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生物学
国际标准编号:2059-7983

大分子晶体的溶剂成分

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欧洲博赞/博尔扎诺学院生物医学中心(EURAC),Viale Druso 1,Bozen/Bolzano,I-39100 Südtirol/Alto Adige,意大利,b条物理生物科学部,劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL),1 Cyclotron Road,Mail Stop 64R0121,Berkeley,CA 94720,美国,c(c)加利福尼亚州立大学科学与数学学院,美国加利福尼亚州圣马科斯,邮编:92078,d日法医晶体学系,k.-k.Hofkristalamt,991 Audrey Place,Vista,CA 92084,USAe(电子)奥地利因斯布鲁克,A-6020,Schöpfstrasse 41,因斯布鲁克医科大学遗传流行病学系
*通信电子邮件:br@hofkristalamt.org

澳大利亚昆士兰大学J.L.Martin编辑(2014年11月5日收到; 2015年3月25日接受; 在线2015年4月30日)

生长生物分子晶体的母液含有水、缓冲分子、天然配体和辅因子、结晶沉淀剂和添加剂、各种金属离子,通常还含有小分子配体或抑制剂。平均而言,生物分子晶体约有一半的体积由母液组成,母液的成分形成无序的体积溶剂。其散射贡献可以在初始阶段利用,并且必须包括在晶体结构 精炼作为散体-固体模型。同时,来自有序溶剂组分的不同电子密度必须正确识别并表示为原子的一部分晶体结构模型。本文回顾了(i)散装固体含量的概率估计,(ii)在阶段改进中使用散装固体密度修正,(iii)散装固体模型和精炼散装固体贡献和(iv)有序溶剂成分的建模和验证。简要总结了当前用于散装固体分析和精细化,以及建模,精炼有序溶剂组分的分析,包括小分子配体。

1.大分子晶体中的溶剂

蛋白质和其他生物材料的晶体几乎总是生长在一滴含水母液中,母液中含有各种试剂,可以促进不规则形状的大分子自组装成有序和规则的大分子晶体结构。结晶过程中的这种自组装导致分子有序网络,分子之间的相互作用很少,但很具体,很弱(图1)[链接]). 考虑到蛋白质分子的不规则形状,毫不奇怪,当它们自我组装成晶体时,会形成大量的分子间空间(平均约为晶体体积的50%;Matthews,1968【Matthews,B.W.(1968),《分子生物学杂志》,第33期,第491-497页。】)残留在分子之间,并充满母液或结晶鸡尾酒,结晶就是从中生长出来的。分子间空间中的这种介质大部分是无序体溶剂,其含量估计和处理在建模和精炼在§中讨论[链接]2

[图1]
图1
高分子晶体。在有利的动力学条件下,大分子可以从亚稳、过饱和溶液中自组装成晶体,这是一个由弱但特定的分子间相互作用连接的大分子周期网络。溶剂含量V(V)S公司这个简单的P(P)4 晶体结构,PDB条目第2页,共8页(温德利希等。, 2007【Wunderlich,M.,Max,K.E.A.,Roske,Y.,Mueller,U.,Heinemann,U.&Schmid,F.X.(2007),《分子生物学杂志》373,775-784。】),约为50%。分子间区域充满了动态移动的溶剂分子,模拟为均质散装溶剂§2.4[链接]它对衍射强度的贡献在整个分子和传统衍射实验的时间范围内平均,溶剂的动力学反映在扩散、非布拉格散射贡献中。大分子和体积溶剂之间的区域可能包含不同的溶剂密度,可以作为晶体结构。从有序分子到本体溶剂的复杂动态过渡区目前尚未单独建模。这幅画本质上是布拉格和佩鲁茨(1952年)的图1的现代版本【布拉格·W·L·和佩鲁茨·M·F·(1952),《结晶学报》,第5期,第277-283页。】)和Moews&Kretsinger(1975年【Moews,P.C.&Kretsinger,R.H.(1975),《分子生物学杂志》91,201-225。】).

大分子晶体中的高溶剂含量一方面限制了晶体的物理机械稳定性,另一方面也允许离子或小分子通过其溶剂通道进入已经形成的晶体。鉴于母液的某些组分或添加剂是根据它们调节晶体接触的能力来选择的,因此可以合理地预期,除了普遍存在的水分子外,这些特殊溶剂组分中的一些将构成晶体结构。作为有序的溶剂分子和离子,这些组分将表现出明显的可见电子密度,必须按照§[链接]三。

因此,晶体溶剂含量的分析需要考虑对数据和模型的至少两个主要贡献:(i)无序体溶剂的特性和(ii)显示不同电子密度的有序溶剂组分。第三个中间区域,半有序和不均匀溶剂,通常包含生物相关化合物,如脂类或膜组件,目前还没有充分描述,这可能是导致在精炼 R(右)值和数据质量(霍尔顿等。, 2014【Holton,J.M.、Classen,S.、Frankel,K.A.和Tainer,J.A.(2014)。FEBS J.281,4046-4060。】).

用于建模和精细化,虽然大分子-溶剂界面的动力学性质以及非均匀溶剂密度,但简单的二元和不连续的“坐标加体积溶剂”模型确实工作得相当好,为方法学的进步和更好地理解这一生物学上高度相关和活跃的界面区域提供了机会。在这篇综述中,我们研究了如何(i)估算大分子晶体的总溶剂含量,(ii)利用这一信息为我们带来好处(例如在相改进中),(iii)解释和建模无序的本体溶剂,以及(iv)正确识别和建模不同的电子(或核,在中子衍射的情况下)有序溶剂分子的密度。

2.本体溶剂

20世纪60年代末,大约100种球状蛋白质的晶体形式出现后不久,马修斯分析了蛋白质晶体中溶剂的分数体积(马修斯,1968【Matthews,B.W.(1968),《分子生物学杂志》,第33期,第491-497页。】). 他最初估计,平均接近一半的单位细胞体积充满了母液或溶剂,这一估计至今仍然有效。虽然溶剂含量的分布在晶体体积的50%左右达到峰值,但分布范围相对较广,从球形的约26%的封闭极限到近90%,在极端情况下,甚至在两个方向上都超过了这些极限;参见Weichenberger&Rupp(2014年【Weichenberger,C.X.和Rupp,B.(2014),《结晶学报》,第70期,1579-1588页。】)和图2[链接]在衍射数据的初始分析过程中,了解生物分子晶体的溶剂含量会产生有用的信息(§[链接]2.1),并且该知识随后在阶段化阶段很有价值(§[链接]2.2和§[链接]2.3). 为了获得精确的往复空间,必须对大块固体对衍射图案的贡献进行适当的建模精炼晶体结构[链接]2.4).

[图2]
图2
二维密度函数V(V)S公司使用binned二维核估计对60 218种蛋白质晶体形式进行了计算。规模V(V)S公司从20%到90%轴对应于V(V)M(M)值介于1.54和12.3Ω之间−1。绘图已规范化,最大值为1。等高线以0.2为增量绘制为实心粗体线。有一个明显的趋势,即V(V)S公司以更高的分辨率。大多数密度的中心分辨率约为1.9°V(V)S公司=50%,典型值V(V)S公司范围在30%到80%之间。图来自Weichenberger&Rupp(2014年【Weichenberger,C.X.和Rupp,B.(2014),《结晶学报》,第70期,1579-1588页。】). 由于PDB中可用的DNA/RNA晶体结构数量低60倍,因此无法确定核酸链的实验分辨率对溶剂含量的依赖性(见支持信息)。

2.1. 估算单元内容

流程的第一步结构测定几乎总是对分子单位-细胞含量的估计,这可以在根据索引衍射数据确定单位-细胞尺寸和可能的晶格类型后立即执行。溶剂含量分析通常为内部对称性和点群对称性的选择提供信息。不仅可以使可能的分子实体的数量符合不对称单元可以对单元格进行估计,但这些数字的极不可能值可能表明存在以下问题孪晶,伪对称或错误的点(空间)组分配(Zwart等。, 2008【Zwart,P.H.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Lebedev,A.A.,Murshudov,G.N.&Adams,P.D.(2008),《结晶学报》D64,99-107。】). 准确估计溶剂含量是密度调整技术中的一个重要参数(Hoppe&Gassmann,1968【Hoppe,W.&Gassmann,J.(1968),《结晶学报》,B24,97-107。】; Barrett&Zwick,1971年【Barrett,A.N.和Zwick,M.(1971),《结晶学报》,A27,6-11。】; 布里科涅,1974年【布里科涅·G(Bricogne,G.)(1974),《水晶学报》,A30,395-405。】; Zhang&Main,1990年[张,K.Y.J.&Main,P.(1990),《晶体学报》A46,41-46。]; 波贾尼等。, 1996【Podjarny,A.D.、Rees,B.和Urzhumtsev,A.G.(1996),《分子生物学方法》56,205-226。】; 等。, 2001[Zhang,K.Y.J.,Cowtan,K.D.&Main,P.(2001),《国际结晶学表》,第F卷,M.G.Rossmann&E.Arnold编辑,第311-324页。多德雷赫特:Kluwer学术出版社。]; Cowtan,2010年【Cowtan,K.(2010),《水晶学报》,D66,470-478。】). 密度修正对于打破单波长反常衍射相位中相位角的模糊性至关重要(Wang,1985[王,B.-C.(1985)。《酶学方法》,115,90-112。]; 米勒-迪克曼等。, 2007【Mueller Dieckmann,C.、Panjikar,S.、Schmidt,A.、Mueller,S.、Kuper,J.、Geerlof,A.、Wilmanns,M.、Singh,R.K.、Tucker,P.A.和Weiss,M.S.(2007)。晶体学报D63,366-380。】),用于阶段改进(Abrahams&Leslie,1996【Abrahams,J.P.&Leslie,A.G.W.(1996),《晶体学报》,D52,30-42。】)以及阶段延长(Sheldrick,2010[Sheldrick,G.M.(2010),《水晶学报》,D66479-485.]).

2.1.1. 马修斯系数

基于对116种不同晶体形式的球状蛋白质的分析(Matthews,1968【Matthews,B.W.(1968),《分子生物学杂志》,第33期,第491-497页。】, 1976【Matthews,B.W.(1976),《物理化学年鉴》27,493-523。】)Matthews观察到,溶剂占据的晶体体积分数范围为27%至78%,最常见的值约为43%。马修斯进一步定义V(V)M(M),称为马修斯系数,即晶体(非对称单位)体积V(V)A类每单位蛋白质分子量,M(M),

[V{\rm M}={{V{\rma}}\在M}\,\,({\rm{\AA}}^3\,{\rm-Da}^{-1}),\eqno(1)]

并证明了这一点V(V)M(M)与溶剂的分数体积有直接关系V(V)S公司在晶体中,

[{V_{\rm S}}=1-{{1.230}\在{V_}\rm M}}}上,\eqno(2)]

其中,换算系数1.230的尺寸为−3Da.(2)的推导[链接]Matthews的原始出版物中没有明确规定,但Weichenberger&Rupp(2014)对此进行了详细阐述【Weichenberger,C.X.和Rupp,B.(2014),《结晶学报》,第70期,1579-1588页。】)以及更完整的历史和当前总体溶剂含量数据汇编。

2.1.2. 马修斯概率:溶剂含量影响分辨率

马修斯意识到,溶剂含量和衍射数据分辨率之间的关系是合理的:单个分子之间接触更多的紧密堆积晶体应该更稳定、更有序,衍射可能更好。Matthews的直观预测已经使用更大的蛋白质数据集进行了统计验证,并且已经开发了一种可能单位细胞内容作为分辨率函数的条件概率估计,称为Matthews概率(MP)(Kantardjieff&Rupp,2003)[Kantardjieff,K.A.和Rupp,B.(2003).蛋白质科学.121865-1871。]). 这个MATTPROB公司web applet,累积分辨率仓的相应概率分布函数及其参数已提供给晶体学界,原始MP估计器已在主要的晶体学结构确定包中以某种形式实现[MATTHEWS_COEF公司在里面中央对手方清算所4(优胜者等。, 2011【Winn,M.D.等人(2011),《结晶学报》,D67,235-242。】),相位器(麦考伊等。, 2007【McCoy,A.J.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.,Winn,M.D.,Storoni,L.C.&Read,R.J.(2007),《应用结晶杂志》,第40期,第658-674页。】)和菲尼克斯(亚当斯等。, 2010【Adams,P.D.等人(2010),《水晶学报》,D66,213-221。】)]. 的最新更新MATTPROB公司(Weichenberger和Rupp,2014年【Weichenberger,C.X.和Rupp,B.(2014),《结晶学报》,第70期,1579-1588页。】)采用非参数核密度估计器(https://www.ruppweb.org/mattprob网站/)通过直接从经验溶剂含量数据计算Matthews概率,避免了修改Kantardjieff&Rupp(2003【Kantardjieff,K.A.和Rupp,B.(2003),《蛋白质科学》第12期,1865-1871年。】). 这一最新分析进一步强化了溶剂含量和分辨率高度相关的观点。低分子量蛋白质比密度的修改(Quillin&Matthews,2000【Quillin,M.L.和Matthews,B.W.(2000),《结晶学报》,D56,791-794。】; 费希尔等。, 2004【Fischer,H.、Polikarpov,I.和Craievich,A.F.(2004)。蛋白质科学13,2825-2828。】)对溶剂含量预测没有实际影响,并且与齐聚州(Chruszcz等。, 2008【Chruszcz,M.、Potrzebowski,W.、Zimmerman,M.D.、Grabowski、M.、Zheng,H.、Lasota,P.和Minor,W.(2008)。蛋白质科学17、623-632。】; Weichenberger&Rupp,2014年【Weichenberger,C.X.和Rupp,B.(2014)。晶体学报D70,1579-1588。】). 虽然发现对对称性和分子量的依赖性很弱,但实际上并不相关,但使用简单的线性或范畴模型无法令人满意地解释。

马修斯概率的一个显著特征是,在观测分辨率仅代表分辨率的经验下限之前,隐含了贝叶斯假设。换句话说,晶体在某些实验条件下至少会衍射到报道的分辨率,但原则上它本可以衍射得更好。这种贝叶斯先验的假设也与报告的分辨率截止值的分布明显偏向于高于一般平均值的截止值这一事实相一致/σ()第2.0页(Weichenberger&Rupp,2014【Weichenberger,C.X.和Rupp,B.(2014),《结晶学报》,第70期,1579-1588页。】; 等。, 2014[罗,Z.,拉贾珊卡,K.&道特,Z.(2014),《结晶学报》第70期,第253-260页。]). 目前,对于模型分辨率截止值的非平凡选择,在客观标准上还没有达成一致意见精细化,但似乎通常应用的分辨率截止值实际上低估了晶体的实际衍射势(Diederichs&Karplus,2013【Diederichs,K.&Karplus,P.A.(2013),《水晶学报》D691215-1222。】; 等。, 2014[罗,Z.,拉贾珊卡,K.&道特,Z.(2014),《结晶学报》第70期,第253-260页。]).

2.2. 相位调整中的溶剂:电子密度调整和掩蔽

无序体溶剂在大分子晶体中构成相当数量的散射物质。尽管本体溶剂没有被构造,但它在晶体中的平均电子密度仍然是周期性的,因此它有助于布拉格反射。在整个分辨率范围内,由此产生的体积固体对结构因子的贡献并不相同,但在高分辨率下几乎可以忽略不计,而在分辨率低于约6–8º时则非常显著(图3[链接]). Bragg&Perutz(1952【布拉格·W·L·和佩鲁茨·M·F·(1952),《结晶学报》,第5期,第277-283页。】).

[图3]
图3
散装固体对R(右)PDB条目解析显示的值三对三(特罗菲莫夫等。, 2010[Trofimov,A.A.,Polyakov,K.M.,Boyko,K.M.,Tikhonova,T.V.,Safonova,T.N.,Tikohnov,A.V.,Popov,A.N.&Popov的V.O.(2010),《结晶学报》,D66,1043-1047。]). 实心黑色和灰色曲线显示了以下效果:R(右)值)不包括(更高R(右)值)本体溶剂对总模型结构因子的贡献。

蛋白质晶体中溶剂含量高的一个最重要的好处是,蛋白质电子密度与周围体积溶剂的电子密度之间的差异为特别强大的相改进技术提供了基础。除了重原子溶液的惯用手模糊性外,单反常衍射(SAD)相位实验(Dauter等。, 2002【Dauter,Z.、Dauter、M.和Dodson,E.J.(2002),《水晶学报》D58,494-506。】; 米勒-迪克曼等。, 2007【穆勒-迪克曼,C.,潘基卡尔,S.,施密特,A.,穆勒,S.、库珀,J.、吉尔洛夫,A.、威尔曼斯,M.、辛格,R.K.、塔克,P.A.和维斯,M.S.(2007),《晶体学报》D63,366-380。】; Read&McCoy,2011年[Read,R.J.&McCoy,A.J.(2011),《水晶学报》,D67,338-344。])由于固有的相位角模糊性,启动相位通常较差(质心)。如果没有密度调整以改善相位和延长相位的好处,那么这种较差的启动相位将无法正常使用。这种方法是王(1985)开创的[王,B.-C.(1985)。《酶学方法》,115,90-112。])(例如,参见Bricogne,1984)【布里科涅·G(Bricogne,G.)(1984),《结晶学报》A40,410-445。】; 亚伯拉罕和莱斯利,1996年【Abrahams,J.P.&Leslie,A.G.W.(1996),《晶体学报》,D52,30-42。】; Podjarny和Urzhumtsev,1997年【Podjarny,A.D.和Urzhumtsev,A.G.(1997)。酶学方法。276,641-658。】; 特威利格,2000年【Terwilliger,T.C.(2000),《水晶学报》,D56,965-972。】; 等。, 2001[Zhang,K.Y.J.,Cowtan,K.D.&Main,P.(2001),《国际结晶学表》,第F卷,M.G.Rossmann&E.Arnold编辑,第311-324页。多德雷赫特:Kluwer学术出版社。]; 考坦,2010年【Cowtan,K.(2010),《水晶学报》,D66,470-478。】)并在几乎所有的大分子晶体结构解析中以各种形式实现(阶段化)软件。

2.3. 原子模型和体溶剂的描述

大多数基于实际空间的相改进方法(也称为密度修正)背后的想法原则上很简单:使(较差的)初始电子密度图看起来更像“真实的”蛋白质电子密度图1高溶剂含量有利于密度调整(相位改善),因为将大体积固体区域描述为平坦、连续的电子密度实际上是对现实的合理近似。因此,高溶剂含量意味着大部分晶体含量都得到了很好的描述,这是我们基本上免费掌握的知识。基于溶剂压平的密度改性方法通常在溶剂含量较高的情况下效果更好,在30%以下性能较差,其中溶剂含量基本上接近封闭球体的空隙体积,以及正确描述的扁平溶剂的比率描述不佳的部分有序过渡区减小。此外,由于图噪声(或当下部结构是中心对称的,结构的倒影;见2009年Rupp的表10-2[Rupp,B.(2009),《生物分子晶体学:结构生物学的原理、实践和应用》,纽约:加兰科学出版社。])可以更好地与正确的电子密度区分开来。已经回顾了各种密度修改和阶段改进方法,例如在波德贾尼等。(1996【Podjarny,A.D.、Rees,B.和Urzhumtsev,A.G.(1996),《分子生物学方法》56,205-226。】),Rupp(2009年[Rupp,B.(2009),《生物分子晶体学:结构生物学的原理、实践和应用》,纽约:加兰科学出版社。])和Cowtan(2010年【Cowtan,K.(2010),《水晶学报》,D66,470-478。】)以及下文提供的其他参考资料。密度修正和密度平均在从头算McPherson&Larson(2015)分别对病毒晶体结构的相位进行了评述【McPherson,A.&Larson,S.B.(2015),《结晶学杂志》,第21版,第3-54页。】).

2.3.1. 溶剂压扁

基于实际空间的方法的共同点是,在被认为是溶剂的部分和可能代表蛋白质模型的部分之间进行描绘。在溶剂压平中,使用溶剂面罩(参见§[链接]2.4.3),其中密度是恒定的并且属于本体溶剂(0.33 eÅ−3对于纯水),假设面膜外的蛋白质(其平均密度较高,约为0.44 e Au−3). 将溶剂区设置为平坦密度值的图反转生成的相位用于改进整个电子密度图的相位,更新溶剂掩模,迭代重复该过程,直到收敛(Bricogne,1974【布里科涅·G(Bricogne,G.)(1974),《水晶学报》,A30,395-405。】; Kleywegt&Read,1997年【Kleywegt,G.J.和Read,R.J.(1997),《结构》,第5期,1557-1569页。】; 波贾尼等。, 1987【Podjarny,A.D.,Bhat,T.N.&Zwick,M.(1987),《生物物理与生物物理化学年鉴》,第16期,第351-373页。】).

2.3.2. 溶剂翻转

溶剂翻转的相关技术(Abrahams&Leslie,1996)【Abrahams,J.P.&Leslie,A.G.W.(1996),《晶体学报》,D52,30-42。】)不会将溶剂区域中的密度值设置为恒定的低值,而是翻转(更改溶剂区域中栅格点(或密度体素)值的符号。翻转溶剂密度会在部分映射之间引入独立性,从而允许无偏差的相概率组合。例如,在程序中实现了强大的溶剂迁移过程所罗门群岛在中可用中央对手方清算所4(优胜者等。, 2011【Winn,M.D.等人(2011),《结晶学报》,D67,235-242。】)和作为的一部分自动共享(冯海因等。, 2007【Vonrhein,C.、Blanc,E.、Roversi,P.和Bricogne,G.(2007),《分子生物学方法》364,215-253。】)和菲尼克斯(亚当斯等。, 2010【Adams,P.D.等人(2010),《水晶学报》,D66,213-221。】).

2.3.3. 影响范围

翻转不太可能代表蛋白质原子位点的密度体素也是SHELXE公司 影响范围(SoI公司)算法(Sheldrick,2010[Sheldrick,G.M.(2010),《水晶学报》,D66479-485.]). 与基本上在Wang球体体积上积分的二进制方法相比,SoI公司计算2.42Ω球体表面密度的方差。选择半径的原因是为了保持一些似是而非的化学信息:事实上,2.42?是蛋白质和核酸。然后将覆盖的密度区域划分为溶剂、大分子和交叉区域(Sheldrick,2002)[Sheldrick,G.M.(2002).Z.Kristallogr.217,644-650.]). 可变(模糊)交叉区域可防止溶剂掩模因不正确的初始溶剂含量估计而被锁定。此外,模糊区域允许平滑过渡从溶剂到蛋白质。最终相位组合使用σA类-加权最大似然系数(Read,1986[Read,R.J.(1986),《结晶学报》,A42140-149。]),减少了地图中指定为蛋白质的部分的部分偏差。然后重复该过程直到收敛。

2.3.4. 边界区域复杂性

在“坐标加体积溶剂”模型中,大分子在其溶剂环境中的动态边界层很可能由不连续的二元跃迁不完全描述。努力使用平稳变化的连续边界(芬恩等。, 2010【Fenn,T.D.,Schnieders,M.J.和Brunger,A.T.(2010),晶体学报D661024-1031。】)已导致算法进步,但在R(右)价值观已经实现。有迹象表明R(右)观察到的值精炼典型分辨率下的大分子结构(R(右)值~20–30%)和测量数据的精度(R(右)合并约4–7%)可能至少部分源于对真实电子密度(霍尔顿等。, 2014【Holton,J.M.、Classen,S.、Frankel,K.A.和Tainer,J.A.(2014)。FEBS J.281,4046-4060。】). 由于动态移动的本体溶剂和大分子之间的区域也是实际发生有趣相互作用的区域,因此可以预期,对该边界区域进行更好的建模和解释也将提高对相关生物现象的理解。

2.4. 散装溶剂精制

在整个分辨率范围内,周期性体溶剂对布拉格反射的体-固贡献并不相同,相反,在高分辨率下几乎可以忽略不计,而在低分辨率下则很强(图3[链接]). 在低分辨率下,原子模型和体溶剂在低分辨率的贡献在量级上是可比较的,但在相位上是相反的。因此,未修正的仅通过模型计算的结构系数太大,相应地也更高R(右)值产生于精炼无散装固体校正;参见Kostrewa(1997)中的数字[Kostrewa,D.(1997)。CCP4新闻。蛋白质结晶器。34,9-22。])、Fokine和Urzhumtsev(2002年b条【Fokine,A.和Urzhumtsev,A.(2002b),《结晶学报》D58,1387-1392。】)和Afonine&Adams(2012年【Afonine,P.V.&Adams,P.D.(2012),《计算机结晶器》,新闻第3期,第18-21页。】).

在蛋白质晶体学的最初几十年中,截断低分辨率数据是一种常见的做法精炼只是因为缺乏合适的散货-固体模型。不幸的是,缺少数据,尤其是高强度低分辨率反射(有时只有5%),会严重恶化晶体图的质量(Lunin,1988【Lunin,V.Y.(1988),《晶体学报》A44144-150。】; 乌尔珠姆塞夫等。, 1989[Urzhumtsev,A.G.,Lunin,V.Y.和Luzianina,T.B.(1989)。晶体学报A45,34-39.]; Cowtan,1996年【Cowtan,K.D.(1996),《CCP4研究周末会议录》,大分子精炼,E.Dodson,M.Moore,A.Ralph&S.Bailey编辑,第23-28页。沃灵顿:达斯伯里实验室。]; Urzhumtseva和Urzhum tsev,2011年【Urzhumtseva,L.和Urzhum tsev,A.(2011),《应用结晶学杂志》,第44期,第865-872页。】),对晶体结构产生不利影响精炼(科斯特雷瓦,1997年[Kostrewa,D.(1997)。CCP4新闻。蛋白质结晶器。34,9-22。])并限制分子置换(Fokine和Urzhumtsev,2002年【Fokine,A.和Urzhumtsev,A.(2002a),《结晶学报》A58,72-74。】).

2.4.1. 散装溶剂模型

因为往复空间精炼晶体结构该模型最小化了由观测值之间的平方残差之和导出的似然目标函数(F类光突发事件)并计算模型结构系数振幅(F类模型),散装固体的贡献F类大量的需要在精炼晶体结构。用于往复空间精细化,描述整体的物理模型晶体结构进而可以从中计算模型结构因子。这种模型通常包含(i)原子模型参数(描述坐标、位移的参数特定原子的.)和(ii)描述其他一切的非原子模型参数,例如本体溶剂贡献,孪生分数、各种尺度、总体各向异性.).完整的模型晶体结构在里面倒数空间然后可以用总模型以广义形式表示结构系数(F类模型)由模型中单个原子的贡献组成(F类原子)和无序体溶剂(F类大量的)(Moews&Kretsinger,1975年【Moews,P.C.&Kretsinger,R.H.(1975),《分子生物学杂志》91,201-225。】; 阿富汗等。, 2012【Afonine,P.V.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Echols,N.,Headd,J.J.,Moriarty,N.W.,Mustakimov,M.,Terwilliger,T.C.,Urzhumtsev,A.,Zwart,P.H.&Adams,P.D.(2012),《结晶学报》D68,352-367。】),

[{\bf F}{\rm模型}

相应的刻度和成分如所述确定,例如,由Afonine确定等。(2013【Afonine,P.V.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.&Urzhumtsev,A.(2013),《结晶学报》,D69,625-634.】)和穆尔舒多夫等。(2011[Murshudov,G.N.,Skubák,P.,Lebedev,A.A.,Pannu,N.S.,Steiner,R.A.,Nicholls,R.A.,Winn,M.D.,Long,F.和Vagin,A.A.(2011)。晶体学报,D67,355-367。]).

目前,在大分子晶体学研究中使用了两种主要的体积-固体模型来计算F类大量的(小时):

  • (i) 基于Babinet原理的指数(Babinet)块状固体模型,其中溶剂贡献与蛋白质贡献的相反相位成比例(即负号)添加到原子模型散射贡献中(Moews&Kretsinger,1975【Moews,P.C.&Kretsinger,R.H.(1975),《分子生物学杂志》91,201-225。】; 特隆鲁,1997年【Tronrud,D.E.(1997),《酶学方法》,第277、306-319页。】);

  • (ii)基于掩模的扁平体积-固体模型,其中溶剂贡献被视为局部结构均质、隐蔽的散装固体区域的贡献(菲利普斯,1980【Phillips,S.E.V.(1980),分子生物学杂志,142531-554。】; Jiang&Brünger,1994年[Jiang,J.-S.&Brünger,A.T.(1994),《分子生物学杂志》,第243期,第100-115页。]). 尽管更早精炼程序,如EREF公司(杰克·莱维特,1978年【Jack,A.和Levit,M.(1978),《水晶学报》,A34,931-935。】)和早期版本的TNT公司(特隆鲁,1997年【Tronrud,D.E.(1997),《酶学方法》,第277、306-319页。】)包括屏蔽的批量模型选项,它们使用起来很简单,而且当时计算成本很高。

2.4.2. 指数(Babinet)散装固体模型

因为Babinet的原理(参见2009年Rupp中的边栏11-7[Rupp,B.(2009),《生物分子晶体学:结构生物学的原理、实践和应用》,纽约:加兰科学出版社。])仅适用于均匀散射的物体,即指数体积-固体模型2

[{\bf F}{\rm块体}({\bf-h})={\bfF}{rm原子}(}\bf-h})\{-k_{\rm-sol}\exp[-B_{\rma-sol}S^2({\fh-})/4]\}\eqno(4)]

严格来说,仅对低分辨率反射的校正有效,但对约6度仍然有效(Tronrud,1997【Tronrud,D.E.(1997),《酶学方法》,第277、306-319页。】; Podjarny和Urzhumtsev,1997年【Podjarny,A.D.和Urzhumtsev,A.G.(1997)。酶学方法。276,641-658。】; Glykos&Kokkindis,2000年【Glykos,N.M.和Kokkinidis,M.(2000),《晶体学报》D561070-1072。】). 在指数模型中,唯一可调整的参数是k个溶胶所谓的对比,是布拉格和佩鲁茨(Bragg&Perutz,1952)首次创造的一个术语【布拉格·W·L·和佩鲁茨·M·F·(1952),《结晶学报》,第5期,第277-283页。】)定义为平均溶剂电子密度和平均蛋白质电子密度之比(~0.76),以及B类溶胶,高衰减系数(~125–200Ω2)影响散装固体物贡献的程度。由于从蛋白质结构因子中减去高度衰减的溶剂贡献,指数模型在低分辨率下最有效。Babinet模型不需要掩模,因此,Babinet缩放可以应用于计算改进的缩放因子,然后再进行分子置换搜索,例如,通过改进的σA类分子置换似然函数的估计相位器(麦考伊等。, 2007【McCoy,A.J.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.,Winn,M.D.,Storoni,L.C.&Read,R.J.(2007),《应用结晶杂志》,第40期,第658-674页。】; McCoy,2007年【McCoy,A.J.(2007),《晶体学报》,D63,32-41。】).

基于Babinet的模型可在精炼程序SHELXL公司(谢尔德里克,2008年[Sheldrick,G.M.(2008),《水晶学报》,A64112-122。])和巴士-多伦多(特隆鲁,1997年【Tronrud,D.E.(1997),《酶学方法》,第277、306-319页。】; 布兰科等。, 2004【Blanc,E.、Roversi,P.、Vonrhein,C.、Flensburg,C.、Lea,S.M.和Bricogne,G.(2004),《结晶学报》,D60,2210-2221。】)和中REFMAC公司,其中它也可以与平溶剂模型(Murshudov等。, 2011[Murshudov,G.N.,Skubák,P.,Lebedev,A.A.,Pannu,N.S.,Steiner,R.A.,Nicholls,R.A.,Winn,M.D.,Long,F.和Vagin,A.A.(2011)。晶体学报,D67,355-367。]).

2.4.3. 扁平(掩蔽)散装固体模型

平坦或掩蔽溶剂模型

[{\bf F}_{\rm散装}({\bf-h})=k_{\rmask}

或者更一般地说,如Moews&Kretsinger(1975)所述【Moews,P.C.&Kretsinger,R.H.(1975),《分子生物学杂志》91,201-225。】)和黄嘌呤等。(2013[Afonine,P.V.,Grosse Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.和Urzhumtsev,A.(2013)。晶体学报,D69,625-634。]),

[{\bf F}_{\rm散装}({\bf-h})=k'_{\rmask}

在大分子晶体学研究中,目前是解释大块溶剂的默认选择。F类面具是来自均匀的、掩蔽的本体溶剂区域的贡献。体积-固体参数的物理意义k个面具在平面掩模中基于模型的解释是不同的k个溶胶在Babinet模型中(§[链接]2.4.2):在平板模型中k个面具是e?中的平均溶剂电子密度−3,而婴儿k个溶胶是溶剂和蛋白质电子密度之间的对比度(比率)。两者B类溶胶B类面具是涂抹(衰减)因子,单位为奥2描述了块状固体和大分子区域(平均)相互渗透的深度(Fokine和Urzhumtsev,2002b条【Fokine,A.和Urzhumtsev,A.(2002b),《结晶学报》D58,1387-1392。】). 由于存在已定义的遮罩边界区域,B类面具,平均值为42º2,明显小于B类溶胶(图4[链接]). 取决于精炼程序,额外的屏蔽生成参数,例如溶剂探针半径将溶剂边界延伸到蛋白质范德瓦尔斯表面以外,以及一个后填充探针(收缩)确定溶剂渗透回蛋白质表面和溶剂边界之间缝隙的半径可以在平面体积-固体模型中进行优化(Richards,1985【Richards,F.M.(1985),《酶学方法》,115,440-464。】; Jiang&Brünger,1994年[Jiang,J.-S.&Brünger,A.T.(1994),《分子生物学杂志》,第243期,第100-115页。]; Kostrewa,1997年[Kostrewa,D.(1997)。CCP4新闻。蛋白质结晶器。34,9-22。]).

[图4]
图4
本体溶剂参数。体积-固体参数的二维密度函数k个面具/B类面具源自PDB中存放的70 481个条目,其中精炼可以可靠地提取数据。平均溶剂密度值k个面具和涂抹因子B类面具使用计算菲尼克斯(亚当斯等。, 2010【Adams,P.D.等人(2010),《水晶学报》,D66,213-221。】). 绘图仅限于PDB条目R(右)工作介于0.05和0.30之间,仅为正值k个面具,测量值B类面具小于300且溶剂含量至少为5%。密度函数是使用一个二维核密度估计和一个轴对齐的二元正态核构造的,并已归一化为最大值1。等高线以0.2的规则间隔绘制为实线。方框图显示k个面具B类面具分布;中间值由灰色方框中的粗线表示,表示从下四分位数到上四分位数的间隔,胡须延伸到不超过四分位数范围1.5倍的数据点。样本中位数k个面具等于0.36(0.04)e−3和用于B类面具样本中值为42.4º2.分配B类面具有一个小尾巴朝向更高的值,用3.2的样本偏斜度表示,而k个面具分布似乎比平均值对称得多,样本偏斜度为0.43。该图未显示2.7%的B类面具条目和1.7%k个面具位于轴极限之外的数据。此图是使用生成的马特普洛特利布(亨特,2007年[Hunter,J.D.(2007),《计算科学与工程》第9期,第90-95页。]).

扁平溶剂模型可在以下程序中使用中枢神经系统(布伦格尔等。, 1998【Brünger,A.T.、Adams,P.D.、Clore,G.M.、DeLano,W.L.、Gros,P.、Grosse-Kunstleve,R.W.、Jiang,J.-S.、Kuszewski,J.、Nilges,M.、Pannu,N.S.、Read,R.J.、Rice,L.M.,Simonson,T.和Warren,G.L.(1998),《晶体学报》D54,905-921。】),菲尼克斯(亚当斯等。, 2010【Adams,P.D.等人(2010),《水晶学报》,D66,213-221。】)和REFMAC公司,这也允许将平面掩蔽溶剂模型与改进的指数Babinet模型相结合(Murshudov等。, 2011[Murshudov,G.N.,Skubák,P.,Lebedev,A.A.,Pannu,N.S.,Steiner,R.A.,Nicholls,R.A.,Winn,M.D.,Long,F.和Vagin,A.A.(2011)。晶体学报,D67,355-367。]).中枢神经系统使用改进的平面模型,该模型结合了Fokine和Urzhumtsev(2002)建议的溶剂参数网格搜索b条【Fokine,A.和Urzhumtsev,A.(2002b),《结晶学报》D58,1387-1392。】)以提高收敛性。中枢神经系统还细化了掩模计算中涉及的参数,如溶剂和收缩半径(Brunger,2007【Brunger,A.T.(2007),《自然协议》,第2期,2728-2733页。】).菲尼克斯使用了一个更强大的平面溶剂模型,其中溶剂参数与所有其他尺度参数(如整体各向异性标度和孪生分数)同时进行分析计算,使该方法快速且独立于最小收敛(Afonine等。, 2013【Afonine,P.V.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.&Urzhumtsev,A.(2013),《结晶学报》,D69,625-634.】). 提出了对平面溶剂模型的其他增强,以解决溶剂-大分子边界的不连续性(Fenn等。, 2010【Fenn,T.D.、Schnieders,M.J.和Brunger,A.T.(2010),《水晶学报》D66,1024-1031。】). 在某些情况下,散装溶剂在单位电池(毛刺等。, 1996【Burling,F.T.,Weis,W.I.,Flaherty,K.M.&Brünger,A.T.(1996),《科学》,271,72-77。】; 桑塔格等。, 2011【Sonntag,Y.,Musgaard,M.,Olesen,C.,Schiött,B.,Möller,J.V.,Nissen,P.&Thögersen,L.(2011),《自然公社》,第2期,第304页。】). 在这些情况下,简单的平面掩模模型可能不够充分,必须开发更好的模型来解释散装溶液区域中的明显差异。

2.4.4. 溶剂参数的物理意义

在简单且最常用的情况下(除了菲尼克斯,其中参数化不同;有关详细信息,请参见Afonine等。, 2013【Afonine,P.V.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.&Urzhumtsev,A.(2013),《结晶学报》,D69,625-634.】),平板散货-固体模型的两个可调参数(除掩模计算参数外)具有明确的物理意义和可预测值(Fokine和Urzhumtsev,2002b条[Fokine,A.和Urzhumtsev,A.(2002b)。晶体学报D58,1387-1392。]):平均溶剂密度k个面具(eó)−3)和涂抹因子B类面具2)它描述了块状固体和大分子区域(平均)相互渗透的深度。由于这两个参数是数据和模型质量的良好指标,因此它们是验证新结构或检查现有条目一致性的有用标准(有关系统研究,请参见Afonine、Grosse-Kunstleve等等。, 2010【Afonine,P.V.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Chen,V.B.,Headd,J.J.,Moriarty,N.W.,Richardson,J.S.,Richards,D.C.,Urzhumtsev,A.,Zwart,P.H.&Adams,P.D.(2010),《应用结晶杂志》第43期,第669-676页。】). 这些参数的异常值可能表明数据、模型或精致。通常,k个面具接近零意味着没有大量固体物质的贡献(这是极不可能的),并且可能表明模型、数据或两者都存在严重问题(詹森等。, 2007[Janssen,J.C.,Read,R.J.,Brünger,A.T.&Gros,P.(2007)。《自然》(伦敦),448,E1-E2。]; Rupp,2012年【Rupp,B.(2012),《水晶学报》,F68,366-376。】).

2.4.5. 散装溶剂校正注意事项

基于掩模的块状固体模型可以根据描述大分子周围掩模的参数的选择,生成(差异)电子密度图人工制品。示例如下。

  • (i) 如果选择蛋白质周围的面膜和/或相关收缩半径,使蛋白质面膜侵入真正的散装溶剂(在这些溶剂区域中没有计算体积溶剂密度),得到的电子密度差图将显示缺失的体积溶剂密度的正峰或“斑点”,这可能会被误解为有序溶剂组分。

  • (ii)当未建模蛋白质密度被指定为溶剂时,将在那里计算溶剂密度的背景,从而减少任何有序蛋白质特征的正差异密度。

  • (iii)如果蛋白质掩模不包括实际上是空的但足够大的通道,以至于掩模探针可以进入它们,则它们被错误地指定为体积-固体密度,从而导致负电子密度差异图峰值。

预防此类人工制品的措施包括消除蛋白质面膜内孔洞的空洞检测算法(Murshudov等。, 2011[Murshudov,G.N.,Skubák,P.,Lebedev,A.A.,Pannu,N.S.,Steiner,R.A.,Nicholls,R.A.,Winn,M.D.,Long,F.和Vagin,A.A.(2011)。晶体学报,D67,355-367。])或引入额外的未建模蛋白质密度贡献(Blanc等。, 2004【Blanc,E.、Roversi,P.、Vonrhein,C.、Flensburg,C.、Lea,S.M.和Bricogne,G.(2004),《结晶学报》,D60,2210-2221。】)在精炼过程中。

如果怀疑存在溶剂校正导致的人工制品,则将应用掩蔽的扁平体积-固体模型获得的地图与使用指数Babinet体积-固体校正获得的地图进行比较可以作为控制。Babinet模型与平板模型在两个关键方面有所不同。高效衰减(B类≃ 125–200 Å2)将Babinet校正的效果限制在低分辨率数据上,使剩余的高分辨率反射(以及由它们主导的整体缩放)不受影响。此外,在Babinet模型中,任何不属于模型蛋白的东西(F类原子)被自动且隐式地指定为溶剂,消除了局部掩蔽偏差。因此,例如,上述情况(i)是不可能的:任何未指定为蛋白质的东西都被视为属于溶剂,导致类似于(ii)中所述的情况,但可能不太引人注目。尽管蛋白质建模错误的影响溶剂在原理上类似于Babinet模型,可以引入的错误的类型和严重程度是有限的。最终,定义、优化和更新掩模参数的更好方法可能与对无序蛋白质区域的更好描述相结合(参见Blanc等。, 2004【Blanc,E.、Roversi,P.、Vonrhein,C.、Flensburg,C.、Lea,S.M.和Bricogne,G.(2004),《结晶学报》,D60,2210-2221。】),或更复杂的过渡区,需要开发来解决电子密度重建中溶剂校正诱导的人工制品。

2.5. 漫反射散射

与导致布拉格反射的晶体中周期性存在的溶剂密度不同,热漫反射(TDS)是由晶格中的时空无序引起的[另外,漫反射对记录的衍射图案的贡献来自于整个物体的康普顿散射而不仅仅是晶体]。与周期性的任何偏差晶格,包括溶剂密度的变化,而不限于原子位移引起的无序,导致晶体电子密度的周期性变化,并引起扩散散射。布拉格斑点反映了时间平均结构,而散射对衍射图案的贡献提供了晶体内动态运动或偏差的度量(Clarage&Phillips,1997【Clarage,J.B.和Phillips,G.N.(1997),《酶学方法》,277,407-432。】). 因此,TDS可以为了解生物大分子的动力学提供一个窗口。随着像素阵列探测器(PAD)高速数据采集技术的进步以及利用自由电子激光(FEL)X射线源时间结构的潜力,蛋白质的TDS分析(Wall等。, 2014【Wall,M.E.,Adams,P.D.,Fraser,J.S.&Sauter,N.K.(2014)。结构,22,182-184。】).

3.有序溶剂组分

已在中订购的溶剂成分晶格布拉格散射及其电子密度重建将显示出独特的特征,从而可以将其作为原子结构模型的一部分进行建模。它们的鉴别通常很重要,因为它们的电子密度可能不是唯一的(NH4+,纳+和镁2+例如,与水是等电子的),通常结晶混合物的组成、化学合理性、电荷互补性、局部环境、配位几何和立体化学提供了关于其特性的其他关键线索(表1[链接]). 额外的复杂性来自于部分占据的可能性(例如,对于多个侧链构象,其总和不限于1.0),以及具有对称性的部分可能位于与物体具有相同或更高对称性的相应特殊位置的事实。在典型的大分子分辨率下,代表水分子或单个离子的电子密度特征呈球形,它们可以位于任何特殊位置。小分子配体或辅因子通常具有与晶体对称性操作并可以定位在相应的特殊位置。配体在特殊位置(如双轴)的交替部分占据也是可能的,并且并不罕见。例如,由于水分子或离子的结合强度不如蛋白质分子中共价连接的侧链原子B类因子不受严格限制,并且可以显著高于相邻蛋白质原子的因子。更复杂的是,尽管由此产生的电子密度分布在理论上不同,但低占有率之间的区别高的B类在大多数蛋白质结构的分辨率下,原子的因子是不清楚的。

表1
分子间溶剂空间的常见成分

CC,结晶鸡尾酒;PS,蛋白质储备溶液;S、 浸泡液;LCP,脂质立方相。在配体的情况下,结合配位距离和几何形状以及合理的环境和分子姿势来评估电子密度形状有助于识别有序溶剂组分。

溶剂成分 公共来源 几何图形 电子密度
CC、PS 单元、四面体、五元和六元环、网络 球形,可以在任何特殊位置
缓冲器 CC、PS 分子形状,例如四面体(SO42−,采购订单43−),一些两性离子等。 分子形状,有时只有部分可见
金属离子、阴离子 CC、PS、S 不同的典型距离/环境,通常为八面体 球形,更高密度值符合Z轴,可以位于任何特殊位置
配体 CC、S 分子姿势,特定接触 分子形状,有时只有部分可见
辅因子 CC、PS、S 分子姿势,特定接触,一些共价(例如PLP) 分子形状,有时只有部分可见
其他沉淀剂 科科斯群岛 根据分子(例如甘油、低温缓冲液) 分子形状,有时只有部分可见
脂质 PS、LCP 尾部处于疏水环境,头部处于极性 分子形状,有时只有部分可见
清洁剂 抄送,PS 根据分子,一些两性离子 分子形状,有时只能看到部分

3.1. 水分子

在其自然环境中,蛋白质被各种各样的其他部分包围并相互作用,而这种分子环境的很大一部分由水分子组成。蛋白质表面氨基酸的物理化学性质使蛋白质周围形成一层或两层有序水分子的动态水合壳(Fogarty&Laage,2014【Fogarty,A.C.&Laage,D.(2014),《物理化学杂志》,第118期,第7715-7729页。】),这有助于测量X射线衍射强度,因此必须包含在结构模型中。水分子的电子密度可以很容易地用球形2来识别毫发o个DF公司c(c)和/或毫发o个DF公司c(c)傅里叶映射位于与氢键受体或供体之间的氢键距离处。仅在超高分辨率电子密度图(分辨率优于~1.0?)或中子衍射核密度图(Afonine,Mustakimov等。, 2010【Afonine,P.V.,Mustakimov,M.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Moriarty,N.W.,Langan,P.&Adams,P.D.(2010),《结晶学报》D66,1153-1163。】)单个氢原子能被清楚地分辨出来吗。

3.1.1. 氢键网络

由于其极性,水分子是高度通用的氢键供体和受体。单个分子可以通过共价结合的H原子贡献两个氢键,并可以接受两个氢链通过它的氧气上有两对孤立的电子,形成总共四个氢键。模拟水分子的氢键网络需要有相应的化学意义,通常可以观察到四面体配位水分子和五环或六环组件的网络(图5[链接]). 可以识别和构建的水分子数量取决于分子结构,但一般来说,更有序的水分子可以放置在更高的分辨率上(图6[链接]).

[图5]
图5
扩展的氢键水网络。()介绍了PDB条目中定义明确的氢键网络第二季第九季(中提琴等。, 2007[Viola,R.,Carman,P.,Walsh,J.,Miller,E.,Benning,M.,Frankel,D.,McPherson,A.,Cudney,B.&Rupp,B.(2007),《应用结晶杂志》,第40期,第539-545页。]). 蓝色网格表示σA类-派生的最大似然2毫发o个数据流c(c)1处的地图σ级别,以及化学方案中的绿色箭头,如所示(b条)指向接受氢的电子孤对。请注意,每个键都有一个适当的供体-受体对(它清楚地定义了Gln30残基的适当方向)和不同类型的相互作用:直接骨架-侧链、侧链-侧链和残基之间的水介导相互作用。典型X(X)-O-H角为120°服务提供商2-在几乎四面体配位的水O原子中,–OH基团的杂化轨道和H-O-H的104.5°。共价O-H距离为0.96Ω。(c(c))描述了高分辨率(1.2°)结构的分子间空间中定义明确的水网络,揭示了典型的冰状五元和六元水环网络,而中心水原子具有几乎完美的氢键伙伴四面体排列(PDB条目1磅/平方英寸; 帕金等。, 1996【Parkin,S.、Rupp,B.和Hope,H.(1996),《水晶学报》D52,18-29。】; 数字改编自Rupp,2009[Rupp,B.(2009),《生物分子晶体学:结构生物学的原理、实践和应用》,纽约:加兰科学出版社。]).
[图6]
图6
取决于分辨率的平均每个氨基酸的水分子数。每个残基的平均水分子数计算为水分子数除以不对称单元中所有链的氨基酸数。根据2014年5月23日从PDB下载的X射线晶体图确定的77 346个蛋白质结构中的每一个,计算出了这个数字。该图利用方框图直观显示了在实验分辨率范围0.6-3.5º内0.1º容器中观察到的每残留物水分子数量的分布。在方框图中,灰色方框显示第一和第三个四分位之间的值,黑色条表示中值,胡须延伸到不超过内四分位范围1.5倍的数据点;此区域外的数据点以黑点突出显示。该图反映了一种似是而非的趋势,即与分辨率较低的结构相比,分辨率较高的结构中可以建造更多的离散水域。在低分辨率范围内,分布偏向于每残留物零水分子,这可以从这些分布中中值的位置上读取。这种趋势一直持续到分辨率低至2.5º,从那时起分布开始对称。请注意,分辨率非常高(优于0.8º)和非常低(低于3.3º)的箱子中填充的测量值少于100个。补充图S2中提供了核酸结构模型的对应图,该图显示了相似但有限的信息,因为X射线结晶术测定的DNA/RNA结构数量少得多。

由于H或D原子具有与重原子相当的显著中子散射因子(前者具有负号,但具有显著的背景散射),因此通常可以在核密度中指定水网络和质子化状态。菲尼克斯提供单独或组合X射线/中子选项精炼(黄嘌呤、穆斯塔基莫夫等。, 2010【Afonine,P.V.,Mustakimov,M.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Moriarty,N.W.,Langan,P.&Adams,P.D.(2010),《结晶学报》D66,1153-1163。】).

3.1.2. 自动化水建筑

几乎所有主要的晶体学软件包和建模程序都配备了自动取水和分析程序。中央对手方清算所4(优胜者等。, 2011[Winn,M.D.等人(2011),《晶体学报》,第67卷,第235-242页。])程序套件,REFMAC公司(穆尔舒多夫等。, 2011[Murshudov,G.N.,Skubák,P.,Lebedev,A.A.,Pannu,N.S.,Steiner,R.A.,Nicholls,R.A.,Winn,M.D.,Long,F.和Vagin,A.A.(2011)。晶体学报,D67,355-367。])与调用arp _水(Lamzin和Wilson,1993年[Lamzin,V.S.&Wilson,K.S.(1993),《结晶学报》,D49,129-147。]),在考虑各种距离标准的情况下,去除不符合电子密度的原子,并将新的水原子放入未占用的电子密度峰值菲尼克斯定义程序(Afonine等。, 2012【Afonine,P.V.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Echols,N.,Headd,J.J.,Moriarty,N.W.,Mustakimov,M.,Terwilliger,T.C.,Urzhumtsev,A.,Zwart,P.H.&Adams,P.D.(2012),《结晶学报》D68,352-367。】)提供用于挑水的命令行选项(有序溶剂)和SHELXL公司(Sheldrick和Schneider,1997年【Sheldrick,G.M.和Schneider,T.R.(1997),《酶学方法》277、319-343。】)提供程序SHELXWAT公司基于ARP协议/弯曲程序(Lamzin&Wilson,1993[Lamzin,V.S.&Wilson,K.S.(1993),《结晶学报》,D49,129-147。]). 这个中枢神经系统 精炼协议(Brunger,2007【Brunger,A.T.(2007),《自然协议》,第2期,2728-2733页。】)为水的放置和移除提供输入文件。一般来说,这些程序遵循与人体模型构建者相同的策略:在不同的电子密度图中通过峰值搜索选择水域。额外的限制条件确保假定的水分子与蛋白质原子或其他水分子之间存在氢键距离,并且它与蛋白质的距离很近,从而体现出合理的水化壳模型。见证人:非晶体对称性(NCS)中央对手方清算所4程序WATNCS公司使用该信息清除不符合NCS约束的水域,而WATERTIDY公司可以被视为挑水后的后处理步骤,将与对称性相关的水移到蛋白质链附近,并试图建立合理的水合壳。流行的交互式建模程序库特(埃姆斯利等。, 2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】)将水提取和水分子分析与真实空间验证相结合。

程序包的最新发展,如菲尼克斯已经大大改进了“水”占卜程序(Echols、Morshed等。, 2014【Echols,N.、Morshed,N.,Afonine,P.V.、McCoy,A.J.、Miller,M.D.、Read,R.J.、Richardson,J.S.、Terwilliger,T.C.和Adams,P.D.(2014),《结晶学报》第70期,第1104-1114页。】)能够根据电子密度区分水分子和其他离子,精炼和合理性标准,详见§[链接]3.2.

3.1.3.B类有序水分子的因子和占有率

之后精细化,值得仔细研究一下B类模拟水分子的因素,这些因素变化很大,取决于当地环境。水分子不通过共价键与其他原子相连,并且随着与蛋白质距离的增加,它们的流动性越来越强。B类这种水分子的因子可能比B类相邻蛋白质原子的因子,与蛋白质原子在稳定的氢键网络中紧密结合的水分子事实上的限制了不断增加的流离失所或流动性B类这些因素并不比其环境邻国高出多少。

3.1.4. B类-因子水分子

随着与有序蛋白质表面距离的增加,位移和迁移率通常会增加,相应地,电子密度峰会变得更宽、更低和精细B类因素将增加。非常高B类因子通常与虚假水分子有关,任何密度与其他部分的非共价相互作用都不小于4-5º,很难用简单的水模型来证明。虽然在可能的情况下应解释显著的正差异密度,但不加区分地将水分子放入每个正差异密度中会创建一个非节约模型(Dauter等。, 2014【Dauter,Z.,Wlodawer,A.,Minor,W.,Jaskolski,M.&Rupp,B.(2014),国际癌症研究联合会,1179-193年。】)吃得太多,通常质量较差R(右)自由的价值观(Brünger,1992【Brünger,A.T.(1992),《自然》(伦敦),355,472-475。】)或更大R(右)R(右)自由的间隙(搔痒等。, 2000[Tickle,I.J.,Laskowski,R.A.和Moss,D.S.(2000),《晶体学报》D56,442-450.])而不是一个更简单、更合理的模型。类似的考虑也适用于不加批判地放置在低分辨率图的密度峰中的水分子:一个约1.5Å氢到氢距离的水分子真的会在3.5Å电子密度图中产生一个不同的峰吗?而图6[链接]确实允许粗略估计在某一分辨率下如何构建水,最终标准是合理的电子密度(满足证据需求)和物理化学合理性(满足符合既定预期的需求)。

3.1.5. 部分被占用的水分子

当水分子细化到很高B类因素,这只是表明精炼程序希望在建议的水位置处散射贡献较小,因此可以合理地分配水原子的部分占据。这样做将减少B类考虑到(中等分辨率)减少占用率或增加B类因素,它对全球的影响很小R(右)值。因此,理由必须来自必要性,例如不同的水密度可能太接近另一个水密度,表明占用率减少(总和≤1.0)或与备用侧链确认相关的水位置。可在精炼程序,如果合适,其总和限制为1.0。图7[链接]例举了这种情况的一个相对简单的例子。

[图7]
图7
与部分水分占用相关的交替构象示例。Glu侧链在C处断裂β假设两个约占60/40%的交替构象。这两个水原子太近,不能同时存在,它们的占有率应该与相关侧链的占有率有关。两组的占用率之和必须限制为1.0。2毫发o个DF公司c(c)电子密度分布在1σ级别。该数字由Rupp(2009)修改而来[Rupp,B.(2009),《生物分子晶体学:结构生物学的原理、实践和应用》,纽约:加兰科学出版社。]).
3.1.6. B类-因子“水”分子

B类-显著偏离B类相邻蛋白质原子的因子,甚至接近硬编码下限B类系数(通常设置为1-5º2在里面精炼程序)表示金属阳离子或阴离子(如Cl)的分配不正确,作为水分子(参见Echols,Morshed等。, 2014【Echols,N.、Morshed,N.、Afonine,P.V.、McCoy,A.J.、Miller,M.D.、Read,R.J.、Richardson,J.S.、Terwilliger,T.C.和Adams,P.D.(2014)。晶体学报D70,1104-1114。】和图8[链接]). 在许多情况下,离子的配位几何结构和键距(见§[链接]3.2),对结晶-封装组件的审查(参见§[链接]3.2)和/或异常差异图峰值将允许合理解释。

[图8]
图8
元素离子的鉴定。()中心原子的电子密度与水相当,但表现出金属离子典型的八面体配位。2.0–2.2Ω的配位距离与Mg相容2+离子与周围的水等电子。PDB条目1gkb(坎塔德吉夫等。, 2002【Kantardjieff,K.A.,Höchtl,P.,Segelke,B.W.,Tao,F.-M.&Rupp,B.(2002),《结晶学报》D58,735-743.】). (b条)一个最初模拟的水原子B类因子可以识别为Cl通过电子密度峰值高度、配位距离(3.1–3.7º)及其与主链N原子和带正电残基结合的偏好。PDB条目1c8单位(李等。, 2000[Li,J.,Derewenda,U.,Dauter,Z.,Smith,S.&Derewenda,Z.S.(2000)。《自然结构生物学》第7期,第555-559页。]). 2毫发o个DF公司c(c)电子密度分布在1σ水平(蓝色)和5σ液位(红色)。这些数字是根据Rupp(2009年[Rupp,B.(2009),《生物分子晶体学:结构生物学的原理、实践和应用》,纽约:加兰科学出版社。]).

3.2. 元素离子

元素离子,如各种天然存在金属的阳离子或来自结晶混合物的阳离子,几乎总是存在于晶体结构。同样,来自低温盐的阴离子也可以存在于晶体结构中,但频率较低。在异常相位的快速离子浸泡的情况下,有序(但不一定完全占据)离子的存在及其反常散射贡献是一个理想的结果。NH等离子之间的区别4+,纳+和镁2+,所有这些实际上都是与水等电子的(十个电子),通常不能仅基于电子密度或原子位移参数来实现。可以区分这种等电子离子位点通过解释它们的结合和协调环境。对于较重的离子,电子密度将相应地高于水分子,因此,用错误的模型代替较重离子的水会变得异常低B类因素。在收集到异常数据的情况下,异常差异密度图(见Strahs&Kraut,1968【Strahs,G.&Kraut,J.(1968),《分子生物学杂志》35,503-512。】; 米勒-迪克曼等。, 2007【穆勒-迪克曼,C.,潘基卡尔,S.,施密特,A.,穆勒,S.、库珀,J.、吉尔洛夫,A.、威尔曼斯,M.、辛格,R.K.、塔克,P.A.和维斯,M.S.(2007),《晶体学报》D63,366-380。】; Read&McCoy,2011年[Read,R.J.&McCoy,A.J.(2011),《水晶学报》,D67,338-344。])可以为局部金属提供实验证据。相应的X射线吸收/荧光边缘扫描可以识别离子,并在一定程度上识别其局部环境(Frankaer等。, 2014【Frankaer,C.G.,Mossin,S.,Stáhl,K.&Harris,P.(2014),《水晶学报》第70期,第110-122页。】).

大多数元素离子的配位距离和几何结构已经制成表格,例如Harding(2004)【Harding,M.M.(2004),《晶体学报》,D60,849-859。】, 2006【Harding,M.M.(2006),《水晶学报》,D62,678-682。】)和辛等。(2008[辛·K、盛·Y、哈丁·M·M、泰勒·P·和沃尔金肖·M·D(2008),《应用结晶学杂志》第41期,第963-968页。]). 这些参数为验证服务器提供了基础,例如检查我的金属(郑等。, 2014【Zheng,H.,Chordia,M.D.,Cooper,D.R.,Chruszcz,M.,Müller,P.,Sheldrick,G.M.&Minor,W.(2014),《自然协议》,第9卷,第156-170页。】). 基于坐标的后部验证不一定像包括电子密度和异常差异的联合验证/识别那样强大峰值分析(Echols,Morshed公司等。, 2014【Echols,N.、Morshed,N.,Afonine,P.V.、McCoy,A.J.、Miller,M.D.、Read,R.J.、Richardson,J.S.、Terwilliger,T.C.和Adams,P.D.(2014),《结晶学报》第70期,第1104-1114页。】)如果可能的话,这是记录、保存和保存未融合异常衍射数据的一个令人信服的理由。

3.3. 小分子配体

结合位点从本质上来说,已经进化为吸引配体部分。虽然细节确保处理正确的基板体内甚至是极为相似的分子部分(任何东西,从表达宿主细胞内容物到纯化缓冲液,再到结晶-尾部成分,都可以通过足够高的浓度被强制进入结合位点(甚至可以部分取代或完全竞争所需的配体)。在给定足够浓度的情况下,弱结合物被迫进入活性位点的潜力可用于基于片段的药物先导发现(Burley,2004)【Burley,S.(2004),《现代药物》,Discov.7,53-56。】; Hajduk&Greer,2007年【Hajduk,P.J.和Greer,J.(2007),《自然评论:药物发现》,第6期,第211-219页。】),但它可能会在结合位点产生意外的配体,如缓冲区(Gokulan等。, 2005【Gokulan,K.,Khare,S.,Ronning,D.,Linthicum,S.D.,Sacchettini,J.C.&Rupp,B.(2005).生物化学,44,9889-9898.】)或者对虚假密度的误解,可能会用一个理想但虚构的配体进行建模(Rupp,2010【Rupp,B.(2010),《应用结晶杂志》,第43期,第1242-1249页。】; 波扎尔斯基等。, 2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】; 多泰等。, 2014[Dauter,Z.,Wlodawer,A.,Minor,W.,Jaskolski,M.和Rupp,B.(2014)。国际癌症研究所,179-193。]).

大分子晶体中存在大的溶剂通道,可以将小分子(主要是配体、抑制剂、治疗药物引线、辅因子或不可水解底物)浸泡到预先形成的晶体中。如果不能浸泡,则可以选择共结晶。技术已经成熟(Danley,2006【Danley,D.E.(2006),《水晶学报》,D62,569-575。】; 哈塞尔等。, 2007【Hassell,A.M.等人(2007),《晶体学报》,D63,72-79。】). 成功浸泡实验的先决条件是溶剂通道足够大,以允许相应配体扩散到晶体中。特定扩散速率和配体结合的开启速率决定了实现配体结合所需的时间,范围从几分钟到数小时。在小型单离子浸泡中,用于SAD阶段(Nagem等。, 2001[Nagem,R.A.P.,Dauter,Z.&Polikarpov,I.(2001),《结晶学报》D57996-1002。], 2003[Nagem,R.A.P.,Polikarpov,I.&Dauter,Z.(2003)。《酶学方法》374,120-137。])部分占用是可以接受的,只需60-300秒即可实现。

配体位点的占有率是结合亲和力和配体浓度的直接函数;它可以推导出来(Danley,2006【Danley,D.E.(2006),《水晶学报》,D62,569-575。】)根据离解常数的定义K(K)d日如图9所示[链接]如果配体没有高结合亲和力,那么它在低浓度下就不会被完全占据,因此,其本来就很低的相对散射质量甚至更少,都会导致(对于配体-验证目的来说没有信息)精炼残余沉积物(波扎尔斯基等。, 2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】; 魏森伯格等。, 2013【Weichenberger,C.X.,Pozharski,E.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》F69,195-200。】). 同样,对相应配体电子密度的任何贡献都将与配体占有率成比例地减少。然而,即使在较低的入住率下,仍然可以达到较高的入住率K(K)d日通过足够高的浓度,有效地迫使配体(或结晶混合物组分)进入结合位点(图9[链接]).

[图9]
图9
根据三个不同结合常数的配体平衡浓度绘制被占领受体位点的分数。而在毫摩尔及以下K(K)d日范围较小的配体浓度足以实现合理的结合位点占有率(在70%到90%之间),结晶液滴中配体的浓度对于较差的结合物来说是非常不切实际的。另一方面,如果浓度足够高,即使弱结合(和非天然)配体也可能被迫进入结合位点。图自Pozharski等。(2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】)根据Danley(2006)推导计算【Danley,D.E.(2006),《水晶学报》,D62,569-575。】)和Rupp(2009年[Rupp,B.(2009),《生物分子晶体学:结构生物学的原理、实践和应用》,纽约:加兰科学出版社。]).
3.3.1. 实验证据

配体位于复杂结构中的特定位置,表现出独特构象的命题(以特定姿势呈现)是一种非常有力的陈述。相应地,支持这一有力主张的明确实验证据是必要的。清除正OMIT差异电子密度(Bhat,1988【Bhat,T.N.(1988),《应用结晶杂志》,第21期,第279-281页。】)已被提议作为根据实验晶体数据证明配体放置的最低要求(Kleywegt,2007【Kleywegt,G.J.(2007),《结晶学报》,D63,94-100。】; 波扎尔斯基等。, 2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】; 瓦洛达尔等。, 2013【Wlodawer,A.,Minor,W.,Dauter,Z.&Jaskolski,M.(2013)。联邦公报280,5705-5736。】; 多泰等。, 2014【Dauter,Z.,Wlodawer,A.,Minor,W.,Jaskolski,M.&Rupp,B.(2014),国际癌症研究联合会,1179-193年。】). OMIT差异密度应该在不将配体分子放入其他几乎完成的模型中的情况下产生。否则,必须通过诸如在轻微坐标扰动后重新定义模型(Reddy等。, 2003[Reddy,V.,Swanson,S.M.,Segelke,B.,Kantardjieff,K.A.,Sacchettini,J.C.&Rupp,B.(2003),《结晶学报》D59,2200-2210。])或更严格的方法(Hodel等。, 1992【Hodel,A.,Kim,S.-H.&Brünger,A.T.(1992),《结晶学报》A48,851-858。】; 亚当斯等。, 1997【Adams,P.D.,Pannu,N.S.,Read,R.J.&Brünger,A.T.(1997)。美国国家科学院院刊,945018-5023。】; 布伦格尔等。, 1997【Brünger,A.T.,Adams,P.D.&Rice,L.M.(1997),结构,5325-336。】; 特威利格等。, 2008【Terwilliger,T.C.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Afonine,P.V.,Moriarty,N.W.;Adams,P.D.,Read,R.J.,Zwart,P.H.&Hung,L.W.(2008),《结晶学报》,D64,515-524.】).

一般来说,配体非常高B类因子和低部分配体占用率,特别是在结合时,不能提供足够的散射贡献,并且很难重建令人信服的正差密度。支撑配体电子密度的缺乏通常通过高真实空间来揭示R(右)(RSR)值和低实空间相关系数(RSCC)精炼包或使用单独的工具,例如库特(埃姆斯利等。, 2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】),EDSTATS公司(Tickle,2012年【Tickle,I.J.(2012),《水晶学报》,D68,454-467。】)或覆盖层(获胜者等。, 2011【Winn,M.D.等人(2011),《结晶学报》,D67,235-242。】). EDS电子密度服务器(Kleywegt等。, 2004[Kleywegt,G.J.,Harris,M.R.,Zou,J.,Taylor,T.C.,Wählby,A.和Jones,T.A.(2004)。晶体学报,D60,2240-2249。])为大多数已发布的PDB条目提供电子密度分析。注意,EDS密度不是配体省略密度,因此倾向于配体的存在而不是不存在。最新的PDB验证报告提供了另一种配体匹配的综合测量方法,即局部配体密度匹配(LLDF;https://wwpdb.org/ValidationPDF注释.html)将配体的RSR与5Å内蛋白质原子的RSR的平均值和标准偏差进行比较。在配体含有较重原子的情况下,异常差异数据可以为其识别提供线索,并为其存在提供证据(Strahs&Kraut,1968【Strahs,G.&Kraut,J.(1968),《分子生物学杂志》35,503-512。】; Thorn&Sheldrick,2011年【Thorn,A.和Sheldrick,G.M.(2011),《应用结晶》第44卷,第1285-1287页。】). 虽然对于含有磷酸部分或重金属离子的配体很明显,但在公开的教程集(Faust等。, 2008【Faust,A.、Panjikar,S.、Mueller,U.、Parthasarathy,V.、Schmidt,A.,Lamzin,V.S.和Weiss,M.S.(2008),《应用结晶杂志》第41期,第1161-1172页。】).

3.3.2. 合理性

散射贡献越弱,因此重建的电子密度越小,就越必须依赖立体化学约束和所提议配体的化学环境的性质。不良的约束文件通常会导致在精炼(Kleywegt,2007年【Kleywegt,G.J.(2007),《结晶学报》,D63,94-100。】)已创建数据库,以便将配体几何结构与已知(但不一定正确)PDB配体条目进行比较(Kleywegt&Harris,2007【Kleywegt,G.J.和Harris,M.R.(2007),《晶体学报》,D63,935-938。】).PDB Ligand博览会(https://ligand-expo.rcsb.org)提供了一组工具,用于访问PDB文件中已存在的配体结构。现有多种工具可根据高分辨率小分子晶体学数据和/或量子力学优化生成配体约束文件(Schüttelkopf&van Aalten,2004)【Schüttelkopf,A.W.和van Aalten,D.M.F.(2004),《水晶学报》,D60,1355-1363。】; 莫里亚蒂等。, 2009【Moriarty,N.W.,Grosse-Kunstleve,R.W.&Adams,P.D.(2009),《结晶学报》D651074-1080。】; 聪明等。, 2011[Smart,O.S.,Womack,T.O.,Flensburg,C.,Keller,P.,Paciorek,W.,Sharff,A.,Vonrhein,C.和Bricogne,G.(2011)。晶体学报A67,C134。]; 列别杰夫等。, 2012[Lebedev,A.A.,Young,P.,Isupov,M.N.,Moroz,O.V.,Vagin,A.A.和Murshudov,G.N.(2012)。晶体学报,D68,431-440.]),其他资源见Deller&Rupp(2015)【Deller,M.&Rupp,B.(2015),《计算机辅助分子设计杂志》29,1-20。】).

除了配体几何形状外,配体的姿势也需要合理,并允许与大分子进行相应的接触,这可以在建模工具中进行检查,例如库特(埃姆斯利等。, 2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】). 图形显示程序,如LIGPLOT公司(拉斯科夫斯基和斯温德尔出版社,2011年)[Laskowski,R.A.&Swindells,M.B.(2011),《化学信息杂志》,模型51,2778-2786。])使配体结合位点的局部环境可视化。

3.3.3.R(右)自由的集合选择与模型偏差

蛋白质-配体复合体结构通常由已知蛋白质结构模型的分子替换决定。在同晶结构的情况下,简单刚体精炼然后是重建和单个坐标精炼可能就足够了。与为选择的反射相同R(右)自由的应保留原始数据集,以进行适当的交叉验证(Brünger,1997【Brünger,A.T.(1997)。酶学方法。277,366-396。】). 此外,如果使用另一个与配体同晶的结构作为重新定义的起始模型,则由于模型相位偏差,可以再现与原始配体类似的虚假密度。虽然很现代最大似然方法对模型偏差相对稳健,应该记住这种可能性。第一轮模拟退火分子动力学精炼(亚当斯等。, 1997【Adams,P.D.,Pannu,N.S.,Read,R.J.&Brünger,A.T.(1997)。美国国家科学院院刊,945018-5023。】)或小的坐标扰动(Perrakis等。, 1997【Perrakis,A.、Sixma,T.K.、Wilson,K.S.和Lamzin,V.S.(1997),《结晶学报》D53、448-455。】; 雷迪等。, 2003[Reddy,V.,Swanson,S.M.,Segelke,B.,Kantardjieff,K.A.,Sacchettini,J.C.&Rupp,B.(2003),《结晶学报》D59,2200-2210。]),总是省略配体(Bhat,1988【Bhat,T.N.(1988),《应用结晶杂志》,第21期,第279-281页。】),可用于在怀疑存在偏差的情况下将偏差问题降至最低。如果同晶无配体载脂蛋白晶体的数据也可用,F类光突发事件(配体)−F类光突发事件可以生成显示无偏配体密度的(apo)差异图(Stryer等。, 1963[Stryer,L.、Kendrew,J.C.和Watson,H.C.(1963),《分子生物学杂志》第8期,第96-104页。]).

3.4. 自动化配体构建工具

配体识别本身通常是晶体结构决心、启动时间和资源都很昂贵。X射线的应用和局限性晶体结构结构导向潜在客户发现模型(布伦德尔等。, 2002【Blundell,T.L.,Jhoti,H.&Abell,C.(2002),《自然·药物评论》,Discov.1,45-54。】; 挠痒痒等。, 2004【Tickle,I.J.、Sharff,A.、Vinkovic,M.、Yon,J.和Jhoti,H.(2004)。化学社会评论33,558-565。】),片段筛选(Burley,2004【Burley,S.(2004),《现代药物》,Discov.7,53-56。】; 哈特肖恩等。, 2005[Hartshorn,M.J.,Murray,C.W.,Cleasby,A.,Frederickson,M.,Tickle,I.J.和Jhoti,H.(2005),《医学化学杂志》,第48403-413页。]; Fischer&Hubbard,2009年【Fischer,M.和Hubbard,R.E.(2009),分子干预,第9期,22-30页。】)和药物设计(Goodwill,2001【Goodwill,K.E.(2001),《药物发现》,今日,第6期,第113-118页。】)已在其他地方进行了审查(Davis等。, 2008【Davis,A.M.,St-Gallay,S.A.&Kleywegt,G.J.(2008),《药物发现》,今日,第13期,第831-841页。】). 如§[链接]3.1.2,配体放置的自动化程序已在大多数晶体结构测定中开发和实施(Oldfield,2001)【Oldfield,T.J.(2001),《水晶学报》,D57,696-705。】; 兹瓦特等。, 2004【Zwart,P.H.、Langer,G.G.和Lamzin,V.S.(2004),《结晶学报》,D60,2230-2239。】; 瓦洛德克等。, 2006【Wlodek,S.、Skillman,A.G.和Nicholls,A.(2006),《水晶学报》,D62,741-749。】; 特威利格等。, 2006【Terwilliger,T.C.,Klei,H.,Adams,P.D.,Moriarty,N.W.&Cohn,J.D.(2006),《结晶学报》,D62,915-922.】, 2007【Terwilliger,T.C.,Adams,P.D.,Moriarty,N.W.&Cohn,J.D.(2007),《结晶学报》D63,101-107。】; 宾科夫斯基等。, 2010【Binkowski,T.A.,Cuff,M.,Nocek,B.,Chang,C.&Joachimiak,A.(2010),《结构功能基因组学杂志》,11,21-30。】; 克莱伊等。, 2014【Klei,H.E.,Moriarty,N.W.,Echols,N.,Terwilliger,T.C.,Baldwin,E.T.,Pokross,M.,Posy,S.&Adams,P.D.(2014),《水晶学报》第70期,第134-143页。】; 埃科尔斯,莫里亚蒂等。, 2014【Echols,N.、Moriarty,N.W.、Klei,H.E.、Afonine,P.V.、Bunkóczi,G.、Headd,J.J.、McCoy,A.J.、Oeffner,R.D.、Read,R.J.,Terwilliger,T.C.和Adams,P.D.(2014),《结晶学报》第70期,第144-154页。】; Carolan&Lamzin,2014年【Carolan,C.G.&Lamzin,V.S.(2014),《水晶学报》第70期,1844-1853页。】)和验证(Kleywegt,2007【Kleywegt,G.J.(2007),《结晶学报》,D63,94-100。】; Kleywegt&Harris,2007年【Kleywegt,G.J.和Harris,M.R.(2007),《晶体学报》,D63,935-938。】; 聪明等。, 2011[Smart,O.S.,Womack,T.O.,Flensburg,C.,Keller,P.,Paciorek,W.,Sharff,A.,Vonrhein,C.&Bricogne,G.(2011),《晶体学报》,A67,C134。]; 波扎尔斯基等。, 2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】; 魏森伯格等。, 2013【Weichenberger,C.X.,Pozharski,E.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》F69,195-200。】)包。

虽然这似乎违反直觉,但配体识别和放置在概念上比“单原子”(如水和金属离子)建模更简单。区分傅里叶图中的单峰和噪声,并根据原子类型解释它,是一项困难的任务,因为在典型的大分子分辨率下,傅里叶地图本身并不能传递识别噪声所需的信息化学元素类型。因此,大多数水构建工具都是有限的,只使用非常基本的信息,例如差异图峰高、密度形状(球形)以及相对于相邻峰或已放置原子的位置。非水单原子离子的识别可以使用更多的启发式方法,如首选化学环境和异常差分图中的特征峰(如果可用)。

含有多个原子的配体携带额外信息,这对于唯一且明确地识别和放置它们至关重要:形状。然而,缺陷的组合可能会显著改变配体密度的形状,并使其解释成为一项具有挑战性的任务。促成因素是(i)与晶体质量有关的病理学(各向异性,孪生 等。),(ii)衍射数据质量差异很大(分辨率、完整性、实验误差等。)以及(iii)配体的内在性质是柔性和动态的。因此,模型质量可能会有很大差异,根据§§[链接]3.3.1和[链接]3.3.2是必要的。

3.5. 结晶-封装组件

绝大多数蛋白质只有在高浓度沉淀剂混合物的存在下才能结晶,而沉淀剂混合物与高浓度冷冻保护剂的组分一起,可以提供意外配体的来源。因此,结晶鸡尾酒的成分通常是已知结合位点中可见电子密度的来源。偶尔,这些位点会形成特定的相互作用,并且意外配体的身份也会被清楚地揭示出来(Gokulan等。, 2005【Gokulan,K.,Khare,S.,Ronning,D.,Linthicum,S.D.,Sacchettini,J.C.&Rupp,B.(2005).生物化学,44,9889-9898.】). 如果意外的配体无序并出现在预测的靶结合位点或其附近,则可能很容易将感兴趣的配体以任意或甚至看似合理的姿势放置到这种无法解释的密度中(图10[链接]). 然后,可以通过引用配体以多种构象结合的可能性来解释拟合不良的原因。例如,在PDB条目中第3季度1/4i8e公司(皮伯恩等。, 2011【Pyburn,T.M.,Bensing,B.A.,Xiong,Y.Q.,Melancon,B.J.,Tomasiak,T.M,Ward,N.J.,Yankovskaya,V.,Oliver,K.M.,Cecchini,G.,Sulikowski,G.A.,Tyska,M.J.、Sullam,P.M.&Iverson,T.M.(2011),《公共科学图书馆·病理学》第7卷,第1002112页。】)一种双糖被定位在不同的密度中,可以很容易地确定其来源于HEPES分子(Muller,2013[Muller,Y.A.(2013),《水晶学报》F69,1071-1076。]). 在最近的分析中(波扎尔斯基等。, 2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】; 魏森伯格等。, 2013【Weichenberger,C.X.,Pozharski,E.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》F69,195-200。】)研究发现,有很大一部分有问题的配体属于被误解的结晶-环状组分。使用批判性分析和检查不清楚可解释电子密度的合理来源几乎总是可以防止对这种电子密度作为所需配体的有偏见的误解。

[图10]
图10
将配体放入母体-母体组分的密度中。在结构中蜡样芽孢杆菌几丁质酶(PDB进入3n1a号机组; 等。, 2010[谢义忠、吴义杰、蒋、T.-Y.、郭义勇、史瑞斯塔、K.L.、赵、C.-F.、黄义忠、川哈延、P.、Wu、W.、李、Y.-K.和陈义杰(2010).生物化学杂志.285、31603-31615.]),旋风-(L(左)-他的-L(左)-Pro)分子(CHQ-1514,链A类)被置于难以解释的低水平电子密度中()可以合理地解释为200米结晶鸡尾酒中的醋酸盐分子M(M)由Asp-143和建议的醋酸盐之间新形成的氢键支撑(b条). 青霉素结合蛋白4的结构金黄色葡萄球菌(PDB条目3000万; 纳夫拉特纳等。, 2010【Navratna,V.、Nadig,S.、Sood,V.,Prasad,K.、Arakere,G.和Gopal,B.(2010),《细菌学杂志》,192,134-144。】)氨苄西林(ZZ7-501,链)的苯基部分B类)放置在电子密度区域,根据不同密度分析,该区域可以更好地解释为硫酸盐离子(c(c)). 包含硫酸盐离子的重新定义模型如所示(d日). (e(电子))FMO蛋白第八结合位点的原始、过时和扭曲的细菌叶绿素模型褐鹈鹕(PDB条目3盎司); ((f))描述了已更正PDB条目的相同区域3伏直流电(Tronrud&Allen,2012)【Tronrud,D.E.&Allen,J.P.(2012),《Photosynth Res.112,71-74》。】)用更合理的PEG碎片和水分子建模。电子密度图(), (b条), (c(c))和(d日)分辨率为2.0º毫发o个 − DF公司c(c)OMIT差分图等高线为±3σ(绿色/红色)和2毫发o个数据流c(c) REFMAC公司 最大似然OMIT地图等高线为1σ(蓝色)。中显示的地图(e(电子))和((f))是正差密度OMIT百万英尺o个DF公司c(c)地图(3σ水平,蓝色)之后巴士-多伦多 精炼结构重建后菲尼克斯汽车不含任何配体。(), (b条), (c(c))和(d日)从波扎尔斯基修改而来等。(2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】); (e(电子))和((f))由美国俄勒冈州立大学生物化学和生物物理系Dale Tronrud提供。

4.溶剂成分及其处理工具总结

溶剂是几乎所有大分子的有机组成部分,也是复杂的组成部分晶体结构。在建模和精致。从基本观点来看,散装固体描述的改进在很大程度上是由方法开发推动的。散装固体精细化,除了溶剂模型选择之外,用户的选择相对较少,引入偏差或特定模型错误的机会也不多,但需要注意的是,次优掩蔽可能会引入密度伪影。不同溶剂电子密度的建模需要经过深思熟虑的解释,使用适当的工具进行(自动)构建和验证可以大大提高结构模型的质量。表2总结了溶剂处理、建模和验证的常见任务和当前工具[链接].

表2
散装固体处理、有序溶剂成分建模和验证的常见任务和当前工具摘要

任务 程序 参考
溶剂含量估算 MATTPROB公司 马修斯(1968)【Matthews,B.W.(1968),《分子生物学杂志》,第33期,第491-497页。】)、Kantardjieff和Rupp(2003年【Kantardjieff,K.A.和Rupp,B.(2003),《蛋白质科学》第12期,1865-1871年。】)、Weichenberger和Rupp(2014年【Weichenberger,C.X.和Rupp,B.(2014)。晶体学报D70,1579-1588。】)
马修斯系数 马修斯(1968)【Matthews,B.W.(1968),《分子生物学杂志》,第33期,第491-497页。】),温等。(2011[Winn,M.D.等人(2011),《晶体学报》,第67卷,第235-242页。])
相位器 麦考伊等。(2007【McCoy,A.J.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.,Winn,M.D.,Storoni,L.C.&Read,R.J.(2007),《应用结晶杂志》,第40期,第658-674页。】)
巴斯特 布里科涅等。(2010【Bricogne,G.、Blanc,E.、Brandl,M.、Flensburg,C.、Keller,P.、Paciorek,P.,Roversi,P.和Sharff,A.、Smart,O.、Vonrhein,C.和Womack,T.O.(2010)。BUSTER v.2.9。Global Phasing Ltd,英国剑桥。])
菲尼克斯 亚当斯等。(2010【Adams,P.D.等人(2010),《水晶学报》,D66,213-221。】)
溶剂掩蔽、密度调整 所罗门群岛 亚伯拉罕和莱斯利(1996)【Abrahams,J.P.和Leslie,A.G.W.(1996)。晶体学报D52,30-42。】)
自动共享 冯海因等。(2007【Vonrhein,C.、Blanc,E.、Roversi,P.和Bricogne,G.(2007),《分子生物学方法》364,215-253。】)
DM公司,DMMULTI公司 Kostrewa(1997年[Kostrewa,D.(1997)。CCP4新闻。蛋白质结晶器。34,9-22。])Cowtan(2010年【Cowtan,K.(2010),《水晶学报》,D66,470-478。】)
SHELXE公司 谢尔德里克(2010)[Sheldrick,G.M.(2010),《水晶学报》,D66479-485.])
菲尼克斯 亚当斯等。(2010[Adams,P.D.等人(2010),《晶体学报》D662113-221。])
水建筑、分拣 arp _水 佩拉基斯等。(1997【Perrakis,A.、Sixma,T.K.、Wilson,K.S.和Lamzin,V.S.(1997),《结晶学报》D53、448-455。】),优胜者等。(2011【Winn,M.D.等人(2011),《结晶学报》,D67,235-242。】)
WATNCS公司 优胜者等。(2011【Winn,M.D.等人(2011),《结晶学报》,D67,235-242。】)
WATERTIDY公司 优胜者等。(2011【Winn,M.D.等人(2011),《结晶学报》,D67,235-242。】)
SHELXWAT公司 谢尔德里克(2008)[Sheldrick,G.M.(2008),《水晶学报》,A64112-122。])
中枢神经系统 Brunger(2007年【Brunger,A.T.(2007),《自然协议》,第2期,2728-2733页。】)
库特 埃姆斯利等。(2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】)
菲尼克斯 亚当斯等。(2010【Adams,P.D.等人(2010),《水晶学报》,D66,213-221。】)
金属鉴定、验证 检查我的金属 等。(2014【Zheng,H.,Chordia,M.D.,Cooper,D.R.,Chruszcz,M.,Müller,P.,Sheldrick,G.M.&Minor,W.(2014),《自然协议》,第9卷,第156-170页。】)
菲尼克斯 Echols,Morshed公司等。(2014【Echols,N.、Morshed,N.,Afonine,P.V.、McCoy,A.J.、Miller,M.D.、Read,R.J.、Richardson,J.S.、Terwilliger,T.C.和Adams,P.D.(2014),《结晶学报》第70期,第1104-1114页。】)
异常差异图 Read&McCoy(2011年[Read,R.J.&McCoy,A.J.(2011),《水晶学报》,D67,338-344。]),穆勒-迪克曼等。(2007【穆勒-迪克曼,C.,潘基卡尔,S.,施密特,A.,穆勒,S.、库珀,J.、吉尔洛夫,A.、威尔曼斯,M.、辛格,R.K.、塔克,P.A.和维斯,M.S.(2007),《晶体学报》D63,366-380。】)
阳极 Thorn和Sheldrick(2011年【Thorn,A.和Sheldrick,G.M.(2011),《应用结晶》第44卷,第1285-1287页。】)
距离几何表 等。(2008[辛·K、盛·Y、哈丁·M·M、泰勒·P·和沃尔金肖·M·D(2008),《应用结晶学杂志》第41期,第963-968页。])、哈丁和辛(2014【Harding,M.M.&Hsin,K.-Y.(2014),《分子生物学方法》1091,333-342。】)
配体约束文件 PDB Ligand博览会 等。(2004【Feng,Z.,Chen,L.,Maddula,H.,Akcan,O.,Oughtred,R.,Berman,H.M.和Westbrook,J.(2004)。生物信息学,20,2153-2155。】)
PRODRG项目 Schüttelkopf和van Aalten(2004年【Schüttelkopf,A.W.和van Aalten,D.M.F.(2004),《水晶学报》,D60,1355-1363。】)
等级 聪明等。(2011[Smart,O.S.,Womack,T.O.,Flensburg,C.,Keller,P.,Paciorek,W.,Sharff,A.,Vonrhein,C.&Bricogne,G.(2011),《晶体学报》,A67,C134。])
J伊甘 列别杰夫等。(2012[Lebedev,A.A.,Young,P.,Isupov,M.N.,Moroz,O.V.,Vagin,A.A.&Murshudov,G.N.(2012),《结晶学报》D68,431-440。])
菲尼克斯 肘部 莫里亚蒂等。(2009[Moriarty,N.W.,Grosse Kunstleve,R.W.和Adams,P.D.(2009年)。晶体学报,D65,1074-1080。])
库特 Debreczeni和Emsley(2012年[Debreczeni,J.E..&Emsley,P.(2012),《水晶学报》,D68,425-430。])
莫卧儿 布鲁诺等。(2004[Bruno,I.J.,Cole,J.C.,Kessler,M.,Luo,J.,Motherwell,W.D.,Purkis,L.H.,Smith,B.R.,Taylor,R.,Cooper,R.I.,Harris,S.E.&Orpen,A.G.(2004).化学信息计算科学杂志.44,2133-2144.])
配体建筑 库特 埃姆斯利等。(2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】)
ARP协议/wARP配体 Carolan和Lamzin(2014年【Carolan,C.G.&Lamzin,V.S.(2014),《水晶学报》第70期,1844-1853页。】)
菲尼克斯 埃科尔斯,莫里亚蒂等。(2014【Echols,N.、Moriarty,N.W.、Klei,H.E.、Afonine,P.V.、Bunkóczi,G.、Headd,J.J.、McCoy,A.J.、Oeffner,R.D.、Read,R.J.,Terwilliger,T.C.和Adams,P.D.(2014),《结晶学报》第70期,第144-154页。】)
配体验证 EDS公司 克莱维特等。(2004【Kleywegt,G.J.,Harris,M.R.,Zou,J.,Taylor,T.C.,Wählby,A.&Jones,T.A.(2004),《结晶学报》,D60,2240-2249。】)
EDSTATS公司 痒(2012【Tickle,I.J.(2012),《水晶学报》,D68,454-467。】)
覆盖层 优胜者等。(2011【Winn,M.D.等人(2011),《结晶学报》,D67,235-242。】)
HIC-向上 Kleywegt(2007年【Kleywegt,G.J.(2007),《结晶学报》,D63,94-100。】)
价值URL Kleywegt&Harris(2007年【Kleywegt,G.J.和Harris,M.R.(2007),《晶体学报》,D63,935-938。】)
VHELIBS公司 塞雷托-马萨古埃等。(2013【Cereto-Massague,A.,Ojeda,M.J.,Joosten,R.P.,Valls,C.,Mulero,M.,Salvado,M.J,Arola-Arnal,A.,Arola,L.,Garcia-Vallvé,S.&Pujadas,G.(2013),《化学通报杂志》第5、36页。】)
暮光 魏森伯格等。(2013【Weichenberger,C.X.,Pozharski,E.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》F69,195-200。】)波扎尔斯基等。(2013【Pozharski,E.,Weichenberger,C.X.&Rupp,B.(2013),《结晶学报》D69,150-167。】)
LIGPLOT公司 拉斯科夫斯基和斯温德尔(2011[Laskowski,R.A.&Swindells,M.B.(2011),《化学信息模型杂志》,第51期,第2778-2786页。])
库特 埃姆斯利等。(2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】)Debreczeni和Emsley(2012年[Debreczeni,J.E..&Emsley,P.(2012),《水晶学报》,D68,425-430。])
巴斯特 聪明等。(2011[Smart,O.S.,Womack,T.O.,Flensburg,C.,Keller,P.,Paciorek,W.,Sharff,A.,Vonrhein,C.&Bricogne,G.(2011),《晶体学报》,A67,C134。])
偏微分方程Z轴分数,LLDF) 阅读等。(2011[Read,R.J.等人(2011),《结构》,第19期,第1395-1412页。]),https://wwpdb.org/ValidationPDF注释.html

支持信息


脚注

1请注意,晶体学家从不使用真正的电子密度图。我们构建和显示的地图只是真实电子密度的有限分辨率傅里叶图像(变换)。

2S公司2(小时) =小时t吨G公司*小时,其中G公司*是倒数空间度量张量小时t吨= (小时,k个,)是Miller索引列向量的转置小时.

鸣谢

BR感谢欧洲联盟根据FP7玛丽·居里人民行动拨款PIIF-GA-2011-300025(SAXCESS)提供的支持。PVA承认NIH(项目1P01 GM063210)、Phenix工业联盟和美国能源部根据合同DE-AC02-05CH11231提供的支持。与Dale Tronrud(美国俄勒冈州科瓦利斯市俄勒冈州立大学生物化学和生物物理系)和Dirk Kostrewa(德国慕尼黑LMU基因中心)进行了广泛的讨论,并提出了审查意见和建议,从而对手稿进行了重大改进。Dale Tronrud也善意地提供了图10(e(电子))和10((f)). Randy Read(英国剑桥CIMR)和Alexandre Urzhumtsev(法国斯特拉斯堡IGBMC)提供了各自计算机程序的实现细节。

工具书类

第一次引用Abrahams,J.P.和Leslie,A.G.W.(1996)。《水晶学报》。D类52, 30–42. 交叉参考 中国科学院 科学网 IUCr日记账 谷歌学者
第一次引用P.D.亚当斯。等。(2010).《水晶学报》。D类66, 213–221. 科学网 交叉参考 中国科学院 IUCr日记账 谷歌学者
第一次引用Adams,P.D.,Pannu,N.S.,Read,R.J.&Brünger,A.T.(1997)。程序。美国国家科学院。科学。美国,94, 5018–5023. 交叉参考 中国科学院 公共医学 科学网 谷歌学者
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第一次引用Harding,M.M.(2006)。《水晶学报》。D类62, 678–682. 科学网 交叉参考 中国科学院 IUCr日记账 谷歌学者
第一次引用Harding,M.M.&Hsin,K.-Y.(2014年)。方法分子生物学。 1091, 333–342. 交叉参考 中国科学院 公共医学 谷歌学者
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生物学
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