T4溶菌酶晶体分子堆积的研究

T4溶菌酶晶体分子堆积的研究 生物物理学报 第十六卷 二 ???年十二 第四期月ACTA BIO P HYS ICA S I NICA Vol . 16 No Dec . 2000. 4 溶菌报晶体分子堆报的研T4 究 徐兴 ,兴汝昌 摘要 : 以不兴兴位中只有一分子称个的 10 兴不同晶型的 T4 溶菌兴晶兴材体料 , 兴晶中体的 分子堆兴兴行了研究 。兴果表明 , 在溶兴含量兴高的晶型中 , 非性基兴在接面兴中所占的比极触例 略高 于溶兴含量兴低的晶型 , 而其性极和兴兴荷基兴在接面兴中所占的比例略低于溶兴含量触兴 低的晶型 。溶兴含量兴高的晶型多含有晶二重体学兴 , 二重兴相兴的分子兴的接其他接触与触相 比 , 含有兴少的性相互作极用 。兴些兴果兴明溶兴含量的高低可能是由不同兴晶兴境引起的不同分 ,,子兴的相互作用定决的 。另外 研异究兴一步兴兴了分子堆兴的非特性 即异触不存在特性的接 。研 究兴表明某些溶兴可及表面兴兴大的极性或兴兴荷的基兴分子堆兴兴兴重残要 , 常在不同的晶型 中接参与 触 。 : T4 ; ; ; ; 报报报 溶菌兴 溶兴含量 分子堆兴 溶兴可及表面兴 接面触兴 ( ) 中报分报号 : Q 文献报报报 :文章报报 : 1000 - 6737 100004 - 0673 - 617A07 X 射兴晶衍射是一兴兴定蛋白兴三兴兴的主要方法体构 。近些年的兴兴技兴的兴来展使得兴解析更加快速准构确 , 因此兴得高兴量的晶成兴解析蛋白兴三兴兴的限速步兴体构 。蛋 白兴分子在一定件下有兴律地堆兴形成晶条体 , 晶分子兴律性的堆兴方式直接影晶体内响体 兴例如不同兴型淀兴沉的兴量 。分子的堆兴受到淀兴的兴兴沉 、H 、度等多兴因素的影温响 , p 所形成的晶在堆兴的形式上有所差体异 , 兴兴差可能是由淀兴所兴兴的不同的成核兴程异沉 1 引起的。兴晶中分子堆兴兴律的究有助于兴兴提高晶衍射兴量的方法体研体 。此外 ,兴多兴 不同 1 ,2 晶型的蛋白兴晶分子堆兴的究表明体研,与叠蛋白兴折和蛋白兴兴兴等兴程中的特 性接不同异触 堆兴作用是一兴非特的相互作用异 。但是 ,参与体晶堆兴的各兴弱作用力同兴也是特性接的作用力参与异触 。因此 , 晶中的分子堆兴兴究特非特接的兴基兴 提体研异与异触构 3 供了充足的素材。 蛋白兴晶小分子晶的一重要不同在于前者含有大量溶兴分子体与体个 。溶兴含量一直被 兴兴与体晶的兴量有着密切的兴系 , 兴 T 4 溶菌兴的究兴兴晶的溶兴含量晶的研体与体衍射 分辨率之兴 4 具有兴好的兴性兴系 , 即溶兴含量越少 , 晶中分子堆兴得越兴密体 , 晶兴体量越 高 ;溶兴含量越高 ,晶中分子堆兴得越松散体 ,晶的分辨率也不高体 。本文以 10 兴不同晶型的 T 4 溶菌兴的晶兴体 , 考察了晶溶兴含量分子堆兴兴的兴律体与 , 兴兴晶溶兴含量的高 低可能体 是由不同的兴晶兴境引起的不同分子兴相互作用定的决 。 收稿日期 : 2000 - 05 - 12 :,,: 64888551.作者报介 徐兴 兴士究生研 兴兴 材料和方法1 1. 1 材料 4 溶菌兴能兴形成多兴分辨率兴高 , 晶型不同的蛋白兴晶兴兴体构 , 因而是究分子研堆兴 的理T 想材料 。晶的堆兴十分兴兴体 , 兴了兴化起兴 , 排除不兴兴位中分子兴相互作用的影 称响 ,特兴兴取了不兴兴位中兴含有称 1 个体构研分子的十兴不同晶型的溶菌兴晶兴兴行兴究 。兴 ( ) T 4 E. C . 3. 2. 1. 17B roo k ha ve n Pro t ei n Da 十兴不同晶型的 溶菌兴的原子坐兴都取自于6 7 7 7 7 4 7 Ba n k t a。其 PDB : 107L , 149L , 152L , 170L , 171L , 172L , 173L 代兴分兴兴 5,77 7 177L , 178L , 179L T 4 Ta ble . 1 ,7 十兴 溶菌兴晶的主要性兴列于体其中包括兴空兴。群 , 具有相同空兴群的晶型在晶胞上有明兴不同参数 。在基酸序列上兴十兴晶型的兴分子氨 兴兴在兴基酸基上有兴兴个氨残区 。 1. 2方法 所有水分子和其他小分子配有包含在分子堆兴的兴算中体没 。晶中的分子堆兴接 体触兴用 XPL O R 程序兴算 ,包括生成兴性相兴的相兴分子称 ,确定相兴分子兴兴兴 、兴兴 、和范 德兴接触 ,以及溶兴可及表面兴和接面兴的兴算触 。 () 当离相兴分子兴原子基兴的距小于 4 兴被兴兴基兴兴兴生接触 用极性或兴! 相互作。 兴荷的基兴相互接可形成兴兴或兴兴等性相互作用触极 , 其余接均兴范德兴接触触 。在兴算 中 ,兴定兴兴的接距小于触离 3. 5 ! ,兴兴的接距小于触离 4 ! 。 8 9 溶兴可及表面兴是根据 L ee 和 Ric ha r d 的算法通兴 XPL O R 3. 1 版兴算的 。溶兴分子 ( ) 探兴的半兴定兴径 1. 4 ! 。兴定分子的接面兴触 IA 按下式兴算 : IA = SA SA- SA SA0 c 兴其兴分子的溶兴可及表面兴个兴兴分子() 不考兴相兴分 子在晶 其中 , SA SA, SA SA体中的0 c () 溶兴可及表面兴 考兴相兴分子。10 ( ) 兴的比兴和兴示采用构 TU RBO - F RODO A FMB , Ma r seille , Fra nce S 程序在 GI 工作站上完成 。 2 报果与报报 2. 1 溶报含量与晶体堆报 Ta ble . 2 列出 T 4 溶菌兴各晶型中一不兴兴位中的溶菌兴分子的溶兴可及表面个个称兴 和接触面兴 。在溶菌兴的十兴晶型中 ,相兴分子的目 数从2 个到 11 个不等 ,与与触空兴群无兴且 接面 2 2 兴无兴 。兴溶菌兴分子的溶兴可及表面兴个从 8177 ! 至 9081 ! , 在十兴晶型中 , 各兴 基兴形成的溶 () 兴可及表面兴的比例基本一致 , 差小异很 。其中非性基兴极 全部原碳子形成 的溶液可及表 () 面兴占 64. 2 % ,极性基兴 不兴兴荷的非原碳子形成的溶兴可及表面兴占 20 ? () 1 % , 兴兴荷基兴 兴兴荷的非原碳子形成的溶液可及表面兴占 16 ?1 % 。而且溶菌兴分子含 有 11 30 多部包埋基个内残 , 兴些基的溶兴可及表面兴小于其最大可能的溶兴可及表面兴残 的 5 % ,几体参与触乎在所有十兴晶中都不接 。比兴十兴晶型不兴兴位中溶菌兴分子主兴 原子位置的均称碳 ( ) 方根偏差 r . m . s . d大部分在 1. 0 ! 左右 。上述兴果可以看出不兴兴位中溶菌 兴分子的称构 象在不同的晶型中比兴相似 , 因此分子堆兴的差可能不是由于溶菌兴分子自身异 构象兴生兴大兴化引起的 。 T4 溶菌兴晶分子堆兴的体研究675第 4 期 Ta bl e Cr st al fo r m s T4 ha e l sozyp gy y 1ofmeCr al fo r st152L172L173L171L149L107L177L170L179l178LymsPreciit a ntP E GSaltP E GP E GP E GSaltSaltSaltSaltSaltp P H8. 56. 77. 16. 86. 86. 98. 66. 96. 78. 6 Sp ace gro up 21 21 2P 21 21 2P 65P 21 21 2P 21 21 2P 32 21P 42 22P 41 21 2P 42 22P 421 2P ( 2. 01. 91. 72. 52. 61. 82. 22. 62. 72. 7Re sol ut io n ! )U nit cell di me n sio n s)( a ! 63. 2032. 2075. 1029. 3094. 2061. 0072. 6053. 6080. 00118. 90 b51. 0050. 4075. 10129. 3035. 8061. 0072. 6053. 6080. 00118. 90 c48. 2097. 1054. 7048. 9056. 6097. 2082. 20165. 2082. 3039. 00 Sol ve nt co nt e nt 42 %43 %50 %52 %53 %58 %59 %62 %66 %68 %* * Sol ve nt co nt e i s co mut e d subro ra mat t hew s-coef i n CC P p p gnt4bmy() 十兴 T 4 40 % - 70 % Ta ble . 1,兴从溶菌兴晶的溶兴含量体从兴兴兴分子的接面个触2 2 767 ! 到 2928 ! ,占其溶兴可及表面兴的 9,33 % 。溶兴含量分子兴接的目具有近似的与触数 () 兴性兴系 , 即溶兴含量越高 , 其接目越少触数 如兴 1A 所示。而且接面兴分子兴接的 触与触数 () 目也具有一定兴性兴系 ,即触数分子兴接的目越多 ,其接面兴越大触 如兴 1B 所示。 在溶兴含量兴低的晶型中 , 如 152L 、172L 、173L 、149L , 非性基兴的接面极触兴兴占分子 兴接面兴的触 55 %左右 ,极性或兴兴荷的基兴所占的比例兴兴 45 % 。而在溶兴含量兴高的晶型中 , 如 177L 、179L 、178L , 非性基兴的接面兴占到兴接面兴极触触 63 %以上 , 而性或极兴兴 荷基兴接面兴的比例有所下降触 。由此可兴 , 尽个管兴溶菌兴分子各兴兴型基兴形成的溶兴 可及表面兴在不同晶型中具有相似的比例 , 但是不同晶型中各兴基兴接的比例不一 致参与触并 ,在溶兴含量兴高的晶型中 ,非性基兴更多地接极参与触 ,而在溶兴含量低的晶型中 ,极性和 兴兴荷基兴更多地接参与触 。 1803500AB 140 2500 100 150060 2050060100140180204045 5055606570N u mbe r of co nt act Sol ve nt co nt e sntco nt act s , i ncl udi n hdro bo n ds , sal bri d e s , a n Fi. 1g y gg A : The n u m be r ofte ndgva n de rWaal s co nt act s , i s lo t t e d a t he sol ve nt co nt e nt .B : Int e rf ace a p reaai n stg( t he ro t ei surf ace t hat i s burie d i n co nt act s bet wee n t l sozmet he a rea p yy woofnmolec ule i s lo t t e d a ai t he n u m be r of co nt act p g)s .sn st Ta bl e Pola ri t y of t he p ro t ei n surf ace burie d i n p ac ki n g co 2nt act s Cr st al fo r 152L172L173L171L149L107L177L170L179L178Lyms2 8330875383498155846883148117846590818105) ( Acce ssi ble surf ace ! # 2 233329281941199510662261189976712741865) ( Int e rf ace a rea ! + % of acce ssi ble2833232412272391423 2 ) ( No n - r ! 1290165710831278595131812213928131271olap 2 *658695405324311590441198274361( ) Pola r ! 2 ) ( Cha r d ! 385576453393160353237177187233eg* % no n - ola r acce ssi 64626366636565646563pble % no n - ola r i nt e rf 55565564555864516368pace % r acce ssi ola21202019211920202021pble % ola r i nt e rf 29252217302724262320pace % c ha r e d acce ssi 15181715161615161516gble % c ha r e d i nt e rf 16192319151512231412gace In si de re si due 38343231323233323235s #Acce ssi ble surf ace a rea a n i solat e d l sozmolec uleyy ofmeA rea of t he surf burie d i n t he ac ki n co nt act s of a l molec ule+p g y acesozmey Allro us co nt ai ni n ca r bo n a re co u nt e d a s no n - het e ro - ca r bo n ato *g p g m sola r , allpa s ola r o r c ha r pe dg 从触接的兴型上看 , 在溶兴含量兴高的晶1800型中 ,如 178L , 179L , 177L , 107L 等 ,兴接触 1200面兴的 50 %以上的接是二重兴相兴分子触兴 的 接 触 , 而 溶 兴 含 量 兴 低 的 晶 型 , 如 800152L , 172L , 173L , 149L 和 171L 等 , 分子堆兴中基 400Int erf ace a rea s i n no r mal co nt act s本不含有二重兴相兴分子兴的接或其二重触兴Int erf ace a rea s i n co nt act s bet 0ween(相兴分子兴的接只占兴接面兴小的部触触很分 小02 468 10 12 14 16 18 N u mbe r of ola r co nt p) 于 30 %。二重兴相兴分子兴的接是由二 重兴触兴act sThe n u m be r h dro e bo n ds a n Fi. 2ygg 称操作兴生 , 接的分子分兴提触两个供 相同的ofdnsal tbri de si n diff e re nt co nt t e i sgyp 氨残参与触基酸基相互接 , 因此兴兴接 触 形 actsp lo t t e d a gai n st t he co r re spo n di ng i nt 式 兴 存 在 于 含 有 二 重 兴 的 晶 型 中 , e rf ace如a rea fo r diff e re nt i nt e r molec ula r co nt T4 溶菌兴晶分子堆兴的体研究677第 4 期 兴然具有二重兴二重兴相兴分子兴却有兴生接没触所示在非二重兴相兴分子170L ,Fi , 。. 2 g 2 兴的接中触 , 平均每 80 ! 的接面兴中就含有一兴兴或兴兴触个 ; 而在二重兴相兴分子兴的接 中触 , 2 极性兴出兴兴少 ,平均每 250 ! 的接面兴才出兴一兴性兴触极 。 ,以上兴果兴明溶兴含量的高低可能是由于不同的分子堆兴模式造成的 。兴兴得一提的是 在溶兴含量兴高的晶型中所采用的淀兴均兴无机兴兴沉 , 因此分子兴向于形成非性表面的 接极触 ,将极来分子的非性表面包埋起 ,兴定分子堆兴 ;而溶兴含量兴低的晶型所采用的淀兴沉 ,除了 172L P E G ,, 成兴无机兴兴外其余均兴分子兴向性或兴兴荷的表面域包埋起将极区来形兴定的兴兴 、兴兴等相互作用 。 2. 2 分子堆报的非特异 性 特的接是指接的基在各不同的晶型中一一兴兴异触参与触两个残个 ,保守存在 。在溶菌兴 的十兴晶型中有特的接存在没异触 ,即数触大多接在不同的晶型中兴兴出兴一次 。但是 ,具有 , , 149L 152L ,相同空兴群 存在重兴出兴的接触 如 并参数且晶胞相差不大的晶型兴例和兴177L 和 179L 兴分兴有 5 兴和 10 兴基在接中重兴出兴残触 ;个属兴不于相同空兴群的晶型也 有重兴出兴的基兴残 ,例如 107L 和 177L , 107L 和 179L , 149L 和 170L 兴各有 8 兴 、3 兴和6 。兴重兴出兴的基残 一些蛋白兴在其与他配分子形成兴合物后才能兴兴其重要的生物功体学能 。J a ni n 和 12 ,13 Cho t hia 兴十抗原数个 - 抗体 ,蛋白兴 - 抑制兴的兴合物兴兴部位的兴一接兴行的触研究 兴兴 , 分子之兴特的接依兴于在兴合中分子之兴形或基化性兴的互兴异触体状残学 。典型的 抗原 - 抗体 2 , 蛋白兴 - 抑制兴的兴合物接部位的包埋面兴兴触 1500 ?250 ! , 含有 10 ?3 兴兴 兴 。在寡聚蛋白14 2 中,兴基兴的接更兴泛触广 ,最大可能形成 10000 ! 接面兴触 。 3 而 J a ni n 和 Ro die r 在分析了不兴兴位中只有一分子的称个 152 个不同晶型的蛋白兴晶 2 体内分子堆兴后兴兴 , 在堆兴接中一兴分子兴的接面兴一般兴兴触触 200 - 1200 ! , 小于抗原- 抗体 ,蛋白兴 - 抑制兴的兴合物兴一性接部位的包埋面兴触 ,与异触兴算机模兴的溶液中非特 接 2 形成的接面兴相似触 。在 T 4 溶菌兴晶一兴分子兴的最大接面兴兴兴体内触 730 ! ,也明 兴小于特 触 , 表明分子兴的接可能机地兴生在蛋白兴触随10A r g 137分子表面的任何部位 。兴似的兴果在 6 兴不同晶 8 r 136SeL s135y( ) 型的核糖核酸兴 A ri bo n uclea se A 晶和体 9 61 () 兴 不同晶型的角兴兴 c ut i na se 晶中也有兴体道 4,2。以上兴果肯定了 J a ni n 和 Ro die r 兴兴晶体内A r g 3 280分子堆兴基本上是非特的兴异点。 0兴然在溶菌兴的分子堆兴中有兴兴有特 保守没异0 40801201602002 的接触 , 但是溶菌兴分子中的一些基酸 基和氨残( )Re si due acce ssi bilit ! y 基兴在各兴晶型中都了分子兴的接参与触 。 在不同Fi. 3The n u m be r of t i me s a re si due g i s的晶型中 , 兴些基分兴不同的基形残与残i nvol ve d i co nt act s i p ac ki n p lo t t e nsgda ai n stacce ssi bili t i t si n t he i solat e g可兴氨残基酸基的溶兴可及成接触 。从 Fi . 3 ,g dyl sozmolec ule .Re si due s me nt io y y 表 面兴其在不同晶型中出兴的次成与数正比 , 例ne dmei n t he t e xt a re la bele 如等 A r 137 ,L s135 兴些基酸基具有兴大氨残g y d . 10 兴晶型的堆兴中都接参与触 。但是兴兴兴性兴系不并强 ,有的氨的溶兴可及表面兴乎在 几 基酸有大的溶兴可及表面兴并没很 , 却也能多次在不同晶型的接兴出兴触 , 例如 Se r 136 ; 有的 例如。氨残数基酸基兴然有兴大的溶兴可及表面兴但是兴在少晶型中出兴 ,A r 80 g 兴些接的重要基酸多以性或兴兴荷的基兴参与触氨极残主 , 兴而且其溶兴可及表面兴大 。兴也兴明了晶分子堆兴的非特性体内异 , 因兴溶兴可及表面兴越大的基其兴生接的 可能残触 性越高 , 在不同晶型分子兴接中出兴的次越多触数 。性或兴兴荷的基在分子堆兴中极残 可以形成兴兴 、兴兴等兴强的相互作用 , , , 4 T菌兴中 Ar137更易兴定所形成的接触例如溶g 在 9 兴晶型中都分子兴的接参与触 ,而且在其所的不同接中都至少有一兴兴存在参与触个 。多 个极残性或兴兴荷的基聚集在一起兴 , 兴些基接的可能性大大提高残参与触会 。兴然 Se r 136 与之相兴的的溶兴可及表面兴都非常大兴三的溶兴可及面兴不大 , A r 137 , L s135 , 个残基 在g y 提高了其接的可能性参与触兴然具有兴大分子表面形成一片兴大的性域极区 。而 , A r 80 g 的溶液可及表面兴 , ,但是其周兴有其性兴相似的表面基没与残故此其接的可能性就不参与触 是大很 。在以不同晶型的角兴兴晶兴材料究分子堆兴兴体研 ,J el sc h 和 Ca mbilla u 等人也兴兴 高 2 度性的分子表面域形成接的可能性兴极区触大。 蛋白兴晶中的分子堆兴是一所十分兴兴的兴兴体个 , 其存在方式一方面取于包括分子 形决状在的蛋白兴分子兴本身的性兴内构 ,特兴是其表面兴的特构点 ;另与条一方面也兴晶件密切相兴 。蛋白兴晶溶兴含量是分子堆兴的一重要特体个征 ,直接影着晶的衍射兴量响体 。兴有 兴兴兴的深入分析能兴深化兴分子堆兴兴律性的兴兴 , 兴而兴拓改兴蛋白兴晶兴量的体途 径 。基于不同晶型的 T 4 溶菌兴晶的据体数 ,本文首次兴兴蛋白兴晶溶兴含量兴行了兴系兴 的究体研 ,其初步兴果包含的思想可能用于兴兴改兴蛋白兴晶兴量体 ,例如通兴兴化蛋白兴兴 表面构状况来疏水原子集兴分布改兴晶的溶兴含量体 。然而 , 更重要的是兴兴把兴似究兴大研 ,到其蛋白兴的晶它体 。以兴和确深化兴律性兴兴 :参考文献 1 Cro sio M P , J a ni n J , J ullie n C r s t al ack i n i n si x c rs t al o r m s oa nc reat i c ri bo n yp g yf f p M .uclease J .( ) J M ol B i ol , 1992 ,228 1: 243 - 51.hi S , Ca mbilla u C c2 J el sc h C , Lo Pack i n o rces i n n i ne c rs t al o r m s u t i n ase J . 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MOL EC UL A R PAC KI NG STUDY OF D IFFERE NT C RYSTALFO RMS O FT4 LYSO ZY M EXUXi n B IRu - c ha n g ,g( 100101 , C h i n S cie nces ,B ei i n I ns t i t u t e oB i oh s i cs , C h i nese A ca de j f p y)ag omy fwiTAbstra ct : T he molec ula t h 10 diff e re 4ac ki n wa s a nal c r st al fo r m s g p y rnt dofzeyl sozme o nl ro t ei a s m met w he re t he re i o nemolec ule i n a u ni t . ro2yy yp y p Thesn,nriccof no n -a to m s i nvol ve d i n all i nt e rf ace a rea s i n fo r m s wi t o r t io ola r r st ppy t hehalnfo r ms wi t h lo we r sol ve nt co la r e c r st sol ve nt co nt e nt t ha n t ha t i n t gy i shehi he rraln2g roo r t io nola rc ha r e t e nt ; t ofo ra to ms i nvol ve d i n all i nt e rf ace a rea s i n p ppg het hedhicfo r m s wi t sol ve nt co nt e nt i s le ss t ha n t ha t i n fo r m s wi t c r st he r st y g y ht hehalalrc r st hi he lo we r sol ve nt co nt e nt . fo r ms wi t sol ve nt co nt e nt co nt ai n 2 - yg Mo sthfol dalrcfo r m s wi t h lo we r sol ve nt co nt e nt . a xe s , w hic h a re ra re i n t sm met r r st y y heCo m2alya re to o t he r co nt act s , co nt act s bet wee n 2 - fol d a xi s - rela t e d molec ule s co nt p ai n le ssdii nt e ract io n s . 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