Структурная биоинформатика Лекция 1, первая часть Электронная плотность Кристаллы С.А.Спирин 1 октября 2013. - презентация

1 Структурная биоинформатика Лекция 1, первая часть Электронная плотность Кристаллы С.А.Спирин 1 октября 2013

2 Рентгеноструктурный анализ – основной метод получения структур биологических макромолекул Exp.Method Proteins Nucleic Acids Protein/NA Complexes Other Total Exp.Method Proteins Nucleic Acids Protein/NA Complexes Other Total X-RAY NMR ELECTRON MICROSCOPY HYBRID other Total Статистика PDB на вторник 24 сентября 2013 Бо́льшая часть структур получена с помощью X-ray, то есть рентгеноструктурного анализа. Это – вводная лекция к мини-курсу по РСА.

3 Электронная плотность Введем систему координат, связанную с молекулой. Пусть r = (x,y,z) – точка с координатами x,y,z Электронная плотность ρ(r)= ρ(x,y,z) в точке r – это среднее по времени число электронов в маленьком кубике вокруг r, делённое на объём кубика Интуитивно, маленький значит такой, что внутри него плотность электронов примерно одинакова. Скажем, сторона кубика одна сотая ангстрема. Точное определение: Электронная плотность функция от точки трёхмерного пространства, принимающая положительные действительные значения ρ (r)=lim a 0 [ число электронов в кубике со стороной a ] / [ объём кубика ]. Дан образец, например, одна молекула белка

4 Электрон Электрон в молекулах «размазан» по некоторой области пространства Атом не такой… … а скорее такой. Только ядро намного меньше. Если ван-дер-ваальсову сферу атома углерода увеличить до размеров дома, то ядро будет с булавочную головку

5 Атом гелия Рисунок из Википедии,

6 Электронная плотность это функция на пространстве со значениями в положительных действительных числах Единица измерения электронной плотности: заряд на кубический ангстрем Результатом рентгеноструктурного эксперимента является электронная плотность («рентген не видит ядер») Имея координаты центров атомов, можно приближённо рассчитать электронную плотность молекулы. Координаты, приведённые в PDB-файле, получаются вписыванием структурных формул молекул в экспериментальную электронную плотность (это не совсем так: за этим следует стадия «оптимизации модели»). Сейчас большинство авторов структур выкладывает в общий доступ не только модель, но и электронную плотность. Сравнивая их, можно оценить качество отдельных частей модели. Чтобы «увидеть» электронную плотность, используют визуализацию поверхностей уровня. Что нужно знать про электронную плотность

7 Электронная плотность одного атома Если провести прямую через центр атома, то электронная плотность вдоль этой прямой будет выглядеть примерно так. Основные свойства: 1)максимум плотности в центре атома; Как же так? Ведь в центре ядро! 2)с хорошей точностью значение плотности зависит только от расстояния до центра. А если атом ковалентно связан с другим?

8 Электронная плотность молекулы Электронная плотность каждого атома приближается сферически симметричной функцией. Для каждого химического элемента эмпирически подобрана функция из 10-параметрического семейства. Электронная плотность молекулы получается как сумма электронных плотностей атомов.

9 Визуализация электронной плотности Зададим число (одно из значений, которые принимает электронная плотность), например 1 e/Å 3 Точки, в которых плотность принимает данное значение, образуют поверхность уровня Поверхность можно визуализировать одним из многих способов (например, покрыв её точками)

10 Визуализация электронной плотности Подрезка 0,5Подрезка 1,5

11 Кристалл Кристаллы гипса (CaSO 4 ·2H 2 O) Кристаллы белков

12

13

14 Кристалл регулярная структура

15 Векторы сдвига кристалла

16 Электронная плотность кристалла Имеются три некомпланарных вектора a, b, c Электронная плотность кристалла обладает свойством не меняться при сдвиге на любой из этих векторов: здесь r = ( x, y, z ) точка внутри кристалла

17 Кристаллографическая ячейка b a По содержимому кристаллографической ячейки восстанавливается весь кристалл

18 Элементарная ячейка В кристалле всегда можно выделить ячейку в форме параллелепипеда такую, что вся конфигурация атомов может быть восстановлена из атомов ячейки применением сдвигов. Минимальная такая ячейка называется элементарной ячейкой. Элементарная ячейка не является физическим объектом. Более того, она может быть выбрана разными способами. Молекула не всегда лежит в выбранной элементарной ячейке целиком.

19 Параметры элементарной ячейки Векторы a, b, c называются направляющими векторами ячейки. Параметрами элементарной ячейки считаются длины направляющих векторов и углы между ними. CRYST P Длины в Å Поле в PDB: Углы Число молекул в ячейке

20 Симметрии кристалла Каждый из этих узоров не изменится при повороте на 90 вокруг центра Определение. Движение пространства такое, что образ конфигурации совпадает с ней самой, называется симметрией этой конфигурации Векторы a, b, c задают сдвиги, являющиеся симметриями. Кристалл может иметь также вращательные симметрии.

21 Симметрии кристалла В общем случае симметрия (как и любое движение пространства) задаётся вращением вокруг начала координат и сдвигом. Вращение задаётся ортогональной матрицей порядка 3 (9 чисел, связанных 6 условиями). Сдвиг задаётся вектором (3 числа). Есть (к сожалению) два естественных способа разложить движение на вращение и сдвиг

22 REMARK 290 REMARK 290 CRYSTALLOGRAPHIC SYMMETRY TRANSFORMATIONS REMARK 290 THE FOLLOWING TRANSFORMATIONS OPERATE ON THE ATOM/HETATM REMARK 290 RECORDS IN THIS ENTRY TO PRODUCE CRYSTALLOGRAPHICALLY REMARK 290 RELATED MOLECULES. REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 SMTRY REMARK 290 REMARK 290 REMARK: NULL

23 Кристаллографическая группа Полный набор симметрий кристаллической конфигурации называется кристаллографической группой Существует всего 65 разных кристаллографических групп Для всех групп есть специальные обозначения, например P CRYST P Поле в PDB: