电子密度图

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1σ下1.0Ω电子密度图快照，单位为Jmol。交互式版本
1σ下1.0Ω电子密度图快照，单位为Jmol。交互式版本

88%的大分子结构可从蛋白质数据库（PDB）由确定X射线晶体学（截至2021年7月）。结晶学实验的直接结果是电子密度图[1]原子模型是作者对地图的解释[1]检查电子密度图和已发表的分子模型之间的对应关系可以揭示模型中的不确定性区域。

目录

晶体学产生电子密度图

安X射线晶体学实验生成一个电子密度图平均值晶胞蛋白质晶体的[1]结晶聚合物的氨基酸（或核苷酸）序列事先已知。晶体学家将已知分子的原子拟合到电子密度图中，并将模型和图细化到分辨率晶体（受秩序或混乱在晶体中）。晶体学家然后放置一个非对称单元中的晶体PDB公司以及实验衍射数据（X射线反射点的强度或“结构因子振幅”）。通过这些组合，可以重建电子密度图。

为什么要看电子密度图？

检查已发布模型之间的对应关系pdb文件与仅仅检查模型本身相比，电子密度图（EDM）可以更清楚地了解模型中的不确定性[2]（另请参见分子模型的质量评估). 除了检查显示所有特征的地图（2Fo-Fc）外，还可以检查差异图（Fo-Fc），显示模型无法解释地图的位置。

什么是电子密度图，如何获得？

电子密度值填充了地图的三维空间（参见交互式可视化). “地图”一词是历史性的；三维电子密度是在几页上逐节绘制的，轮廓线与该位置的密度值相对应。参照地形图，这些地块被称为地图。有关显示分段打印和重叠的地图示例的论文，请参见关于tRNA结构的论文.

所有密度值的标准偏差，西格玛，用于描述地图中要素的强度。例如，“3σ峰值”是指密度值高于平均值3σ的特征，通常设置为零。

电子密度图可用于最 PDB文件，例如。从PDBe公司：在标题为条目ID（4个字符）的页面上，单击下载并查找“EDS地图”和“EDS差异地图”。对于2008年之前沉积的一些构筑物衍射数据未保存因此，电子密度图是不可用的。2008年wwPDB网站开始要求数据与模型一起存放[3].

2Fo-Fc地图

“所有特征”图2Fo-Fc是根据衍射数据和原子模型计算真实电子密度估计值的最佳方法。（之所以称为2Fo-Fc，是因为该计算涉及将观察到的衍射数据Fo与根据原子模型Fc计算出的衍射数据结合在一起，从而得出偏差最小的结果）。典型轮廓为1西格玛，它显示了观测到的密度与原子模型的吻合程度[2]。理想情况下，水晶中存在但尚未包含在模型中的功能将显示为信号强度的一半与模型中包含的晶体中的特征进行比较。同样，模型中包含的虚假特征将显示为信号强度的一半。实际密度和2Fo-Fc密度之间的差异称为模型偏差，这与使用模型（和实验数据）判断模型的正确性有关，有点像循环论证。

这个右侧示例显示了2021年首次报道的一种新型共价蛋白质交联赖氨酸半胱氨酸NOS键在两个氨基酸的侧链之间6zx4像素[4]在识别这种交联之前报告的晶体结构将忽略氧原子3个u7赫兹2011年出版。相反，这张地图清楚地显示出6伏2英寸（类似的南北距离为2.6-2.7º，类似的分辨率为1.3-1.4º）。

2Fo-Fc图在模型构建的中间阶段最为有用，此时模型已经很好了，但仍然缺少主要功能（例如定义良好的侧链）。有更复杂的工具（称为省略映射[2])在细化的最后阶段，在不太明显的区域完成模型。精炼结束时，2Fo-Fc图不应显示任何明显的遗漏，但可能显示模型中定义不太明确的区域存在弱点（典型示例为氨基和羧基末端、柔性环、糖基化位点、弱结合配体和水分子）。可能的误差由（i）不含原子的实质密度，或（ii）密度很小或没有密度的原子表示。

等轴网

本页上的数字包括等轴网。等轴网是表示等值面的网格。等值面是放置在连续参数的特定值上的曲面，因此它表示该参数的较高值和较低值之间的边界。也许地形图是一个更熟悉的例子，其中等值线是具有相同高程的等高线连接位置。在电子密度图中，等轴网连接具有相同电子密度的位置，例如1σ。

无序和原子位移参数（温度因素）

晶体结构的不同部分可以显示不同的有序度。在一个完美的晶体中，每个非对称单位看起来都是一样的，并且不会随时间改变原子位置。在真正的晶体中，存在无序。例如，蛋白质表面的侧链通常是无序的（具有多种构象），而疏水核心中的侧链则通常是有序的（具有单一构象）。一个畴也可能是高度有序的（通常是晶体中有许多触点的最大畴），而另一个畴片则是较低有序的（例如，一个畴域松散地连接到结构的其余部分）。

高度有序的原子会对电子密度产生尖峰，而较低有序的原子则会产生较宽且较低的峰值，这与实验噪声更难区分。原子位移参数模拟了这种有序度（低值对应有序原子，高值对应无序原子）。因此，通过无序（也称为无序）给原子模型着色温度系数或B系数），您可以查看结构的哪些部分是高度有序的，而没有实际显示电子密度你还可以看到原子模型的哪些部分具有较高的确定性（那些在具有清晰电子密度的高阶区域中的部分），哪些部分难以适当建模（那些在特征几乎不高于噪声的低阶区域中）。在第一眼，在“工具”选项卡中，“局部不确定性”颜色（按温度系数）。

Fo-Fc差异图

Fo-Fc是一个“差异图”。它显示了实验密度和原子模型不一致的地方[2]如果原子模型完全符合实验密度（并且没有实验噪声），那么差分图将没有密度。通常，它有负密度（模型中没有电子密度的原子，按常规着色红色)和正密度（模型中没有原子的电子密度，等轴网通常是有色的蓝色或绿色). 等轴网通常表示±3西格玛即存在严重分歧的地区。因为±3σ是一个相对度量，所以Fo-Fc差异图中总是有一些特征。当原子模型包含明显错误时，这些峰值将与实际特征相对应。当原子模型与电子密度最佳吻合时，这些峰值将主要对应于实验噪声。

可视化电子密度图

结晶仪通常使用“重型”可视化和建模软件，如库特或PyMOL公司，这需要大量实践才能有效使用，并为模型构建提供了很大的灵活性。

查看电子密度图的一种简单得多的方法是使用Jmol简介。加载您的PDB ID，转到“工具”选项卡并单击密度贴图以获取说明。您可以在不使用任何命令语言的情况下，通过单击查看交互式3D地图中指定的任何残留物。FirstGlance中的任何视图，包括电子密度图，都可以保存为静态图像（请参阅本页上的示例），或者保存为准备放入Powerpoint的动画。要在幻灯片中查看此类动画的示例，请查看tinyurl.com/movingmolecules移动分子.

密度图查看器也可在wwPDB网站它们比FirstGlance中的地图查看器更复杂、更技术。这些查看器还能够保存动画，尽管界面比FirstGlance提供的技术性更强。

示例

蛋白质体

蛋白质体外部

  • 电子密度：云与等网格“地图”显示了一个“原始”电子密度图，带有隐藏各种西格玛“噪声”水平以下密度的按钮。它还显示了1.0σ的等轴网，以及与等轴网相匹配的原子模型。
  • 电子密度图显示了细菌鞭毛蛋白的地图，分辨率为2.0Ω，并显示了温度/B系数与低温和高温地区的地图有关。

另请参见

蛋白质体内

蛋白质体外部

确认

感谢Amr A.Alhossary确定假定Lys-Cys NOS交联键的示例。

工具书类

  1. ↑1 1.1 1.2Wlodawer A、Minor W、Dauter Z、Jaskolski M.非晶体学家的蛋白质晶体学，或如何从已发表的大分子结构中获得最佳（但不是更多）。FEBS J.2008年1月；275(1):1-21. doi:10.1111/j.1742-4658.2007.06178.x.电子版2007年11月23日。PMID：18034855数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1111/j.1742-4658.2007.06178.x
  2. ↑2 2.1 2.2 2.3Lamb AL、Kappock TJ、Silvaggi NR。没有地图，你会迷失方向：在蛋白质结构的海洋中航行。Biochim生物物理学报。2015年4月；1854(4):258-68. doi:10.1016/j.bbapap.2014.12.021.，Epub 2014年12月29日。PMID：25554228数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1016/j.bbapap.2014.12.021
  3. ↑Berman HM.蛋白质数据库与社区之间的协同作用。自然结构分子生物学。2021年5月；28(5):400-401. doi:10.1038/s41594-021-00586-6。PMID：33963295数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1038/s41594-021-00586-6
  4. ↑Wensien M、von Pappenheim FR、Funk LM、Kloskowski P、Curth U、Diederichsen U、Uranga J、Ye J、Fang P、Pan KT、Urlaub H、Mata RA、Sautner V、Tittmann K。具有NOS桥的赖氨酸半胱氨酸氧化还原开关调节酶功能。自然。2021年5月5日。pii:10.1038/s41586-021-03513-3。doi:，10.1038/s41586-021-03513-3。PMID：33953398数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03513-3

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