Уургийн моделийн боловсруулалтад В-факторын хязгаарлан баригчийг хэрэглэх

Товч агуулга

Уургийн багаас дунд зэргийн нарийвчлалтай моделиуд дахь В-факторын баригчийн шинэ төрлийг бий болгох санааг бид дэвшүүлсэн болно. Хоёр атомын В-факторууд  хоорондоо нэгдэхдээ системийн хувьд өөр өөр байдаг юм. Зарим атомын хослол нь маш их бат бөх байх нь бий. Хэдийгээр зөвхөн бага зэргийн чанартай кристаллографийн өгөгдөл бидэнд байгаа хэдий ч энэ төрлийн В-факторын баригчуудыг В-факторууд нь тодорхой мэдэгдэж буй уургийн бүтцэд маш бат бөх байдаг моделийг бий болгох бүрэн боломжтой юм.

Оршил

Макромолекул түвшний боловсруулалтад нь моделийн параметрийн тоотой харьцуулсан диффракцийн өгөгдөлгүйгээс болж ихээхэн төвөг учирдаг. Олон тохиолдолд кристаллийн диффракцийг хэмжих үед түвшин нь 3 Åоос илүү гараад ирэхэд гэрлийн эрчим нь маш сул болж ирдэг тул хэмжих боломжгүй болдог юм. Жишээ нь уусмалын хэмжээ 50%-г зэлэж байгаа гэж үзвэл атом болгон дээр ердөө 4-5 удаа гэрлийн ойлт ажиглагдах юм. Боловсруулалтад хэрэглэгдэж буй стандарт бүтцийн моделийн хэлбэрүүд нь атом болгонд 4 параметр байх шаардлагатай байдаг. Диффракцийн өгөгдөл нь моделийн бүх параметрүүдийг тогтоох хангалттай хэмжээний мэдээллийг агуулдаггүй юм.

Диффракцийн өгөгдлүүдийг баяжуулах хэрэг гарвал бид илүү өндөр нарийвчлалтай моделиос үүсгэсэн атомууд хоорондын харилцан үйлчлэлийн моделийг нэмж өгдөг. Өргөн хэрэглэгддэг баригчтай боловсруулалтын аргууд гэвэл XPLOP, TNT зэрэг юм. Эдгээр аргуудад тодорхой холбооны урт, өнцөг, байршлийг хадгалж байхын тулд атомуудын байрлалыг тогтмол барьдаг юм. Жижиг молекулын модель ашигласан стереохимийн баригчуудын тодорхой өгөгдлийн санг үүсгэхэд бид ихээхэн анхаарал тавьж байгаа болно.

Макромолекулын модельд ашиглах В-факторуудад хэрэглэгдэх зориулалттай баригчуудыг тодорхойлох талаар маш бага ажил хийгдсэн байгаа ч энэ судалгааныхаа эхэнд бид жижиг хэмжээний сайн тодорхойлогдсон уургийн моделийн өгөгдлийн цуглуулгийг ашиглан В-факторыг баригчийг олох зорилго тавьсан болно.

Аргачлалууд ба хязгаарлагдмал байдал

Макромолекулын моделийг багаас их хүртэлх нарийвчлалтай диффракцийн өгөгдөлд тавихад В-факторууд нь нэг атомоос нөгөөд хүчтэйгээр хэлбэлзэн хөдөлж эхэлдэг. Нарийвчлал бага байх тусам хэлбэлзэл илүү их байх болно.

В-фактор нь атомын хөдөлгөөний үндсэн хэмжигдэхүүн маягаар хэрэглэгдсээр ирсэн бөгөөд атомууд нь хоорондоо нэгдэж өөр өөр В-факторыг үзүүлнэ гэдэг нь тийм ч үнэмшилтэй бус юм. энэ байдлыг нэг мөр болгохын тулд баригч хэрэглэн атомуудын В-факторуудыг хоорондоо адил болгох явдал байдаг.

PROLSQ, XPLOR зэрэгт хэрэглэгдэж буй В-факторыг баригчдийг 1980 оны Коннерт, Хендриксон нарын судалгаан дээр үндэслэсэн болно. Энэ аргад нэг атом нөгөө атомын дээр байрлах байрлалыг барих ёстой юм. Хоёр дахь атомын В-фактор нь эхний атомын болон өөрийн харьцангуй хурдыг хадгалж байдаг ажээ. А, В, С гэсэн гурван атом байх тохиолдолд энэ аргаар А нь В-тэй, В нь С-тэй холбогдох юм. Энэхүү холбооны дагуу үүссэн анизотропик В-фактор дээр баригч хэрэглэж боломжтой юм. Коннерт, Хендриксон нар 2,5 Åын дундаж квадрат язгуурын утгын дотор багтах хүч үйлчлүүлснээр барилт хийж болно гэж үзсэн байна.

Коннерт, Хендриксон нарын судалгаан дээрээс мөн та хөдөлгөөн дээр хязгаарлан барилт хийх явдалыг олж харж болно. Энэ нь нэг ёсны А болон С атомуудын хооронд үүссэн холбоонд буюу анизотропик В-факторын бүрэлдэхүүн дээр хязгаарлалт тогтооно гэсэн үг юм. Энэ хязгаарлагч барилт нь 8 Åын утгатай дүйцнэ.

Коннерт, Хендриксон нар судалгаандаа мөн изотропик В-факторт хязгаарласан барилт хийж үзжээ. Изотроп В-факторын хязгаарлах барилтын үед тодорхой хүчний утга хэрэггүй юм.

Бид жишээчлэн серины үлдэгдлийн Оγ атомыг авч үзье. Энэ атом нь Сβ-тай холбоотой байдаг ажээ. Энэ хоёрын хоорондын анизотроп холбоог 2,5 Å хүчээр барьж байдаг. С­αβγ холбоо нь Оγ-ийн хөдөлгөөнийг саармагжуулдаг байна. С­αβ холбоо хоорондын Оγ-ийн анизотропик В-факторыг 8 Å утгын хүчээр барьж болдог. Харин дээр дурдсан хосоос бусад атомууд нь үндсэндээ хязгаарлагдалгүй үлдэж байгаа юм. Энэ нь N-С­αβγ холбоонд перпендикуляр атомууд зангилааны өнцгөөр чөлөөтэй эргэх нөхцлийг бүрдүүлж байгаа юм.

PROLSQ, XPLOR зэрэгт изотропик В-фактор дээр барилт ашигладаг. Изотроп барилт нь хамгийн их хязгаарлан барилтаас бага, хамгийн бага хязгаарлан барилтаас их байх ёстой бөгөөд гурван утгын дунджаар 8 болдог байна.

Гэвч дээрх аргуудад програм В-факторуудыг буруу, алдаатай хэмжих нь бий. Энэ алдааг анх 1985 онд Юу тэргүүтэй эрдэмтэд олж тэмдэглэжээ. Уг нь Оγ нь Сβ-с илүү утгатай В-фактортой байх тул өндөр утгатай баригч хэрэгтэй байх ёстой авч дээрх аргаар бол энэ хоёр атомын В-факторыг тэнцүүлэх гэж оролдсон байна. Тиймээс Оγ-ийн В факторыг системчлэлийн хувьд маш буруу хэмжсэн байх ажээ.

Тодорхой атомын хосууд өөр өөр В-факторын утгыг үзүүлдэг бол тодорхой бүлэг атомын хосуудын стандарт хазайлтыг нь авч үзэх шаардлагатай гарах юм. Иймээс N-С­α хосын В-фактор нь бүхий л бүтэц даяар адил байх ёстой юм.

Гэвч нэгэн жишээг дурдахад лизины үлдэгдэл тодорхой зөв дараалалтай байхад зарим нь замбараагүй маягийн дарааллаас тогтох нь бий. Зөв дараалалтай тохиолдолд нэг атом үндсэн гинжнээс бага зэрэг холдоход В-фактор бага зэргээр өсдөг байна. Харин замбараагүй дараалалтай гинжинд В-фактор маш ихээр өссөн байдаг байна. Тиймээс хязгаарлагч барилт хийхдээ лизины үлдэгдлийн хажуугийн гинжний атомуудад үндсэн гинжнийхээс бага хүчээр үйлчлэх хэрэг гардаг.

Коннерт, Хендриксоны арга нь В-фактор дахь хөдлөлийг багасгасан ч макромолекулын бүтцийн талаарх мэдээлэл тулгуурласан В-факторын өөрчлөлтийг урьдчилан тооцоолох боломжийг гаргаж ирээгүй билээ.

Санал болгох арга

Макромолекулуудын моделийн В-факторуудыг барихдаа доорх томъёог ашиглана:

B1 B2 нь хоёр атомын В-факторууд бол Δ1 нь атом 1-с атом 2 луу шилжих үед үүсэх В-факторын өөрчлөлт юм. σ(i) нь Δ1-ийн баталгаат чанарын хэмжигдэхүүн юм.

Моделийн параметрүүд нь энэ функцийг багасгахад зориулагдсан байдаг бөгөөд диффракцийн өгөгдлийн хязгаарлалт дахь үлдэгдлийг багасгадаг. Мөн холбоонуудыг ямар нэг хэв маяг дор ангилах нь чухал юм. Ингэсэн тохиолдолд шаардлагатай стандарт утгуудыг бууруулах юм.

Стандарт утгыг тодорхойлох

σ(i) болон Δ1-ийн утгыг тодорхой мэдэгдэж буй бүтэц дээрээ тулгуурлан шинэ хязгаарлан баригч ашиглахаасаа өмнө тооцож олох нь чухал. Тиймээс σ(i) болон Δ1-ийн утгуудыг уургийн молекулаас гаргаж авахаас өөр арга үгүй юм.

Энэ тохиолдол нь бас нэгэн ярвигтай байдлыг үүсгэж байгаа юм. Учир нь моделийг маш өндөр нарийвчлалтай диффракцийн өгөгдлийн сан дээр суурилан бүтээх ёстой байдаг ч модель дахь атомуудын хөдөлгөөн нь “энгийн” макромолекулуудынхтай ижил байх шаардлагатай болдог байна.

Диффракцийн өгөгдөл нь маш өндөр байх ёстой. Өөрөөр хэлбэл энэ нь дор хаяж 1.7Å байх ёстой. Мөн модель дахь В-факторуудыг ямар нэг хязгаарлан баригч байхгүй байх ёстой. Ямар нэг хязгаарлан баригч байх аваас шинээр баригч суурилуулж болохгүй.

Бага нарийвчлалтай диффракци дээр суурилсан тохиолдолд алдаа гарах нь их байдаг тул стандарт утгыг гаргаж авч буй моделиудыг бүх өгөгдөлтэй харьцуулан боловсруулалт хийх хэрэгтэй.

PROLSQ, XPLOR зэрэгт В-факторын судалгаанд дахин боловсруулалт хийх боломжтой ч шинэ хязгаарлан баригчийн функцээс хамаараад эдгээр программыг ашиглан стандарт утгыг гаргаж авах боломжгүй юм. Энэ нь Уургийн Өгөгдлийн Банкны ихэнх хэсгийг оруулахгүй гэсэн үг юм. Тиймээс дөрвөн төрлийн өгөгдлийн сетийг буюу нийтдээ 900 амин хүчлийн үлдэгдлийг ангилах нь чухал шаардлагатай болоод байна. Бүтцүүдийг хүснэгтэд үзүүлсэн болно.

Бүх төрлийн модель дахь В-факторын дундаж өөрчлөлт болон стандарт хазайлтыг нь бодож үзээд стандарт утгыг гаргаж авдаг. Нуклейн хүчлийн параметрүүдийг суурьгүйгээс үүдэн тодорхойлоогүй болно.

Уураг Нарийвчлал (Å) PDB id Судлаачид
Термолизин 1.6 8TLN (Holland et al., 1992)
Галууны лизоцим 1.6 153L1 (Weaver et al., 1995)
Мутант Т4 лизоцим 1.7 139L2 (Dixon and Matthews, 1994)
Γ химотрипсин 1.6 1GCT1 (Dixon and Matthews, 1989)

Эдгээр нь σ(i) нь Δ1-ийн утгыг гаргаж авахад ашигласан моделиуд юм. Т4 лизоцимын хэрэглэсэн модель нь мутант хэлбэр (C54T, N68C, A93C, C97A) юм. Ийнхүү мутант хэрэглэсний учир нь тухайн мутантын диффракцийн өгөгдлийн чанар нь маш сайн байсанд оршино.

Энд 1 хэмээн тэмдэглэсэн нь нэмэлт боловсруулалт хийгдэх шаардлагатай болохыг үзүүлсэн байна. Шинээр хийгдэх модификациуд нь хажуугийн гинжний зарим хэсгийн эргэлтийг шалгах, уусгагч молекул бүрийг дахин нягтлах байсан юм.

Энд 2-ын тоогоор тэмдэглэсэн нь моделийг ашигласны дараа маш бага өөрчлөлт оруулсан болно гэдгийг тэмдэглэжээ. Хэрэв эдгээр моделиудын В-факторууд нь найдвар муутай байсан бол бүх σ(i) параметрүүд нь хэтэрсэн утгатай гарах байсан билээ. Яг үнэндээ бол атом хоорондын холбооны дундаж σ(i) нь сайн зөв дараалалтай байсан юм. Энэ нь эдгээр моделиудын В-факторын тодорхой интерваль нь ойролцоогоор ±9Å байсан юм.

Үр дүн

Амин хүчил Атом 1 Атом 2 Δ1 σ(i) Дээж хэмжээ
Пептид N CA -0.2 4.6 898
CA C 3.7 7.4
C +N -3.5 6.6
C O -0.5 6.3
Аланин CA CB 0.7 3.5 80
Аргинин CA CB 0.3 8.5 36
CB CG 10.6 16.5
CG CD 10.1 21.3
CD NE 8.8 22.7
NE CZ 14.4 21.3
CZ NH1 -12.5 23.5
CZ NH2 -13.1 23.4

Дээрх хүснэгтэд В-Факторын хязгаарлан баригчдийг үзүүлсэн болно. Энд пептидийн бүлэг, 20 амин хүчил, дисульфид холбоонд В-факторын нөлөөллийн зарим эхний хэсгийг үзүүлсэн болно. Δ1 нь хоёр атомын байрлалаас хамаарна. Энд бид анхны атомын В-факторын дараачийн атомынхаас хассан болно. Тиймээс Треонины СВ болон СА-ны 8.2Å2–ийн Δ1 нь дунджаар СВ-ийн В-фактор нь дунджаар 8.2Å2 байдаг нь СА-ийнхаас илүү их байгаа юм.

Жишээ болгон треонин, валин хоёрыг авч үзье. Эдгээр амин хүчлүүд нь изо-бүтэцтэй ч маш өөр өөр гидрофоб чанартай бөгөөд химийн маш өөр өөр орчинд оршдог билээ. Треонины хувьд Сβ атомын В-фактор нь С­α-ийнхаас 8Å-р их байсан бол валины хувьд үүнтэй адил ялгаа нь 4Å байв. Энэ ажиглалт нь валины уургийн маш тогтвортой, зөв дараалалтай төвд ихэвчлэн оршдог шинжтэй холбоотой болохыг баталж байгаа юм. Мөн треонины хувьд стандарт хазайлт σ(i) нь хязгаарлан баригчуудын хувьд их байгаа нь треонины хажуугийн гинжинд олон янзын холбоонууд байдагтай холбоотой юм.

Треонины үлдэгдлүүд зарим тохиолдолд уургийн зөв дараалалт хэсэгт гүнд оршдог ч зарим тохиолдолд замбараагүй дараалалтай хэсэгт тохиолдох нь их байдаг. Харин валин нь үргэлж уургийн молекулын гүнд оршдог юм. Валины бага стандарт хазайлтын утга нь В-факторын корреляцийг үүсгэж байна.

Дундаж квадрат язгуурын хазайлтын “бай” утга юу вэ гэдгийг олох хэрэг энд гарч байна. Энэ утгыг солбин үнэлэх аргаар тооцож олсон болно. Солбисон аргаар тооцоход статистик анализыг хасагдсан өгөгдөлийг агуулсан дэд сет ба дэд сет болон мониторинг хийсэн тестийн анализын хоорондын зөвшилцөлтэй хамт давтаж хийдэг.

Энэ тохиолдолд σ(i) ба Δ1 хязгаарлан баригчдийн шинэ санг тодорхойлохдоо хасагдсан нэг уураг, хасагдсан уург дахь холбоонуудын дундаж квадрат язгуурын хазайлтыг ашиглан тооцсон болно. Уураг хасагдах тоолонд энэ тооцоог давтан хийнэ. Ингэсээр эцэст нь “бүрэн” солбисон үнэлэмж гарна. Эдгээр үр дүнг доорх хүснэгтэд үзүүлэв.

Хасагдсан уураг Шууд үнэлэмж Å2 Солбисон үнэлэмж Å2
Термолизин 5.453 6.055
Галууны Лизоцим 5.459 6.368
Мутант Т4 Лизоцим 5.935 6.186
Γ Химотрипсин 5.128 7.366
Дундаж 5.49(0.33) 6.49(0.60)

Сетээс уураг тус бүрийг гаргана. Ингэж үлдсэн уургуудаас хязгаарлан баригчдийн санг үүсгэх болно. Шууд үнэлэмж нь санг бий болгоход оролцсон уургуудийн дундаж квадрат язгуурын алдаа юм. Харин солбисон үнэлэмж нь хасагдсан уургийн холбооны дундаж квадрат язгуурын алдаа юм. Тиймээс солбисон үнэлэмжийн дундаж утгыг ашиглаад шинэ уургийн модель гаргаж авах боломжтой юм. Энэ хязгаарлан баригчийн үндсэн утга нь 6.5 Å2 байх юм.

Жишээ боловсруулалт

Санал болгох баригчдийн үр нөлөөг батлахын тулд хэд хэдэн боловсруулалт хийх шаардлагатай. Сонгож авсан бүтэц нь фосфорамидон дарангуйлагчтай термолизины комплекс юм. Кристалууд хэдийгээр маш сайн диффракцад орсон ч гарч ирсэн өгөгдөл ердөө 2.3Å нарийвчлалтай байв.

Эхлэх модель нь боловсруулаагүй дарангуйлагч моделийг ашиглан дарангуйлагчгүй термолизин гаргах замаар хийгдсэн болно. Термолизины моделийг PROLSQ ашиглан боловсруулсан болно.

Эхний боловсруулалтыг моделийг 30 циклээр TNT боловсруулалтын бүрдэл ашиглан В-фактор дээр ямар нэг стереохимийн баригч хэрэглэлгүй хийнэ.

Эцсийн модель нь нийтдээ В-факторын 14.0 Åхэмжээний зөрөө гарж байв. Хоёр дахь боловсруулалтад шинэ санг ашиглан В-факторын зөрөөний дундаж квадрат язгуур нь 6.4Å2 болж байлаа.

Хэдийгээр баригчийн зөвшилцөл маш их өссөн ч R үнэлэмж нь ердөө 0.1%-р өсжээ. Энэ үр дүнгүүд нь баригч ашиглах нь диффракцийн 2.3 Å2 өгөгдөл дээр байгаагүй шинэ мэдээлэл нэмсэн болохыг баталж байна.

Дүгнэлт

Уургийн багаас дунд зэргийн нарийвчлалтай моделиуд дахь В-факторын баригчийг ашиглах нь стереохими дээр суурилсан болно. Тооцоог хийх нь хялбар энгийн бөгөөд маш бага нэмэлт тооцоо шаардана. Энэ нь В-факторуудыг найдвартай тодорхойлогдсон бүтцэд ажиглагдах боломжийг олгосон байна.

Энэ үйл явц нь диффракцийн өгөгдлийн нарийвчлал 2Å болоод түүнээс доош байх хязгаарлагдмал тохиолдолд хэрэглэгдэх боломжтой. Үүнийг илүү өндөр нарийвчлалтай үед хэрэглэж болох ч хязгаарлан баригчийн сан дахь уургийн бүтцүүдийн найривчлал (1.6-1.7Å), дээжийн бага хэмжээнээс хамааралтай байх ёстой юм.

Хязгаарлан баригчид болон бүхий л үйл явц маань TNT боловсруулалтын бүрдэлд багтсан юм. Гэвч үүнийг зөвхөн уурагт хэрэглэж болох ба нуклейн хүчил, энзимийн ко-факторуудад хийгдэх талаар судалгаа явуулах чухал шаардлагатай юм.

Advertisements

Хариулт үлдээх

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Өөрчлөх )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Өөрчлөх )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Өөрчлөх )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Өөрчлөх )

Connecting to %s