蛋白质晶体学简介(根据牛津大学Stuart教授的讲义译编)(4)

2019-04-17 15:20

由于傅立叶级数系数的―断尾效应‖,在原点峰周围会造成波动,这可能掩盖图中的真正峰。锐化(sharpening)结构因子振幅的观测值可能有助于解释难度较大的图。具有高对称性和(或)高非晶体学对称性的差值Patterson图比较复杂,但这一定要与不能提供正确相位的低质量衍生物的直接噪音相区别。打印出预测的Patterson峰去和实际的Patterson峰进行对比,往往可以帮助解释复杂的差值Patterson图。

重原子位点的坐标可被改进, 并可通过重原子修正程序获得占有率及温度因子的数值。重原子的修正用结构因子或结构振幅。相位修正使用所有可能的信息, 应成为首选方法。然而, 对于单一衍生物而言, 振幅的修正更为有效,根据我们的经验,对应Patterson图的简单修正效果很好。如果能得到多个衍生物或反常散射数据, 相位的修正会更好一些.。由于相角的限制, 中心对称反射在这个阶段特别有价值。遗憾的是重原子修正会增加由于偏差而导致的问题,尤其是对于非中心对称的衍射点。所以用?眼睛‘检查修正是否确实合理改善了差值Patterson图的一致性是很重要的。衍生物的一个主要位点确定后, 得出的相位结果可用于差值傅立叶分析寻找同一衍生物其余次要位点或解决其它衍生物的重原子位置 (同样的,也可检查解出的重原子位置在自身Patterson图中是否有所表现)。

下列各步可提供进一步的检查:

? 检查原始差值Patterson图上所有主要峰的吻合程度;

? 采用约缺傅立叶差值图(Ommite map)检查相位的故意约缺部分的正确性;

? 蛋白质电子密度图的可解释性 (最终实验!)。

一般情况,好的重原子衍生物的蛋白质相位的最终平均品质因子值应为0.6或更好,平均品质因子值降至0.3,则意味着相位信息需合理权衡才能与其它衍生物的相位合并使用,或可用第六部分介绍的方法改善。按分辨率壳层监测重原子衍生物的相位力(phasing power)(即重原子结构因子振幅/平均闭合误差(mean error of closure)),一旦这个数值小于1, 通常认为这个重原子衍生物不再有相位力(也有例外)。总的相位力大于1.5时意味着是一个有潜在使用价值的重原子衍生物。

用单对同晶法解决相位时,相位的双解问题,可用反常散射分量(见5.3部分)和溶剂扁平化(solvent flattening)来解决。在没有反常散射时, Friedel点对(hkl和-h-k-l)强度相同, 因此, 甚至在多个同晶重原子衍生物存在时,仍可能有两种明显(―手‖型)为同样有效自身一致的重原子位点(x, y, z或-x, -y, -z)。利用反常散射信息可正确地选择―手‖型。如手型错误的话,?螺旋电子密度图看起来将像左手螺旋; 交换―手‖型即可改正过来(注: 对于对映空间群也涉及与―镜像‖空间群的交换)。

5.2 分子置换法(MR)

分子置换法是使用一个已知的三维结构作为一个粗略模型,计算被观察的未知蛋白质结构的结构因子振幅的起始相角。当然, 这要假定二者结构上很相似。因此只有当蛋白质与一个已知三维结构的蛋白质的氨基酸序列同源性很高(通常至少为30%同源性, 50%以上更好)时才能使用这个方法。一个例外是病毒家族如微小RNA病毒, 尽管序列很不相同, 其中的衣壳结构却很相似。如果大分子复合物其中一个已知组分包括了复合物相当的一部分(超过33%), 则该组分可能就足够了(BTV结构为例)。

如能为同源结构家族建立一个―平均‖结构作为起始模型可能更为有利。已知的结构模型必须正确放置在未知结构的晶胞中。如果两个结构相似的话, 它们的Patterson函数也应相似。对于一个蛋白质晶体的Patterson函数是计算晶胞中分子内向量在原点周围的分布。因此在原点周围的Patterson函数分析可决定模型的取向(采用旋转函数)。考虑分子间向量后可决定分子在晶胞中的位置(采用平移函数)。使用分子置换法一般分以下三个步骤:

第一步计算交*旋转函数指出分子的正确取向。在不同分辨率范围内重复进行计算以检查峰的重复性。计算中试用几个不同的积分半径,但积分半径不应超过未知分子预期尺寸的一半, 尤其是必须小于晶胞最短的尺寸,以避免侵入邻近的原点峰。

P1模型晶胞的尺寸应远远大于模型分子 (以避免分子间向量对Patterson函数的干扰) 。观测结构因子的锐化(sharpening)可能对峰的解释有好处。

第二步将模型以―正确‖取向放置在真实的晶胞中,(请特别注意原子坐标的正交化的变化情况!)重新运行交*旋转函数 (相对旋转现在应为零) 进行检查。由于第三步对取向的准确性非常敏感, 应注意获取可能的最优数值,如果几个数值看起来都同等有效,每一个都要尝试第三步。最近设计了一种相关系数修正 (基于将观测值和计算值的Patterson系数之间的一致性最大化) 的简单方法,可以用于修正大量最好的交*旋转函数的解。这一方法的出现提供了一种自动、可*的方法去筛选和改进大量的交*旋转函数的解。

第三步计算平移函数以寻找模型分子在晶胞中的正确位置。, 可根据R因子和相关系数的标准来判断。一般相关系数比R因子具有更高的灵敏度及可*性。

在实际应用中,不对称单元中存在多个未知分子使计算分析的难度增大, 除非这些分子之间的相对位置已知。在研究模型中加入分子间的相对位置信息对于结构解析会有所帮助 (如对于二体, 三体或四体,尝试低聚物模型)。该方法的应用成功与否可能主要取决于所用的模型,一般情况下,成功的MR方法的范例,其模型分子和未知分子之间的r.m.s.的偏差不大于1?。其他值得注意的有:

1, 对于铰链型结构, 如Fab, 在铰链处断裂, 可将两个组分作为两个独立的模型对待(参考书45介绍了一个可行的方法);

2, 另外删除多余的结构域、插入物或已知差别很大的部分,有利于获得较好的结果;

3, 在非常相似的结构或良好数据的情况下,往往用C?坐标就足够了, 但结果的背景会

杂乱一些。主链及对等的侧链原子可在C?坐标上参照已有的数据库自动建立。判断分子置换法的结果是否正确的标准如下:

1, 最常用而又简单的方法是考察晶胞中堆积的合理性; 2, 另外也可比较不同分辨率范围内结果的一致性;

3, 在多个亚基(分子)的情况下, 则考察亚基之间的关系是否与自身旋转函数中的结果吻合;

4, 如有重原子衍生物数据的话,用MR法取得的模型相位计算差值傅立叶图,图上应能揭示出重原子位点。然后对此模型进行刚体修正, 开始是在低分辨率下, 起始R因子应在59%以下(随机), 通常为50%,在修正过程中,这值应显著下降,修正可延伸至二级结构单元, 最后按第八部分介绍的进行全面修正。警告: 由于是以具有较大误差的起始模型的相位为基础,此时的修正很可能具有人为的倾向性, 所以在此阶段的修正及检查电子密度图的过程中必须十分小心(见第七和第八部分)。

5.3 反常散射及多波长反常散射(MAD)

重原子衍生物的反常散射通常作为单对同晶置法相位双解的一种补充信息。需要强调的是这种效应很弱, 即使是经典的反常散射数据使用也需要准确的测量。重原子修正过程中的反常散射数据统计应能够区分两个可能的重原子―手‖性位点, 如不能实现这一点,则意味着反常散射数据的准确度还不足以为相位确定提供有用的信息。使用反常散射直接确定相位信息还不标准化, 需要仔细的实验设计, 所以这部分只包括一些浅显的纲要, 有兴趣的读者一定要参看主要参考书。对于含金属原子的小蛋白分子,金属原子对整体结构振幅的贡献又占了相当比例(至少30%),金属原子的反常散射也能准确测定则可尝试通过部分结构加反常散射的方法确定相位。

对于大的蛋白分子, MAD法要求蛋白质分子中有一个金属原子和波长可调的同步辐射加速器X射线源,结果基本等同于完美的同晶置换法。由于此法依赖于衍射振幅非常小的数值变化,因此必须进行非常准确的测量,在数据收集时必须特别小心。同时或尽量同时(避免晶体损伤造成的误差)在同一张图像上收集Bijvoet点对;收集Bijvoet点对时为相同的光束路径照射晶体(避免不同吸收效果造成的误差);良好的统计计数(目前常用图像盘作为探测器,因为胶片模糊而电子探测器不稳定);用吸收边附近的波长收集数据,具有较强的反常散射效应。数据统一时必须特别小心, 局部的比例因子很重要, 出现反常差值异常差异过大或过弱的数据必须从Patterson函数中去除。

此法在金属蛋白中广泛使用, 对无金属的蛋白进行标记的一个途径是培养细菌以产生含硒代甲硫氨酸的蛋白质, 然而,这要求含硒代甲硫氨酸的蛋白质在

细菌中能够表达。当然,也可将重原子衍生物作为母体处理。目前采用含硒代甲硫氨酸的蛋白质晶体,或采用汞或铂家族的化合物作为衍生物的晶体进行MAD方法测定结构已经成为蛋白质晶体学最为常规的发法之一。

6. 相位改善及扩展

在此阶段我们可以考虑利用晶体的不对称单元中蛋白质的多个拷贝(非晶体学对称)或更经常由于晶体的溶剂含量(30-90%不等)所提供的信息。王必成教授的溶剂扁平化方法(Wang‘s solvent flattening)是目前改善相位的一个常规技术, 甚至对于溶剂含量一般(50%)的晶体,在溶剂区域的密度的限制提供了大量的额外的信息(51),而这些信息往往可以消除单对同晶置换法的相位双解,也可改善多对同晶置换法(MIR)的相位,产生一个可解释的电子密度图。原则上任何相位都可用此法进行改善,因此,近来的结构测定(52)常用此法大大地了改善分子置换法(MR)的相位 (从蛋白质复合物的一个组分的MR相位,计算初始电子密度图; 溶剂扁平化还应用于相应的差值图,可使90%的单位晶胞扁平化, 从而大大增加了未知蛋白组分的电子密度)。

使用溶剂扁平化方法时,以下经验可供参考:

1, 计算分子边界时使用足够大的收敛半径以―模糊‖电子密度图; 2, 不要过高地估计溶剂含量, 这可能截短蛋白质区域, 但应试图使用所有可能的溶剂;

3, 蛋白质内负区域的截短不能超过总蛋白区域的3%;

4, 每次分子边界计算后重复溶剂扁平化多次直至不再有相位变化; 5, 重复分子边界计算直至建立一个光滑稳定的边界;

6, 检查分子边界是否有意义, 重原子应处于蛋白-溶剂交界边缘, 蛋白质区应有连续性, 电子密度图中可见二级结构组分及非晶体学对称性;

7, 如初始相位特别糟糕, 在低分辨率下(如6?)开始, 然后逐渐延伸到高分辨率可能会有益;


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