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蛋白质科学。2004年10月；13(10): 2825–2828.
数字对象标识：10.1110/ps.04688204
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PMID：15388866

平均蛋白质密度是一个分子量依赖函数

汉内斯·菲舍尔,1 伊戈尔·波利卡波夫,2和阿尔多·克雷耶维奇1
作者信息 文章注释 版权和许可信息 PMC免责声明

摘要

蛋白质的质量密度是一个相关的基本生物物理量。它也是一个有用的输入参数，例如，用于通过蛋白质结晶学确定三维结构，以及通过分析超速离心研究溶液中的蛋白质低聚物。我们对这一问题的已发表、理论和实验研究进行了批判性分析，并得出结论，蛋白质的平均密度并不像通常假设的那样是一个常数。对于分子量低于20kDa的蛋白质，平均密度显示出正偏差，随着分子量的降低而增加。提出了一个简单的分子量依赖函数，可以更准确地估计平均蛋白质密度。

关键词：蛋白质、蛋白质密度、平均密度、分子量依赖性、蛋白质结晶学、分析超速离心

蛋白质的质量密度是一个重要的基本生物物理量，它与给定分子量的大分子的体积直接相关。它也是X射线单晶结晶学中测定大分子结构的有用输入参数。长期以来，蛋白质晶体学家都知道如何实际应用大分子平均密度值来测定每个单位细胞的分子数，这一问题首先由马修斯（1968）此外，蛋白质晶体中溶剂含量的估计是密度修改程序（包括溶剂压平）中的一个重要约束(王1985;Cowtan and Main 1996年)，直方图匹配(Zhang and Main 1990年)，和溶剂翻转(亚伯拉罕和莱斯利1996). 此外，蛋白质密度，或者说与之相反的部分比体积(v（v）̄，蛋白质体积除以其分子量）是分析超速离心实验中的一个重要参数，特别是对于水环境中大分子低聚物的研究(Lebowitz等人，2002年). 蛋白质的部分比体积并不总是容易通过实验测定的，因此，其正确的理论估计可能非常有用。

通常假设蛋白质密度的空间平均值等于1.35 g/cm三与蛋白质的性质无关，尤其与其分子量无关。

最近，Andersson和Hovmöller（1998）,2000)强调每一种加速三维蛋白质结构测定的工具都是弥合已测序蛋白质的高数量与由蛋白质晶体学技术测定其高分辨率结构的蛋白质数量之间差距的关键。他们强调，尽可能准确地了解蛋白质密度值对于实现这一目的至关重要。

在这种情况下，Andersson和Hovmöller（1998）声称从流体动力学和绝热压缩性实验中推导出的广泛使用的平均密度值，ρ=1.35 g/cm三，是不正确的，因为测量中存在固有误差，并表示精确的理论测定将产生更准确的估计。因此，他们使用Voronoi结构从理论上确定了一些蛋白质的平均质量密度，并获得了总密度ρ=1.22（2）g/cm三，该值明显低于之前接受的值（1.35 g/cm三).

后来，Tsai等人（1999）使用掩埋残留物的平均体积进行理论计算，以评估蛋白质的密度，并将其与根据Squire和Himmel（1979）和Gekko和Noguchi（1979）他们得到的平均蛋白质密度估计值为1.40（2）g/cm三，该值高于Andersson和Hovmöller（1998），与蛋白质晶体仪目前使用的（1.35 g/cm）接近三). 这些作者还报道了由Squire和Himmel（1979）和Gekko和Noguchi（1979）平均密度为1.37（3）g/cm三.

最后，奎林和马修斯（2000）批评了Andersson和Hovmöller（1998）他们的主要论点是，在后一位作者使用的程序中，表面原子对蛋白质体积的贡献没有得到适当的解释。他们选择了30种代表性蛋白质进行分析Andersson和Hovmöller（1998），使用康诺利（1993）算法，并确定平均密度为1.43（3）g/cm三.

表1列出了上述所有密度值​1值1.43（3）g/cm三重新计算者奎林和马修斯（2000）根据最初的决定Andersson和Hovmöller（1998）显著高于1.22（2）g/cm三，大致符合Tsai等人（1999），略高于但接近1.35 g/cm的实验值三.

表1。

报告的蛋白质分子量依赖的平均质量密度

参考方法密度（g/cm三)
Andersson和Hovmöller（1998）理论1.22 (2)
Tsai等人（1999）理论1.40 (2)
奎林和马修斯（2000）理论1.43 (3)
Squire和Himmel（1979）和Gekko和Noguchi（1979）实验1.37 (3)

本说明包含对报告结果的分析奎林和马修斯（2000）和Tsai等人（1999）该注释旨在确定蛋白质质量密度对其分子量的最终有意义的依赖性，并解释实验测定和最近理论测定之间观察到的差异。

结果和讨论

这项调查的第一步是重新分析奎林和马修斯（2000）。我们已经获得了由表1中报告的理论蛋白质密度确定的所有理论蛋白质密度​1并将其绘制为图1中分子量的函数▶乍一看，对于低分子量，密度与常量的正偏差是显而易见的。观测到的变化趋势可以用一个简单的指数函数很好地描述：

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方形符号对应于通过以下公式计算的许多蛋白质的密度奎林和马修斯（2000）实线是指数函数（方程式1）与这些值的最佳拟合。虚线是与±1标准偏差（σ=0.014 g/cm）相关的限值三). (插入)曲线低分子量部分的放大视图。

方程式M1
(1)

ρ∞是高分子量平均密度的渐近值（实际上M（M）>20 kDa），Δρ0平均密度的最大偏差（对于M（M）接近M（M）=0），以及K（K）常量参数。指数函数最适合以下报告的计算密度奎林和马修斯（2000）如图1所示▶作为一条连续的实线。小分子量的平均密度偏差开始明显低于M（M）=30kDa，并且在以下方面具有统计学意义M（M）=20 kDa。

我们的拟合表明，对于高分子量的蛋白质（例如M（M）>30 kDa），值ρ=1.41（2）g/cm三（代替1.43（3）g/cm三)表示通过以下公式计算的平均密度奎林和马修斯（2000）另一方面，对于分子量逐渐减少的蛋白质，密度是一个递增函数，达到最大值ρ=1.50（2）g/cm三对于最小的蛋白质(M（M）=7 kDa）。

在图2中▶报告的蛋白质密度的理论值和实验值Tsai等人（1999）绘制为分子量的函数。同样，分子量低于20kDa的蛋白质的密度明显高于分子量的蛋白质M（M）>20kDa，从而为上述结论提供了进一步支持，该结论来源于奎林和马修斯（2000）.

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实验（实心圆）和理论（方形）密度由Tsai等人（1999）用于许多蛋白质。实线(在上面)和虚线(在下面)分别对应于方程式1与计算密度和实验密度的最佳拟合。

我们还注意到图2中绘制的曲线▶根据的结果Tsai等人（1999）理论上测定的所有研究蛋白质的平均密度比实验测定的平均密度高约2.4%(Tsai等人，1999年). 考虑到实验确定的体积包括外表面周围约3Å厚的水层，可以定性地解释这种差异(Svergun等人，1998年)从而导致实际平均密度明显下降。

此外，在最近的一篇文章中，Liang和Dill（2001）从理论上对636个蛋白质的内包装进行了评价，得出大蛋白质比小蛋白质更松散的结论，从而表明小蛋白质的平均密度更高。该结果解释了图1中观察到的趋势▶和2▶并为奎林和马修斯（2000）和Tsai等人（1999年）.

因此，为了更好地估计蛋白质的平均密度，我们建议使用常数ρ=1.35 g/cm三-最符合以下报告结果的指数函数奎林和马修斯（2000）如图1所示▶也就是说，

方程式M2
(2)

结论

根据先前发表的理论分析和实验结果，我们注意到蛋白质的平均密度明显依赖于其分子量。在低分子量下观察到的正偏差在理论上都很明显(Tsai等人，1999年;奎林和马修斯2000)和实验(Gekko和Noguchi 1979年;Squire和Himmel 1979年)数据。

分子量依赖密度的偏差ρ(M（M）)从当前使用的平均值（1.35 g/cm三)对具有M（M）<20 kDa。为了更好地估计这些较小蛋白质的密度，而不是分子量依赖值，应使用方程式2。

文献中报告的所有分子量的实验密度和理论密度之间的差异（图2▶)蛋白质表面存在结构水层，这从定性上证明了这一点。

分子量低于30kDa的蛋白质更适合蛋白质结晶学和核磁共振，对应于存放在蛋白质数据库中的所有已解决蛋白质结构的三分之一以上(Berman等人，2000年). 我们在这里建议通过使用方程2而不是假设分子量无关的值来更精确地计算它们的密度。此外，蛋白质密度的倒数，即蛋白质的部分比体积，可以很容易地从同一方程中得到。当准确评估蛋白质密度可能会给出组成低聚物的单体单元数量的更精确值时，预计蛋白质密度估计的随后改进将在蛋白质低聚物结构和生物物理研究中特别有用。

致谢

这项工作得到了圣保罗保护基金会（FAPESP）和巴西国家环境保护委员会（CNPq）的支持。

这篇文章的出版费用部分是通过支付版面费来支付的。因此，根据《美国法典》第18卷第1734节，本篇文章必须标记为“广告”，以表明这一事实。

笔记

文章和出版物位于http://www.proteinscience.org/cgi/doi/10.1110/ps.04688204。

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文章来自蛋白质科学：蛋白质学会的出版物由以下人员提供蛋白质学会