Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Модели, изображение и документация белковых структур
Представление полной структуры
Пространственные модели

Огромные таблицы, в которых записана полная структура, воспринимать очень трудно; очевидно, что они должны быть представлены в другой, более доступной форме. В этом разделе описаны все использующиеся сейчас способы представления полной белковой структуры.

Точные молекулярные модели громоздки, но удобны. Самым удобным представлением молекулярной структуры пока еще остается трехмерная модель. Такая модель незаменима при постановке любых экспериментов, основанных на знании полной структуры белка. В частности, она наиболее адекватна для поиска центров связывания субстратов и эффекторов. Однако такие модели громоздки и к тому же стоят очень дорого, чем и объясняется их сравнительно малая распространенность.

Проволочные модели

Проволочные модели Кэндрью — Уотсона наиболее точны. Проволочные модели Кэндрью — Уотсона [391] в масштабе 1 Å = 20 мм и диаметром проволоки 2 мм повсеместно используются для наиболее точного трехмерного представления белка. Вид такой модели показан на рис. 7.3, а. Положения атомов, которые специально не обозначены, соответствуют точкам разветвлений и концам проволочек. Валентные углы, длины связей и пептидные звенья в этой модели жесткие, но могут быть модифицированы. Двугранные углы можно свободно изменять: они фиксируются винтами на соединительных втулках. Поскольку используют только тонкие проволочки и винты, модели хорошо просматриваются.

Как правило, модели Кэндрью — Уотсона строят непосредственно по карте электронной плотности. Для этой цели карту вычерчивают в той же шкале (1 Å = 20 мм) на полупрозрачных пластиковых пластинах. Затем модель строят «в карте», т. е. модель и карту совмещают с помощью полупрозрачного зеркала при соответствующем освещении [392]. Эта процедура схематически представлена на рис. 7.4. «Прозрачность» модели позволяет видеть в зеркале каждую ее часть, даже когда построена вся молекула. На конечном этапе с помощью тубусов, перемещающихся по трем взаимно перпендикулярным осям, с модели считываются координаты атомов.

Рис. 7.3 (см. с. 164).

Рис. 7.3 (см. с. 164).

Рис. 7.3. Представление белковых структур.

а — аденилаткиназа, построенная с помощью проволочной модели Кэндрью—Уотсона [391) (масштаб 20 мм-1 Å), б — проволочная модель Бирона [393] основной цепи аденилаткиназы; отмечены положення трех боковых цепей (масштаб 5 мм —1 Å). в — аденилаткиназа, построенная из деталей модели Николсона [394] (масштаб 10 мм — 1 Å). г —объемная модель (детали КПК, масштаб 12,5 мм — 1 Å [395]) рибонуклеази S (представлена Викофом). д — стерическое изображение объемной модели (КПК) активного центра карбоксипептидазы (предоставлено В. Н. Липскомбом), е — стерическое изображение объемной модели поверхности молекулы цитохрома с (предоставлено Фельдманом и Портером [399]); изображение получено с помощью ЭВМ и выведено на цветной телевизионный экран.

Рис. 7.4. Оптический компаратор Ричардса (вид сверху) [392].

А — полупрозрачное зеркало, В — глаз наблюдателя. Модель и карта совмещаются при наблюдении в зеркале. С — карта электронной плотности, нанесенная на прозрачные пластины. D —рассеянный свет для освещения карты. Е — сфокусированный свет, высвечивающий строящуюся часть модели. F — строящаяся модель. G — жесткий каркас модели.

Скелетные проволочные модели просты для построения. Если нужно получить приблизительное представление о характере свертывания цепи, можно воспользоваться линейной проволочной моделью с небольшими изгибами в положениях С_а. Углы изгиба проволоки (виртуальные валентные и двугранные углы, рис. 7.10) рассчитывают по положениям С_а и переносят на проволоку диаметром 3 мм (1/8 дюйма) с помощью специального устройства 1393]. Для такой модели удобно пользоваться масштабом 1 Å = 5 мм. Важные боковые цепи можно присоединить после построения пептидного остова. Модель наглядна, и ее очень легко изготовить. На рис. 7.3, б показана такая модель аденилаткиназы.

Пластмассовые модели из легко скрепляемых деталей

Пластмассовые модели позволяют наглядно представлять химические свойства. Другая весьма распространенная модель собирается из вставляемых одна в другую пластиковых деталей, предложенных Николсоном [394]. В такой модели учитываются все атомы: неводородные атомы представлены шариками диаметром 8—10 мм, а атомы водорода — связями, ведущими к ним (диаметр связи 4 мм). Вид модели показан на рис. 7.3, в. В масштабе 1 Å = 10 мм модели Николсона значительно более компактны, чем проволочные модели Кэндрью — Уотсона.

Пластмассовые детали этих моделей окрашены, что позволяет более на^глядно представлять свойства отдельных групп белка: положительно заряженные группы (аммониевые и гуанидиниевые) имеют голубую окраску, отрицательно заряженные (карбоксильные) и гидроксильные группы — красную, сера — желтую, ароматические части — фиолетовую. На этом фоне легко прослеживается основная цепь, окрашенная в белый цвет. В связи с этим модели Николсона очень удобны для тех, кто хочет быстро разобраться в молекулярной структуре.

Модели Николсона далеко не столь точны, как модели Кэндрью — Уотсона. Кроме того, по ним трудно определять водородные связи. Поскольку размеры шариков и палочек сравнительно велики, то модель недостаточно «прозрачна». Поэтому модели Николсона лучше всего строить по координатам атомов, а не по карте электронной плотности (рис. 7.4). Однако, несмотря на эти недостатки, пластмассовые модели позволяют быстро и легко получать довольно подробную структурную информацию; они удобны также и для обучения.

Объемные модели

Объемные модели непосредственно передают поверхность молекулы. Объемные модели очень трудно построить для всей молекулы белка. Поскольку при построении всей модели белка внутренняя часть молекулы становится невидимой, то модели такого типа иллюстрируют только свойства поверхности. В связи с этим их используют преимущественно при выявлении центров присоединения субстрата или эффектора, т. е. для детализации взаимодействий белок — субстрат и белок — эффектор. Вид модели показан на рис. 7.3, г и 7,3, д.

К сожалению, детали наиболее распространенных объемных моделей, предложенные Кори, Полингом и Колтеном (КПК) [395], построены в масштабе 1 Å= 12,5 мм, который не соответствует ни модели Николсона, ни модели Кэндрью — Уотсона. Поэтому эти модели не могут быть использованы совместно, что безусловно оказалось бы полезным во многих случаях.

Модельные карты

Модельные карты соответствуют картам электронной плотности.

Первоначально данные рентгеноструктурного анализа получают в виде карты электронной плотности, представляющей собой стопку прозрачных пластин с контурами плотности, которые затем интерпретируются. Очевидно, что и исследуемую молекулярную структуру можно представить таким же образом. Такой опыт был проделан для рибонуклеазы [395]: все связи отпечатывались в виде полос, а вандерваальсовы огибающие полости — в виде соединяющихся кругов. Однако модельные карты не получили распространения. Очевидно, что по сравнению с другими типами моделей они значительно менее информативны, особенно при рассмотрении взаимодействий белка с другими молекулами.

Компьютерная графика

Проекция вращающегося объекта на телевизионный экран воспринимается как трехмерное изображение. В течение длительного времени графические системы ЭВМ не могли конкурировать с твердыми пространственными моделями. Ограничения, вносимые двумерным экраном катодно-лучевой трубки, были слишком жесткими для удовлетворительного изображения трехмерной структуры. Положение изменилось с появлением «быстрых» катодно-лучевых трубок и «быстрых» электронных устройств, предназначенных для расчета изменения координат в процессе вращения [397]. Такое устройство позволяет при вращении большого набора векторов, рассчитывать проекцию этого набора на данную плоскость (определяющую изображение) и одновременно давать изображение на экране. При скоростях вращения начиная с одного оборота за десять секунд и выше изображение на экране близко к изображению, которое мы получаем рассматривая объект, поворачивающийся в наших руках. Поэтому вращающийся объект (или набор векторов) на телевизионном экране воспринимается в трех измерениях.

Набор векторов на телевизионном экране может передавать и ковалентную структуру, если, например, векторы отвечают проволочкам модели Кэндрью — Уотсона; набор векторов может также изображать карту электронной плотности. Части модели и распределение электронной плотности можно показывать и одновременно, проверяя таким путем соответствие модели карте. Более того, поскольку эти системы взаимосвязаны, можно манипулировать моделью до получения наилучшего соответствия с картой [398]. При этом можно сохранить трехмерное восприятие, вращая модель и карту на экране.

В будущем компьютерная графика может заменить твердые пространственные модели. По своим возможностям графическая система ЭВМ приближается к оптическому компаратору (рис. 7.4). Однако графическая система позволяет показывать карту электронной плотности в любом нужном направлении или на любом уровне, а не только при фиксированных направлениях и уровнях, как это происходит в компараторе. Такие изменения направлений очень важны при рассмотрении распределения электронной плотности.

Объемные модели также можно преобразовывать на телевизионный экран [397, 399], однако в этом случае расчет внутренних частей занимает столько времени, что не позволяет вращать модель со скоростью, достаточной для создания трехмерного восприятия. Пример такого дисплея дан на рис. 7.3, е.

В настоящее время графические системы применяются лишь в больших научных центрах, которые могут оплачивать и оборудование, и персонал, необходимый для обслуживания и разработки соответствующих программ. Однако стоимость электронного оборудования уменьшается настолько быстро, что, по-видимому, наступит день, когда графические системы заменят оптические компараторы, а может быть, и молекулярные модели.