(k+x+1,i+x+2), где x=0, 2, 4, …

Дополнительная водородная связь: H(47,49).

Для альфа-спиралей основные водородные связи можно задать формулой: H(i, i+4). Для параллельных бета-структур подобная запись не возможна, т. к. связи образуются между ао разных последовательностей (i и k не связаны друг с другом), а не одной.

*Протокол доп. упр. 5-6 занятия 8

Сравните строение антипараллельной и паралельной b-структуры

У антипараллельной структуры:

·  N-конец первого тяжа совмещен с C-концом второго тяжа, и наоборот, а у параллельной – N-конец первого тяжа совмещен с N-концом второго и наоборот.

·  среднее значение угла φ больше, а угла ψ – меньше примерно на 15°.

·  Водородными связями соединены ао через 1, а у параллельной – зигзагом все ао (не считая первых и последних).

·  4 дополнительные водородные связи, а у параллельной – 1.

Отличия в структуре альфа-спирали и бета-структур.

У альфа-спирали:

·  1 цепь, а у бета-структур – 2 и более.

·  Водородные связи между ао самой спирали, а у бета-структур – между разными цепями.

·  Форма спирали, а у бета-структур – листа, складчатости.

Основным отличием является число цепей и водородные связи (в альфа-спирали они параллельны оси спирали, а в бета-структурах – перпендикулярны), а из этого вытекают остальные отличия. Альфа-спираль более постоянна, а бета-структуры могут «расширяться» (состоять из 2, 3 и более тяжей).

4.  Заголовок «Исследование контактов между аминокислотными остатками»

4.1.  Табл. «Контакты альфа-спирали 321-333 с остальной частью цепи * белка THD1_ECOLI»

Имя атома остатка спирали	Имя контактирующего атома	Расстояние в Å	Предположительная природа контакта
Arg330:*.NH	Asp268:*.OD	2.52	Водородная связь?
Glu332:*.O	Glu335:*.N	2.68	Водородная связь?
Glu332:*.O	Arg337:*.NE	2.70	Водородная связь?
Glu332:*.CG	Arg337:*.CD	2.84	Гидрофобное взаимодействие?
Cys331:*.SG	Cys271:*.O	3.09	(Может вдв (3,32))
Val327:*.CG	Cys271:*.O	3.15	Может вдв (3,22)
Glu332:*.O	Glu335:*.CB	3.13	Может вдв (3,22)
Val327:*.CG	Cys271:*.CB	3.13	Гидрофобное взаимодействие?
Arg330:*.NH	Asp268:*.CG	3.28	Может вдв (3,25)
Arg330:*.NH	Asp268:*.OD	3.38	Водородная связь?

*Ответ на доп. вопрос к упр.1 занятия 9

4.2.  Ответы на вопросы упр.2 занятия 9 (было 8).

В молекуле инсулина все остатки цистеина (12) попарно включены в дисульфидные мостики (6). Эти связи придают прочность молекуле.

В THD1_ECOLI есть 7 остатков цистеина, но они расположены на значительных расстояних друг от друга и дисульфидных мостиков не образуют. Белок THD1_ECOLI крупнее инсулина и возможно поэтому в нем нет мостиков, а в инсулине есть.

4.3.  Картинка к упр.3 занятия 9, комментарии к картинке

Водородная связь между O боковых групп серина и тирозина (из pol_def)..

Были выбраны все ао Серина и отображены в проволочной модели, далее выбраны все OG атомы выбранных остатков. Далее был произведен поиск атомов из множества pol_set (PolarGroups. def) на расстоянии не более 3,5 Å, найденные атомы отображены крупными шарикми. Потом выбрана понравившаяся пара J.

*Доп. картинка к упр.3 занятия 9 +комментарий

Водородная связь между O боковой группы серина и N изолейцина основной цепи белка.

*Протокол доп. Упр.4 занятия 8..

общее количество положительно и отрицательно заряженных остатков в цепи соответственно равно 66 и 61