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Vergleich sphärischer und asphärischer Elektronendichtemodelle zur Verfeinerung von Makromolekülen

Kalinowski, Roman - Freie Universität Berlin (2010)


In dieser Arbeit wurden erstmalig drei Proteine nach Transfer theoretisch abgeleiteter Invariom-Multipolpopulationen asphärisch verfeinert: Zwei im Rahmen dieser Studie bestimmte Strukturen rhomboedrischen Insulins und tetragonalen Lysozyms sowie triklines Lysozym. Dies wurde durch analoge Untersuchungen an dem Oktadekapeptid Trichotoxin und dem Tripeptid L-Alanyl-L-Prolyl-L-Alanin ergänzt. Die Veränderungen gegenüber einem sphärischen Streumodell wurden ausführlich anhand struktureller und elektronischer Eigenschaften analysiert.

Obwohl bezüglich Auflösung und Gütefaktoren überdurchschnittlich gute Proteinstrukturen untersucht wurden, resultierten nur geringe Verbesserungen durch die asphärische Verfeinerung: Die relative Abnahme der Gütefaktoren lag bei höchstens 1,5 %, das Mittel der Verschiebungsparameter sank um etwa 1 %, das der DMSDA-Werte um maximal 15 %. Aus der asphärischen Verfeinerung des Oktadekapeptids folgten eine deutlichere relative Abnahme des Gütefaktors um 4,4 % und um 5 % bzw. 20 % verringerte mittlere Verschiebungsparameter und DMSDA-Werte. Damit kontrastieren die wesentlich stärkeren Verbesserungen des Tripeptids bei hoher und niedriger Auflösung, hier nahmen Gütefaktoren und Restdichten um 25 % bis 50 % ab, der mittlere Verschiebungsparameter um bis zu 10 % und das DMSDA-Mittel um 30 %.

Allen Proteinen sind recht hohe, diffus über das Molekül und insbesondere den Solvensbereich verteilte Restdichten gemein. Dem stehen nur geringe Akkumulationen auf 37-65 % der Bindungen gegenüber, weshalb der Einfluß des atomzentrierten asphärischen Modells beschränkt blieb.

Die Geometrieänderungen bspw. der Peptidgruppe um 0,001-0,010 Å folgten zwar einem allgemeinen Trend verkürzter C-O- und Cα-N-Bindungslängen sowie verlängerter Cα-C- und C-N-Bindungen, lagen für die Proteine aber innerhalb der Koordinatenunsicherheit.

Für jede Struktur wurde das elektrostatische Potential aus den Multipolen abgeleitet. Der Vergleich mit einem Punktladungspotential zeigte nur für die beiden Lysozymstrukturen deutliche Unterschiede. Ob einer der beiden Beschreibungen der Vorzug zu geben ist, bedarf weiterer Untersuchungen. Ebenso bleibt zu klären, inwieweit eine eventuelle Anpassung der Invariome an die generell niedrigen Bindungsrestdichten und die Geometrieverzerrungen von Proteinen eine verbesserte Modellierung ermöglicht.

Es wurden funktionale Zusammenhänge zwischen dem Effekt des asphärischen Modells und sphärischen Ausgangsparametern untersucht. Um relevante Verbesserungen zu erzielen, sollte nach sphärischer Verfeinerung unter anderem der Temperaturfaktormedian Ueq ≈ 32*10-3 Å2 (Beq ≈ 2,5 Å2) nicht überschreiten sowie das Produkt aus prozentualem R1-Wert und Auflösung unter 3 liegen.

Mittels dieser Abhängigkeiten lassen sich auch die Ergebnisse der Studien zu Crambin und Aldosereduktase prognostizieren, welche dieser Arbeit ähnliche Resultate ergaben.

Im Lichte dieser Studie und der Literaturbeispiele kann die aufwendigere asphärische Verfeinerung von Proteinstrukturen nicht empfohlen werden, solange keine wesentlich höherwertigen Daten gewonnen werden können. Davon unberührt bleibt der Ansatz, transferierbare asphärische Dichten zur Ableitung elektrostatischer Eigenschaften einzusetzen.


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