Enhanced rigid-bond restraints

Thorn, A.; Dittrich, B.; Sheldrick, G.M.

doi:10.1107/S0108767312014535

研究论文

基础
进展

国际标准编号：2053-2733

第68卷| 第4部分| 2012年7月| 第448-451页

doi:10.1107/S0108767312024535

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增强型刚性约束

安德烈亚·索恩,^一 Birger Dittrich公司 ^一和乔治·M·谢尔德里克 ^一 ^*

^一哥廷根大学结构化学系，德国哥廷根Tammannstrasse 4，D-37077
^*通信电子邮件：gsheldr@shelx.uni-ac.gwdg.de

(收到日期：2012年3月9日； 2012年4月3日接受； 2012年5月1日在线)

刚性结合模型[Hirshfeld（1976 ).《水晶学报》。A类32，239–244]指出，两个原子在连接它们的键方向上的均方位移相等。该标准广泛用于验证（如Hirshfeld所希望的那样），也用作结构约束精细化如Rollett所建议[结晶计算(1970 )由F.R.Ahmed编辑等人。第167-181页。哥本哈根：芒克斯加德]。通过重新定义此条件，使两个原子的相对运动必须垂直于键，每个各向异性原子可以应用的约束数从大约一个增加到大约三个。将此条件应用于1,3直径和1,2直径，意味着平均略多于六个约束可以应用于每个原子的六个各向异性位移参数。这一概念是针对小肽的非常高分辨率数据进行测试的，并被用作蛋白质的抑制剂精细化以更适度的分辨率(例如1.7 Å).

关键词：刚性结合试验;细化约束;各向异性位移参数.

1.简介

刚性结合标准（Hirshfeld，1976)在验证、理解和抑制小分子和大分子晶体结构中的原子位移参数（ADP）方面起着关键作用。其有效性由Rosenfield确定等人。(1978 )、Dunitz、Maverick和Trueblood（1988年 )、Dunitz、Schomaker和Trueblood（1988年 )，Bürgi（1989 )以及其他许多人。它在使用铂（斯佩克，2009年 )和IUCr CheckCIF套件。Rollett（1970年)可能是第一个使用刚性连接的限制以最小平方精细化通过附加的观测方程来确定晶体结构。这种刚性约束[DELU inSHELXL公司（谢尔德里克，2008年 )或中的RBONREFMAC公司（穆尔舒多夫等人。, 2011 )]对于治疗小分子结构中的位置无序和实现各向异性都很有用精细化相对较好的分辨率。

刚性键判据表明，键合原子在连接它们的键的方向上的均方位移振幅相等，它通常也适用于1,3-距离（涉及两个原子都与一个公共原子键合）。当用作约束时，标准偏差通常设置为0.01至0.001°范围内的值²，该值与各向异性结构中观察到的偏差一致精细化可以不受限制。然而，它只为每个原子提供大约一个约束，这不足以补偿六个约束自由度与各向异性位移参数相关的每个原子U型_ij公司在实践中，它需要由其他ADP约束进行补充。通过将其应用于1，3-键合原子，约束的数量可以增加到每个原子大约两个。通常有必要施加进一步的约束，例如原子是近似各向同性的（ISORSHELXL公司)并且U型_ij公司值等于相应的U型_ij公司空间相近原子的值（相似性约束SIMU）。由于这些约束远没有理论和实验证据证明是合理的，因此它们得到了很大的估计标准偏差，但至少每个原子增加了大约六个约束（SIMU）或五个约束（ISOR）。相似性约束使精细化严重重叠的无序分量，但实际上它们是真实原子运动的近似描述。要么这些约束太紧R（右）因子很高，或者（通常用于高分子细化）约束太松弛R（右）工作集和测试集的值（自由R（右）; 布伦格尔，1992年 )变大，表明过于精细。

本文将讨论刚性结合概念的简单扩展。

2.强化的刚性结合标准

图1(一)说明了满足通常刚性键判据的键合原子对的热椭球体；两个原子沿键的均方位移相等。然而，如果键确实是刚性的，那么两个原子的相对运动应该垂直于键，如图1所示(b条). 为了以约束的形式表达这些附加信息，我们需要将U型_ij公司到局部正交轴系统，其中Z轴沿着键，Y（Y）是与…成直角的任意方向Z、和X（X）与两者成直角Y（Y）和Z.然后将约束应用于差异转换组件的U型_ZZ公司,U型_XZ公司和U型_YZ公司:

$[\eqalign｛U_｛ZZ，A｝-U_｛ZZ，B｝&=0\cr U_｛XZ，A｝-U_｛XZ，B｝&=0\cr U_｛YZ，A｝-U_｛YZ，B｝&=0\cr｝]$

但不考虑其他三个组件的差异（如果以这种方式抑制所有六个差异，则会产生SIMU相似性约束）。用这种方法，每个原子的约束数乘以三，如果这种约束也适用于1,3对，则这六个约束大约有六个可靠的约束U型_ij公司每个原子的组分，甚至可能不需要应用其他ADP约束！

图1
传统的刚性结合标准可同时满足(一)和(b条)，但只有(b条)满足增强的刚性约束。

2.1. 以极高分辨率进行验证

为了评估增强型刚性结合标准对大分子的适用性精细化，采用了一个高质量的同步辐射数据集，在100K温度下测量到0.382°的分辨率。A标准SHELXL公司IAM（独立原子模型）精细化对完整数据和截断为0.84Å的数据进行了分析，并与已发表的结果进行了比较（Dittrich等人。, 2002 )从多极精细化使用程序除息的（科里萨恩斯基等人。, 2003 )使用了完整的0.382º数据。

对于传统的刚性结合标准，表1第一行中的数字应接近零；对于此处提出的扩展，前两行应接近于零，对于SIMU约束SHELXL公司所有四行的值都应该为零。尽管多极精细化应给出更准确的ADP，因为它考虑了键电子，转换后的差异U型_ij公司两种方法的完整数据的组件非常相似，如表1所示然而，与所有U型_ij公司标准(即当数据被截断到0.84 Au的“正常”分辨率时，与零的差异明显更大，可能是因为ADP正在补偿建模不充分的键电子密度，这主要影响低角度数据。可以看出，此处提出的刚性连接约束（第二排）的附加条件不如传统刚性连接约束本身精确满足，但比SIMU相似约束的条件更适合。也可以看出，这些条件适用于1,3-二元，但精确度低于1,2-二元。当这些条件作为约束条件应用时，其估计标准偏差应反映表1所示的趋势.由于1,4距离可能受到扭转运动的影响，如果对其也施加此类约束，则需要较大的估计标准偏差。

表1
1,2-和1,3-键合原子的变换位移参数的均方根（r.m.s）差异SHELXL公司IAM和除息的六肽的多极精细化

	国际机械师协会_0.841,2	IAM 1、2	除息的1,2	国际机械师协会_0.841,3	IAM 1、3	除息的1,3
有效值。ΔU型_ZZ公司(Å²)	0.00165	0.00034	0.00031	0.00188	0.00074	0.00076
有效值。ΔU型_XZ公司和ΔU型_YZ公司(Å²)	0.00258	0.00180	0.00183	0.00301	0.00242	0.00240
有效值。ΔU型_XY公司(Å²)	0.00406	0.00304	0.00304	0.00389	0.00386	0.00393
有效值。ΔU型_XX年和ΔU型_年(Å²)	0.00665	0.00605	0.00600	0.00788	0.00761	0.00767

2.2. 应用程序作为精细化适度分辨率下的克制

数据对参数比率仅允许自由各向异性精细化大分子的分辨率与小分子的分辨率相似，小分子几乎总是按各向异性（0.84°或更好）进行精制。对于中等范围（0.8º至约1.6º）的分辨率，限制各向异性精细化经常执行（在SHELXL公司，带有DELU、SIMU和ISOR约束），对于较低分辨率，采用基于TLS的混合模型（Schomaker&Trueblood，1968 ; 霍尔布鲁克和金，1984年 ; 豪林等人。, 1989 )加上附加的（可能受到约束的）各向同性位移参数（Winn等人。, 2001 )很受欢迎。增强型刚性约束（带有SHELX公司关键字RIGU）应适用于中间范围，并可能启用受约束的各向异性精细化扩展到较低分辨率。

为了应用新的（RIGU）约束，首先需要找到合适的估计标准偏差。根据其他ADP约束装置的经验，对两个模型进行了测试（Thorn，2011 ). 在第一种情况下，标准偏差设置为[(第页²+U型_{等式，A类}+U型_{等式，B类})]^1/2σ/第页然后在第二次[(第页²+U型_{等式，A类}+U型_{等式，B类})]^1/2σd日/第页，其中A类和B类是两个原子，U型_等式是等效各向同性位移参数（Watkin，2000 )、和d日是原子之间的距离A类和B类.σ和第页是用户提供的参数。采取U型_等式以这种方式考虑的值放宽了对大位移参数的限制，这些参数可以很好地反映局部无序以及热运动。实验表明，第二种配方σ= 0.004 Å²和第页=0.5给出了良好的结果，尽管参数的实际值不是很关键，这些值用于此处报告的测试。距离的合并d日具有相对于1,2-菌株降低1,3-菌株重量的效果。

一组八个精细的高分辨率结构，数据分辨率在0.7到1.2°之间，氨基酸残基在55到331之间不对称单元用于测试增强型刚性约束（PDB代码：10年,1升0,1000个,1个rqw,1我们0,2厘米5,2英尺/分钟和2伏1). 在所有情况下，无序残留物的次要成分都被去除，水分子被各向同性地精制，因此R（右）因子略高于公布值。之前精细化通过对每个原子应用随机位移（平均值为0.5º）来“摇晃”结构，以消除记忆效应，并将其细化至收敛。除σ值太大(即ADP约束太弱）。

表2中总结的试验和图2对于八个测试结构，表明增强型刚性约束（RIGU）和SIMU和DELU约束的标准组合都能显著降低自由度R（右）因素比无约束各向同性精细化测试的所有三种分辨率（1.4、1.7和2.0Ω）。免费的R（右）因素（Brünger，1992)RIGU的优化略低于SIMU+DELU的优化，但R（右）_自由的到R（右）_工作（搔痒等人。, 1998 )对于RIGU来说明显更好，这表明它受到过度细化的影响较小。图3比较了不同细化的热椭球体。如果没有约束，混沌椭球体与物理现实几乎没有关系。DELU+SIMU精细化这已经是一个相当大的改进，但RIGU更精细的细节精细化更真实，原子的相对运动更垂直于键（比较图1). 应注意，SIMU约束装置的e.s.d.必须设置得高于RIGU，以获得可接受的自由度R（右）值。TLS精细化使用执行REFMAC公司版本5.6.0.117（Murshudov等人。, 2011)而不是SHELXL公司因此不能直接进行比较。然而，如图3所示(c（c）)，分子外围的原子普遍倾向于表现为球体而不是椭球体。这是TLS加上额外的各向同性ADP模型的特征，因为这些原子的ADP由额外的各向同性贡献主导。

表2
的平均值R（右）_自由的（%）（Brünger，1992年)和R（右）_自由的/R（右）_工作（搔痒等人。, 1998)对于八个具有不同ADP限制和数据截断到不同分辨率的测试蛋白质结构

	1.4 Å	1.7 Å	2.0 Å
无约束各向同性	20.9/1.25	22.2/1.38	24.3/1.59
RIGU公司	18.5/1.29	20.8/1.41	22.9/1.53
DELU+SIMU	18.9/1.34	21.3/1.48	23.1/1.58

图2
免费的R（右）因素(一), (c（c）), (e（电子）)和比率R（右）_自由的/R（右）_工作(b条), (d日), (（f）)对于截断为1.4Å的数据(一), (b条), 1.7 Å (c（c）), (d日)和2.0º(e（电子）), (（f）)与标准相比，新（RIGU）约束装置SHELXL公司DELU和SIMU约束及其默认设置。

图3
人体醛糖还原酶结构的侧链细节（霍华德等人。, 2004

; PDB代码1我们0)对于截断到1.7°的数据，显示50%的概率椭球精细化带有(一)没有约束(b条)标准SHELXL公司DELU和SIMU约束(c（c）)TLS和附加各向同性B类值使用REFMAC公司、和(d日)新的RIGU约束。

3.结论

增强的刚性键模型提供了分子运动的真实描述，并可能在小分子结构验证和各向异性约束中找到应用精细化当存在无序或有效数据参数比不允许无限制的各向异性时，小分子和大分子精致。其中一个应用是粉末数据，而不是小分子的单晶数据。然而，对原子热运动更真实的描述意味着，ADP将无法很好地补偿未建模的无序和其他问题。有很好的证据（麦克阿瑟和桑顿，1999 ; 冗长的等人。, 2010 )与通常的模型相比，蛋白质结构具有更多可供选择的低占据率侧链构象。ADP广泛使用的TLS模型中的额外（无约束）各向同性位移参数精细化与刚性结合约束相比，蛋白质的分子链能够很好地补偿由此产生的原子的不均匀占据。这有助于解释为什么混合TLS模型如此有效。另一方面，增强的刚性结合模型应能更好地暴露模型中的缺陷，尤其是那些涉及先前未检测到的替代构象或化学不均匀性的缺陷。

鸣谢

我们感谢德意志大学埃米·诺特项目（BD）和大众体育联合会对尼德萨克森教授（GMS）的支持。

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