Молекулярная замена - Molecular replacement

Молекулярная замена^[1] (или MR) - это метод решения фазовая проблема в Рентгеновская кристаллография. MR основывается на существовании ранее решенной белковой структуры, которая похожа на нашу неизвестную структуру, из которой получены данные дифракции. Это могло произойти из гомологичный белок, или из более низкого разрешения белок ЯМР структура того же белка.^[2]

Первая цель кристаллографа - получить карту электронной плотности, которая связана с дифрагированной волной следующим образом: ${ displaystyle rho (x, y, z) = { frac {1} {V}} sum _ {h} sum _ {k} sum _ {l} | F_ {hkl} | exp ( 2 pi i (hx + ky + lz) + i Phi (hkl)).}$

С обычными детекторами интенсивность ${ Displaystyle I = F cdot F ^ {*}}$ измеряется, и вся информация о фазе ( ${ displaystyle Phi}$ ) потерян. Тогда при отсутствии фаз (Φ) мы не сможем завершить показанный преобразование Фурье связывая экспериментальные данные из Рентгеновская кристаллография (в взаимное пространство ) к плотности электронов в реальном пространстве, в которую встроена модель атома. MR пытается найти модель, которая лучше всего соответствует экспериментальной интенсивности среди известных структур.

Принципы молекулярного замещения на основе Паттерсона

Мы можем вывести Карта Паттерсона для интенсивностей, которая представляет собой межатомную векторную карту, созданную возведением в квадрат амплитуд структурных факторов и установкой всех фаз на ноль. Эта векторная карта содержит пик для каждого атома, относящегося к каждому другому атому, с большим пиком на 0,0,0, где векторы, относящиеся к атомам, «накапливаются». Такая карта слишком шумна, чтобы получить какую-либо структурную информацию с высоким разрешением - однако, если мы сгенерируем карты Паттерсона для данных, полученных из нашей неизвестной структуры и из структуры ранее решенного гомолога, в правильной ориентации и положении в пределах ячейка, две карты Паттерсона должны быть тесно коррелированы. Этот принцип лежит в основе MR и может позволить нам сделать вывод об ориентации и местоположении неизвестной молекулы с ее элементарной ячейкой.

Из-за исторических ограничений вычислительной мощности поиск MR обычно делится на два этапа: вращение и перевод.

Функция вращения

В функции вращения наша неизвестная карта Паттерсона сравнивается с картами Паттерсона, полученными из нашей известной структуры гомологов в различных ориентациях. Исторически r-факторы и / или коэффициенты корреляции использовались для оценки функции вращения, однако современные программы используют максимальная вероятность алгоритмы. Наивысшая корреляция (и, следовательно, баллы) получаются, когда две структуры (известная и неизвестная) находятся в одинаковой ориентации (-ях) - их можно затем вывести в Углы Эйлера или же сферический полярный углы.

Функция перевода

В функции перевода теперь правильно ориентированную известную модель можно правильно расположить, переведя ее в правильные координаты в асимметричном блоке. Это достигается путем перемещения модели, вычисления новой карты Паттерсона и сравнения ее с неизвестной картой Паттерсона. Этот поиск методом перебора требует больших вычислительных ресурсов, и в настоящее время чаще используются функции быстрого преобразования. Позиции с высокой корреляцией выводятся в Декартовы координаты.

С помощью de novo предсказанные структуры в молекулярном замещении

С улучшением de novo предсказание структуры белка многие протоколы, включая MR-Rosetta, QUARK, AWSEM-Suite и I-TASSER-MR, могут генерировать множество нативных структур-приманок, которые полезны для решения фазовая проблема путем молекулярного замещения.^[3]

Следующий шаг

После этого у нас должны быть правильно ориентированные и переведенные модели фазирования, из которых мы можем получить фазы, которые (надеюсь) достаточно точны для получения карт электронной плотности. Их можно использовать для построения и уточнения атомарной модели нашей неизвестной структуры.

внешняя ссылка

Phaser - Одна из наиболее часто используемых программ молекулярной замены.
Молреп - Пакет молекулярной замены внутри CCP4
Статья Phaser в PDBe - Полезное введение в тему, являющееся общественным достоянием.

[1] Глава 10 в "Принципах рентгеновской кристаллографии белков", автор Ян Дрент (2-е изд.) Springer, 1999

[2] Рамелот, TA; Раман, S; Кузин, АП; Xiao, R; Ma, LC; Актон, ТБ; Хант, JF; Монтелионе, GT; Бейкер, Д; Кеннеди, Массачусетс (апрель 2009 г.). «Улучшение качества структуры белка ЯМР путем уточнения Rosetta: исследование молекулярной замены». Белки. 75 (1): 147–67. Дои:10.1002 / prot.22229. ЧВК 3612016. PMID 18816799.

[3] Джин, Шикай; Миллер, Митчелл Д .; Чен, Мингчен; Шафер, Николас П .; Линь Синчэн; Чен, Сюнь; Филлипс, Джордж Н .; Уолинс, Питер Г. (1 ноября 2020 г.). «Фазирование молекулярной замены с использованием предсказанных белковых структур из AWSEM-Suite». IUCrJ. 7 (6): 1168–1178. Дои:10.1107 / S2052252520013494.

[1]

[2]

[3]