Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Белоктардың ядролық магниттік-резонанстық спектроскопиясы (көбінесе protein NMR деп қысқартылады) – бұл құрылымдық биология саласы, онда NMR спектроскопиясы белоктардың, нуклеин қышқылдарының және олардың кешендерінің құрылымы мен динамикасы туралы ақпарат алу үшін қолданылады. Бұл салаға Ричард Р. Эрнст пен Курт Вютрих (ETH), Ад Бакс, Мариус Клоре, Анжела Гроненборн (NIH) және Герхард Вагнер (Гарвард университеті) және тағы басқалар үлес қосты. NMR спектроскопиясы арқылы құрылымды анықтау әдетте бірнеше кезеңнен тұрады, әрқайсысы арнайы техникалар жиынтығын қолданады. Үлгі дайындалады, өлшемдер жасалады, интерпретациялық тәсілдер қолданылады, құрылым есептеліп, тексеріледі. NMR атомның орталық ядросының кванттық-механикалық қасиеттерін пайдаланады. Бұл қасиеттер жергілікті молекулалық ортаға байланысты, ал олардың өлшеулері атомдардың химиялық байланысын, кеңістіктегі жақын орналасуын және бір-біріне қатысты қозғалыс жылдамдығын көрсететін картаны ұсынады. Бұл қасиеттер негізінен магниттік-резонанстық томографияда (МРТ) қолданылатын қасиеттермен бірдей, бірақ молекулалық қолданыстар миллиметрлік (радиологтарға қызығушылық тудыратын) масштабтан нанометрлікке (байланысқан атомдар әдетте нанометрдің бір бөлігімен ғана алыс) дейін масштабтың өзгеруіне сәйкес келетін сәл өзгеше тәсілді қолданады – бұл миллион еселік айырмашылықты құрайды. Бұл масштабтың өзгеруі ұзақ мерзімді өлшемдер үшін жоғары сезімталдық пен тұрақтылықты талап етеді. МРТ-дан айырмашылығы, құрылымдық биология зерттеулері тікелей бейне жасамайды, үш өлшемді молекулалық модельдерді құру үшін күрделі компьютерлік есептеулерге сенеді. Қазіргі уақытта көптеген үлгілер судағы ерітіндіде зерттеледі, бірақ қатты үлгілермен жұмыс істеу әдістері де әзірленуде. Деректерді жинау үшін үлгі қуатты магнитке орналастырылады, үлгі арқылы радиожиілік сигналдар жіберіледі және осы сигналдардың сіңірілуі өлшенеді. Белоктің атомдарының ортасына байланысты, жеке атомдардың ядролары радиосигналдардың әртүрлі жиіліктерін сіңіреді. Сонымен қатар, әртүрлі ядролардың сіңіру сигналдары жақын орналасқан ядролардың әсерінен өзгеруі мүмкін. Бұл ақпарат ядролар арасындағы қашықтықты анықтау үшін қолданылады. Бұл қашықтықтар белгінің жалпы құрылымын анықтау үшін пайдаланылады. Типик зерттеу екі белгінің бір-бірімен қалай өзара әрекеттесетінін, мүмкін, өзара әрекеттесудің қалыпты биологиясын зерттеу үшін ("химиялық биология") немесе фармацевтикалық қолдануға болатын шағын молекулаларды әзірлеу үшін қарастыруы мүмкін (дәрмектерді әзірлеу). Көбінесе өзара әрекеттесетін белгілер жұбы адам генетикасының зерттеулері арқылы анықталады, бұл өзара әрекеттесудің зиянды мутациялармен бұзылуы мүмкін екенін көрсетеді, немесе олар жеміс шыбығы, ашытқы, C. elegans құрты немесе егеуқұйрық сияқты "модельдік" организмнің қалыпты биологиясында маңызды рөл атқарады. Үлгіні дайындау үшін молекулалық биология әдістері бактериялық ферментация арқылы мөлшерді жасау үшін қолданылады. Бұл молекуланың изотоптық құрамын өзгертуге мүмкіндік береді, себебі изотоптар әртүрлі түрде әрекет етеді және бір-біріне қатысты NMR сигналдарын анықтауға көмектеседі.
Nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins (usually abbreviated protein NMR) is a field of structural biology in which NMR spectroscopy is used to obtain information about the structure and dynamics of proteins, and also nucleic acids, and their complexes. The field was pioneered by Richard R. Ernst and Kurt Wüthrich at the ETH, and by Ad Bax, Marius Clore, Angela Gronenborn at the NIH, and Gerhard Wagner at Harvard University, among others. Structure determination by NMR spectroscopy usually consists of several phases, each using a separate set of highly specialized techniques. The sample is prepared, measurements are made, interpretive approaches are applied, and a structure is calculated and validated. NMR involves the quantum mechanical properties of the central core ("nucleus") of the atom. These properties depend on the local molecular environment, and their measurement provides a map of how the atoms are linked chemically, how close they are in space, and how rapidly they move with respect to each other. These properties are fundamentally the same as those used in the more familiar magnetic resonance imaging (MRI), but the molecular applications use a somewhat different approach, appropriate to the change of scale from millimeters (of interest to radiologists) to nanometers (bonded atoms are typically a fraction of a nanometer apart), a factor of a million. This change of scale requires much higher sensitivity of detection and stability for long term measurement. In contrast to MRI, structural biology studies do not directly generate an image, but rely on complex computer calculations to generate three dimensional molecular models. Currently most samples are examined in a solution in water, but methods are being developed to also work with solid samples. Data collection relies on placing the sample inside a powerful magnet, sending radio frequency signals through the sample, and measuring the absorption of those signals. Depending on the environment of atoms within the protein, the nuclei of individual atoms will absorb different frequencies of radio signals. Furthermore, the absorption signals of different nuclei may be perturbed by adjacent nuclei. This information can be used to determine the distance between nuclei. These distances in turn can be used to determine the overall structure of the protein. A typical study might involve how two proteins interact with each other, possibly with a view to developing small molecules that can be used to probe the normal biology of the interaction ("chemical biology") or to provide possible leads for pharmaceutical use (drug development). Frequently, the interacting pair of proteins may have been identified by studies of human genetics, indicating the interaction can be disrupted by unfavorable mutations, or they may play a key role in the normal biology of a "model" organism like the fruit fly, yeast, the worm C. elegans, or mice. To prepare a sample, methods of molecular biology are typically used to make quantities by bacterial fermentation. This also permits changing the isotopic composition of the molecule, which is desirable because the isotopes behave differently and provide methods for identifying overlapping NMR signals.
Үлгілерді дайындау
Белоктың ядролық магниттік резонансы жоғары тазартылған белоктың сулы үлгілерінде жүргізіледі. Әдетте, үлгі 300-600 микролитр көлемде болады, ал белок концентрациясы 0,1–3 миллимоляр аралығында құрайды. Белок көзі табиғи немесе генетикалық инженерия арқылы рекомбинантты ДНҚ технологияларын қолдана отырып, өндіріс жүйесінде алынуы мүмкін. Рекомбинантты түрде өндірілген белоктарды жеткілікті мөлшерде өндіру әдетте оңай, сондай-ақ бұл әдіс изотоптық белгілеуге мүмкіндік береді. Тазартылған белок әдетте буферлік ерітіндіде ерітіліп, қажетті еріткіш ортаға келтіріледі. ЯМР үлгісі жұқа қабырғалы шыны түтікшеде дайындалады.
Protein nuclear magnetic resonance is performed on aqueous samples of highly purified protein. Usually, the sample consists of between 300 and 600 microlitres with a protein concentration in the range 0.1 – 3 millimolar. The source of the protein can be either natural or produced in a production system using recombinant DNA techniques through genetic engineering. Recombinantly expressed proteins are usually easier to produce in sufficient quantity, and this method makes isotopic labeling possible. The purified protein is usually dissolved in a buffer solution and adjusted to the desired solvent conditions. The NMR sample is prepared in a thin walled glass tube.
Деректерді жинау
Протеиннің ЯМР белок туралы ақпарат алу үшін көпөлшемді ядролық магниттік резонанс эксперименттерін қолданады. Идеалды жағдайда, молекуладағы әр түрлі ядролар әр түрлі электрондық ортаны сезінеді, сондықтан оларды тануға болатын ерекше химиялық ығысуы болады. Дегенмен, ақуыздар сияқты ірі молекулаларда резонанстардың саны әдетте бірнеше мыңға жетеді және бірөлшемді спектрде кездейсоқ үстіне жату мүмкіндігі бар. Сондықтан, әртүрлі ядролардың жиіліктерін байланыстыратын көпөлшемді эксперименттер жүргізіледі. Қосымша өлшемдер үстіне жату ықтималдығын азайтады және ақпараттың көлемін арттырады, себебі олар молекуланың белгілі бір бөлігіндегі ядролардан келетін сигналдарды байланыстырады. Магниттеу электромагниттік (радиожиілік) энергия импульстарын пайдалану арқылы үлгіге жіберіледі, ал ядролар арасында – уақыт кешігулері арқылы; бұл процесс импульстік тізбектер деп аталады. Импульстік тізбектер эксперимент жүргізушіге ядролар арасындағы нақты байланыстарды зерттеуге және таңдауға мүмкіндік береді. Ақуыздарға қолданылатын ядролық магниттік резонанс эксперименттерінің жиынтығы екі негізгі санатқа бөлінеді: бірі – магниттеудің химиялық байланыстар арқылы, екіншісі – байланыс құрылымына қарамастан, кеңістік арқылы жүзеге асуы. Бірінші санат әртүрлі химиялық ығысуларды нақты ядроға жатқызу үшін қолданылады, ал екіншісі – негізінен құрылымды есептеуде және белгіленбеген ақуызбен жұмыс істегенде қолданылатын қашықтық шектеулерін жасау үшін қолданылады. Үлгінің концентрациясына, спектрометрдің магниттік өрісіне және эксперимент түріне байланысты, ақуыз үлгісіндегі бір көпөлшемді ядролық магниттік резонанс эксперименті сигналдың шу деңгейіне жеткілікті арақатынасын алу үшін сағаттаған немесе бірнеше күнге созылуы мүмкін, сондай-ақ эксперименттің әртүрлі өлшемдері арқылы магниттеудің жеткілікті дамуын қамтамасыз ету үшін. Басқа жағдайлар тең болса, жоғары өлшемді эксперименттер төмен өлшемді эксперименттерге қарағанда көбірек уақыт алады. Әдетте, изотоппен белгіленген ақуызбен алғашқы өлшенетін эксперимент – 2D гетероядролық бір кванттық корреляция (HSQC) спектрі, мұнда "гетероядролық" термині 1H емес ядроларды білдіреді. Теориялық тұрғыдан алғанда, гетероядролық бір кванттық корреляция гетероядроға байланысқан әрбір H үшін бір шыңға ие. Осылайша, 15N HSQC-де, 15N белгіленген ақуызда, омыртқаның цикліктік табиғатына байланысты амидтік сутегі жоқ пролиннен басқа, омыртқадағы әрбір азот атомы үшін бір сигнал күтіледі. Қалдықтардың әрқайсысы өздерінің бүйір тізбектерінде азот-сутек байланысы бар қалдықтармен (W, N, Q, R, H, K) қосымша 15N HSQC сигналдарын қосады. 15N HSQC көбінесе ақуыздың "саусақ іздері" деп аталады, өйткені әрбір ақуыз сигналдық позициялардың бірегей үлгісіне ие. 15N HSQC-ті талдау зерттеушілерге күтілетін шыңдардың саны бар-жоғын бағалауға және осылайша бірнеше конформацияларға немесе үлгінің әртүрлілігіне байланысты туындауы мүмкін мәселелерді анықтауға мүмкіндік береді. Салыстырмалы түрде жылдам жүргізілетін гетероядролық бір кванттық корреляция эксперименті одан әрі ұзақ, қымбат және күрделі эксперименттер жүргізудің ықтималдығын анықтауға көмектеседі. Гетероядролық бір кванттық корреляциядан ғана нақты атомдарға шыңдарды жатқызу мүмкін емес.
Protein NMR utilizes multidimensional nuclear magnetic resonance experiments to obtain information about the protein. Ideally, each distinct nucleus in the molecule experiences a distinct electronic environment and thus has a distinct chemical shift by which it can be recognized. However, in large molecules such as proteins the number of resonances can typically be several thousand and a one dimensional spectrum inevitably has incidental overlaps. Therefore, multidimensional experiments that correlate the frequencies of distinct nuclei are performed. The additional dimensions decrease the chance of overlap and have a larger information content, since they correlate signals from nuclei within a specific part of the molecule. Magnetization is transferred into the sample using pulses of electromagnetic (radiofrequency) energy and between nuclei using delays; the process is described with so called pulse sequences. Pulse sequences allow the experimenter to investigate and select specific types of connections between nuclei. The array of nuclear magnetic resonance experiments used on proteins fall in two main categories — one where magnetization is transferred through the chemical bonds, and one where the transfer is through space, irrespective of the bonding structure. The first category is used to assign the different chemical shifts to a specific nucleus, and the second is primarily used to generate the distance restraints used in the structure calculation, and in the assignment with unlabelled protein. Depending on the concentration of the sample, the magnetic field of the spectrometer, and the type of experiment, a single multidimensional nuclear magnetic resonance experiment on a protein sample may take hours or even several days to obtain suitable signal to noise ratio through signal averaging, and to allow for sufficient evolution of magnetization transfer through the various dimensions of the experiment. Other things being equal, higher dimensional experiments will take longer than lower dimensional experiments. Typically, the first experiment to be measured with an isotope labelled protein is a 2D heteronuclear single quantum correlation (HSQC) spectrum, where "heteronuclear" refers to nuclei other than 1H. In theory, the heteronuclear single quantum correlation has one peak for each H bound to a heteronucleus. Thus, in the 15N HSQC, with a 15N labelled protein, one signal is expected for each nitrogen atom in the back bone, with the exception of proline, which has no amide hydrogen due to the cyclic nature of its backbone. Additional 15N HSQC signals are contributed by each residue with a nitrogen hydrogen bond in its side chain (W, N, Q, R, H, K). The 15N HSQC is often referred to as the fingerprint of a protein because each protein has a unique pattern of signal positions. Analysis of the 15N HSQC allows researchers to evaluate whether the expected number of peaks is present and thus to identify possible problems due to multiple conformations or sample heterogeneity. The relatively quick heteronuclear single quantum correlation experiment helps determine the feasibility of doing subsequent longer, more expensive, and more elaborate experiments. It is not possible to assign peaks to specific atoms from the heteronuclear single quantum correlation alone.
Резонанстық тапсырма
Ядролық магниттік резонанс деректерін талдау үшін ақуызға резонанс тағайындау, яғни әр химиялық ығысудың қай атомға сәйкес келетінін анықтау маңызды. Бұл әдетте бірнеше түрлі ЯМР эксперименттерінен алынған ақпаратты пайдаланып, тізбектеп іздеу арқылы жүзеге асырылады. Нақты процедура ақуыздың изотоптық белгіленгеніне немесе белгіленбегеніне байланысты, себебі көптеген тағайындау эксперименттері көміртек-13 және азот-15-ке тәуелді.
In order to analyze the nuclear magnetic resonance data, it is important to get a resonance assignment for the protein, that is to find out which chemical shift corresponds to which atom. This is typically achieved by sequential walking using information derived from several different types of NMR experiment. The exact procedure depends on whether the protein is isotopically labelled or not, since a lot of the assignment experiments depend on carbon 13 and nitrogen 15.
Гомоядролық ядролық магниттік резонанс
Белгіленбеген белокпен әдеттегі процедура – корреляциялық спектроскопия (COSY) арқылы екі өлшемді гомоядролық ядролық магниттік резонанс эксперименттерінің жиынтығын жазу. Оның бірнеше түріне кәдімгі корреляциялық спектроскопия, толық корреляциялық спектроскопия (TOCSY) және ядролық Оверхаузер эффекті спектроскопиясы (NOESY) кіреді. Екі өлшемді ядролық магниттік резонанс эксперименті екі өлшемді спектрді тудырады. Екі осьтің бірліктері – химиялық ығысулар. COSY және TOCSY магниттелуді көршілес протондар арасындағы химиялық байланыстар арқылы жүзеге асырады. Кәдімгі корреляциялық спектроскопиялық эксперимент магниттелуді тек іргелес атомдардағы протондар арасында ғана жеткізе алады, ал толық корреляциялық спектроскопиялық экспериментте протондар магниттелуді релеліктей алады, сондықтан ол іргелес атомдармен байланысқан барлық протондар арасында беріледі. Осылайша, кәдімгі корреляциялық спектроскопияда альфа-протон бета-протонға магниттелуді береді, бета-протон – альфа және гамма-протонға (егер олар болса), содан кейін гамма-протон – бета және дельта-протонға, және бұл процесс жалғасады. Толық корреляциялық спектроскопияда альфа және басқа барлық протондар, егер олар үздіксіз протондар тізбегімен байланысқан болса, бета, гамма, дельта, эпсилонға магниттелуді жеткізе алады. Протонның үздіксіз тізбегі – жеке аминқышқылдарының тізбегі. Осылайша, бұл екі эксперимент спиндік жүйелерді құру үшін қолданылады, яғни пептид протонының химиялық ығысуының резонанстарының тізімін, альфа-протонды және әрбір қалдықтың тізбегіндегі барлық протондарды құру үшін. Спин жүйесінде қай химиялық ығысулар қай ядроларға сәйкес келетіні кәдімгі корреляциялық спектроскопия байланыстарымен және әр түрлі протондардың ерекше химиялық ығысуларының болуымен анықталады. Әр түрлі спиндік жүйелерді реттілікпен байланыстыру үшін ядролық Оверхаузер эффекті спектроскопиясының экспериментін қолдану қажет. Бұл эксперимент магниттелуді кеңістік арқылы жеткізетіндіктен, кеңістікте жақын орналасқан барлық протондардың кросспиктерін көрсетеді, олардың спиндік жүйеде болу-болмауына қарамастан. Көрші қалдықтар кеңістікте жақын орналасқан, сондықтан басқа спиндік жүйелермен NOESY-дегі шыңдар арқылы тағайындамалар жасауға болады. Гомоядролық ядролық магниттік резонансты пайдаланудың маңызды мәселесі – шыңдардың үстіне түсуі. Бұл әр түрлі протондардың бірдей немесе өте ұқсас химиялық ығысулары болғанда болады. Бұл проблема белоктың мөлшері артқан сайын үдеп отырады, сондықтан гомоядролық ядролық магниттік резонанс әдетте кішкентай белоктармен немесе пептидтермен шектеледі.
With unlabelled protein the usual procedure is to record a set of two dimensional homonuclear nuclear magnetic resonance experiments through correlation spectroscopy (COSY), of which several types include conventional correlation spectroscopy, total correlation spectroscopy (TOCSY) and nuclear Overhauser effect spectroscopy (NOESY). A two dimensional nuclear magnetic resonance experiment produces a two dimensional spectrum. The units of both axes are chemical shifts. The COSY and TOCSY transfer magnetization through the chemical bonds between adjacent protons. The conventional correlation spectroscopy experiment is only able to transfer magnetization between protons on adjacent atoms, whereas in the total correlation spectroscopy experiment the protons are able to relay the magnetization, so it is transferred among all the protons that are connected by adjacent atoms. Thus in a conventional correlation spectroscopy, an alpha proton transfers magnetization to the beta protons, the beta protons transfers to the alpha and gamma protons, if any are present, then the gamma proton transfers to the beta and the delta protons, and the process continues. In total correlation spectroscopy, the alpha and all the other protons are able to transfer magnetization to the beta, gamma, delta, epsilon if they are connected by a continuous chain of protons. The continuous chain of protons are the sidechain of the individual amino acids. Thus these two experiments are used to build so called spin systems, that is build a list of resonances of the chemical shift of the peptide proton, the alpha protons and all the protons from each residue’s sidechain. Which chemical shifts corresponds to which nuclei in the spin system is determined by the conventional correlation spectroscopy connectivities and the fact that different types of protons have characteristic chemical shifts. To connect the different spinsystems in a sequential order, the nuclear Overhauser effect spectroscopy experiment has to be used. Because this experiment transfers magnetization through space, it will show crosspeaks for all protons that are close in space regardless of whether they are in the same spin system or not. The neighbouring residues are inherently close in space, so the assignments can be made by the peaks in the NOESY with other spin systems. One important problem using homonuclear nuclear magnetic resonance is overlap between peaks. This occurs when different protons have the same or very similar chemical shifts. This problem becomes greater as the protein becomes larger, so homonuclear nuclear magnetic resonance is usually restricted to small proteins or peptides.
Азот-15 ядролық магниттік резонансы
15N-мен ең көп қолданылатын тәжірибе – 1H 15N HSQC. Бұл тәжірибе өте сезімтал болғандықтан, салыстырмалы түрде жылдам орындалуы мүмкін. Ол көбінесе белоктың NMR арқылы құрылымын анықтауға жарамдылығын тексеру үшін, сондай-ақ үлгінің жағдайларын оңтайландыру үшін қолданылады. Бұл белоктың ерітіндідегі құрылымын анықтау үшін қолданылатын стандартты тәжірибелердің бірі. HSQC тәжірибесін 15N TOCSY HSQC және 15N NOESY HSQC сияқты үш және төрт өлшемді NMR тәжірибелеріне кеңейтуге болады.
The most commonly performed 15N experiment is the 1H 15N HSQC. The experiment is highly sensitive and therefore can be performed relatively quickly. It is often used to check the suitability of a protein for structure determination using NMR, as well as for the optimization of the sample conditions. It is one of the standard suite of experiments used for the determination of the solution structure of protein. The HSQC can be further expanded into three and four dimensional NMR experiments, such as 15N TOCSY HSQC and 15N NOESY HSQC.
Көміртек-13 және азот-15 ядролық магниттік резонансы
Көміртек 13 және азот 15 изотоптарымен белгіленген кезде, пептидтік байланыс арқылы магниттелуді жүзеге асыратын және осылайша байланыстар арқылы әртүрлі спиндік жүйелерді қосатын үш резонанстық эксперименттерді жазу мүмкін болады. Бұл әдетте келесі эксперименттерді пайдаланып жасалады: |HNCO, |HN(CA)CO}, |HNCA, |HN(CO)CA, |HNCACB және |CBCA(CO)NH. Барлық алты эксперимент 1H 15N жазықтығынан тұрады (HSQC спектріне ұқсас), көміртек өлшемімен толықтырылған. |HN(CA)CO экспериментінде әрбір HN жазықтығында осы қалдықтың карбонил көміртегінен және тізбектегі алдыңғы қалдықтың шыңдары болады. |HNCO тек алдыңғы қалдықтың карбонил көміртегінің химиялық ығысуын қамтиды, бірақ |HN(CA)CO-дан гөрі әлдеқайда сезімтал. Бұл эксперименттер әрбір 1H 15N шыңын алдыңғы карбонил көміртегімен байланыстыруға мүмкіндік береді, содан кейін әр спиндік жүйенің өзінің және алдыңғы көміртектерінің ығысуларын сәйкес келтіру арқылы реттік тағайындау жүзеге асырылуы мүмкін. |HNCA және |HN(CO)CA да ұқсас жұмыс істейді, бірақ карбонилдердің орнына альфа көміртектерін (Cα) пайдаланады, ал |HNCACB және |CBCA(CO)NH альфа көміртек (Cα) пен бета көміртегін (Cβ) қамтиды. Көбінесе көміртек өлшеміндегі қабаттасуды шешу үшін бірнеше эксперименттер қажет болады. Бұл процедура әдетте NOESY негізделген әдіске қарағанда аз күмәнді, себебі ол байланыстар арқылы магниттелуді жүзеге асыруға негізделген. NOESY негізделген әдістерде кеңістікте жақын орналасқан, бірақ реттік тізбекке жатпайтын атомдарға сәйкес келетін қосымша шыңдар пайда болады, бұл тағайындау процесін қиындатады. Бастапқы реттік резонанстық тағайындаудан кейін, әдетте, HCCH TOCSY сияқты эксперименттерді қолдана отырып, Cα және Cβ-дан қалған бүкіл тізбекке тағайындауды кеңейтуге болады, бұл негізінен қосымша көміртек өлшемінде шешілген TOCSY эксперименті.
When the protein is labelled with carbon 13 and nitrogen 15 it is possible to record triple resonance experiments that transfer magnetisation over the peptide bond, and thus connect different spin systems through bonds. This is usually done using some of the following experiments, |HNCO, |HN(CA)CO}, |HNCA, |HN(CO)CA, |HNCACB and |CBCA(CO)NH. All six experiments consist of a 1H 15N plane (similar to a HSQC spectrum) expanded with a carbon dimension. In the |HN(CA)CO, each HN plane contains the peaks from the carbonyl carbon from its residue as well the preceding one in the sequence. The |HNCO contains the carbonyl carbon chemical shift from only the preceding residue, but is much more sensitive than |HN(CA)CO. These experiments allow each 1H 15N peak to be linked to the preceding carbonyl carbon, and sequential assignment can then be undertaken by matching the shifts of each spin system's own and previous carbons. The |HNCA and |HN(CO)CA works similarly, just with the alpha carbons (Cα) rather than the carbonyls, and the |HNCACB and the |CBCA(CO)NH contains both the alpha carbon and the beta carbon (Cβ). Usually several of these experiments are required to resolve overlap in the carbon dimension. This procedure is usually less ambiguous than the NOESY based method since it is based on through bond transfer. In the NOESY based methods, additional peaks corresponding to atoms that are close in space but that do not belong to sequential residues will appear, confusing the assignment process. Following the initial sequential resonance assignment, it is usually possible to extend the assignment from the Cα and Cβ to the rest of the sidechain using experiments such as HCCH TOCSY, which is basically a TOCSY experiment resolved in an additional carbon dimension.
Тыйымдылықты құру
Құрылымдық есептеулер жасау үшін, эксперименттік жолмен анықталған бірнеше шектеулерді құру қажет. Олар түрлі категорияларға бөлінеді; ең көп қолданылатыны – қашықтық шектеулері мен бұрыш шектеулері.
In order to make structure calculations, a number of experimentally determined restraints have to be generated. These fall into different categories; the most widely used are distance restraints and angle restraints.
Қашықтықты ұстайтын құрылғылар
NOESY экспериментіндегі крос-пик екі қарастырылып отырған ядроның арасындағы кеңістіктік жақындықты көрсетеді. Осылайша, әрбір пик ядролар арасындағы максималды қашықтыққа айналдырылуы мүмкін, әдетте 1,8 мен 6 ангстрем аралығында. NOESY пигінің қарқындылығы қашықтықтың минус 6-шы дәрежесіне пропорционал, сондықтан қашықтық пик қарқындылығы бойынша анықталады. Қарқындылық-қашықтық байланысы нақты емес, сондықтан әдетте қашықтық диапазоны қолданылады. Химиялық ығысуларға сүйене отырып, NOESY пиктерін дұрыс ядроларға тағайындау өте маңызды. Егер бұл жұмыс қолмен орындалса, ол әдетте өте күшті еңбек талап етеді, себебі ақуыздарда әдетте мыңдаған NOESY пиктері болады. Интегративті ЯМР платформасындағы PASD/XPLOR NIH, UNIO, CYANA, ARIA/CNS және AUDANA/PONDEROSA C/S сияқты кейбір компьютерлік бағдарламалар бұл жұмысты пик позициялары мен пик көлемдерінің қолмен алдын ала өңделген тізімдері бойынша автоматты түрде орындайды, бұл құрылымды есептеумен байланыстырылған. Қайта-қайта жаңартпалы пик тізімдерінің қажеттілігінсіз NOESY шикі деректеріне тікелей қол жеткізуді PASD ғана қазірге дейін қамтамасыз етеді.
A crosspeak in a NOESY experiment signifies spatial proximity between the two nuclei in question. Thus each peak can be converted into a maximum distance between the nuclei, usually between 1.8 and 6 angstroms. The intensity of a NOESY peak is proportional to the distance to the minus 6th power, so the distance is determined according to the intensity of the peak. The intensity distance relationship is not exact, so usually a distance range is used. It is of great importance to assign the NOESY peaks to the correct nuclei based on the chemical shifts. If this task is performed manually it is usually very labor intensive, since proteins usually have thousands of NOESY peaks. Some computer programs such as PASD/XPLOR NIH, UNIO, CYANA, ARIA/CNS, and AUDANA/PONDEROSA C/S in the Integrative NMR platform perform this task automatically on manually pre processed listings of peak positions and peak volumes, coupled to a structure calculation. Direct access to the raw NOESY data without the cumbersome need of iteratively refined peak lists is so far only granted by the PASD
Сутегін деутериймен алмастыру
Ядролық-магниттік резонанс спектроскопиясы ядроға тән. Сондықтан ол сутегі мен дейтерийді ажырата алады. Ақуыздың амид протондары еріткішпен оңай алмасады, ал егер еріткіште басқа изотоп, әдетте дейтерий болса, реакцияны ЯМР спектроскопиясымен бақылауға болады. Белгілі бір амидтің алмасу жылдамдығы оның еріткішпен қолжетімділігін көрсетеді. Осылайша, амид алмасу жылдамдықтары ақуыздың қай бөліктері жасырылғанын, сутектік байланыста екенін және т.б. туралы ақпарат бере алады. Көп қолданылатын тәсіл – еркін күйдегі және кешен арасындағы алмасуды салыстыру. Кешенде қорғалған амидтер өзара әрекеттесу бетінде орналасқан деп есептеледі.
NMR spectroscopy is nucleus specific. Thus, it can distinguish between hydrogen and deuterium. The amide protons in the protein exchange readily with the solvent, and, if the solvent contains a different isotope, typically deuterium, the reaction can be monitored by NMR spectroscopy. How rapidly a given amide exchanges reflects its solvent accessibility. Thus amide exchange rates can give information on which parts of the protein are buried, hydrogen bonded, etc. A common application is to compare the exchange of a free form versus a complex. The amides that become protected in the complex, are assumed to be in the interaction interface.
Құрылымның есептеуі
Эксперименттік түрде анықталған шектеулер құрылымды есептеу процесінде деректер ретінде қолданылуы мүмкін. Зерттеушілер XPLOR NIH сияқты компьютерлік бағдарламаларды пайдаланып, ақуыздың жалпы қасиеттерімен қатар, мысалы, байланыс ұзындығы мен бұрыштары сияқты, мүмкіндігінше көп шектеулерді қанағаттандыруға тырысады. Алгоритмдер шектеулерді және ақуыздың жалпы қасиеттерін энергия шарттарына түрлендіріп, содан кейін осы энергияны азайтуға ұмтылады. Нәтижесінде, егер деректер белгілі бір түріне жететіндей болса, құрылымдар жиынтығы бірігеді (конвергенцияға келеді).
The experimentally determined restraints can be used as input for the structure calculation process. Researchers, using computer programs such as XPLOR NIH, attempt to satisfy as many of the restraints as possible, in addition to general properties of proteins such as bond lengths and angles. The algorithms convert the restraints and the general protein properties into energy terms, and then try to minimize this energy. The process results in an ensemble of structures that, if the data were sufficient to dictate a certain fold, will converge.
Құрылысты растау
Алынған құрылымдар жиынтығы – «эксперименттік модель», яғни белгілі бір тәжірибелік деректердің бейнесі. Бұл фактіні мойындау маңызды, себебі модель сол тәжірибелік деректерді жақсы немесе жаман көрсете алады. Жалпы, модельдің сапасы оны жасау үшін қолданылған тәжірибелік деректердің мөлшері мен сапасына, сондай-ақ оларды дұрыс түсіндіруге байланысты болады. Әрбір эксперименттің қателіктері болатынын есте ұстау керек. Кездейсоқ қателер нәтижедегі құрылымдардың қайталануы мен дәлдігіне әсер етеді. Егер қателер жүйелі болса, модельдің дұрыстығы төмендейді. Дәлдік – өлшеудің қайталану деңгейін көрсетеді және көбінесе бірдей жағдайларда өлшенген деректер жиынтығының дисперсиясы ретінде беріледі. Ал дұрыстық – өлшеудің «нағыз» мәнге қаншалықты жақын екенін көрсетеді. Идеалды жағдайда, ақуыздың моделі оның нақты молекуласына қаншалықты жақын болса, соншалықты дұрыс болады, ал атомдарының орналасуына қатысты белгісіздік аз болғандықтан, дәлдігі де жоғары болады. Бірақ іс жүзінде ақуыздар модельдерін салыстыру үшін «стандартты молекула» жоқ, сондықтан модельдің дұрыстығы модель мен тәжірибелік деректер жиынтығының арасындағы сәйкес келу деңгейімен бағаланады. Тарихи тұрғыдан алғанда, ЯМР (NMR) әдісімен анықталған құрылымдар, әдетте, рентгендік дифракциямен анықталғандардан нашар сапалы болды. Бұл, ішінара, ЯМР арқылы алынған деректердегі ақпараттың аздығына байланысты. Осы себепті, ЯМР жиынтықтарының сапасын бағау үшін, бірдей ақуыз үшін рентгендік дифракциямен анықталған бірегей конформациямен салыстыру кең таралған практикаға айналды. Дегенмен, рентгендік дифракциялық құрылым болмауы мүмкін, ал ерітіндідегі ақуыздар икемді молекулалар болғандықтан, бір құрылыммен көрсетілген ақуыз ақуыздың атомдық орналасуының ішкі өзгергіштігін төмен бағалауы мүмкін. ЯМР немесе рентгендік кристаллографиямен анықталған конформациялар жиынтығы, бір ғана конформациядан гөрі ақуыздың тәжірибелік деректерін жақсы көрсете алады. Модельдің пайдалылығы, кем дегенде, оның дұрыстығы мен дәлдігінің деңгейімен анықталады. Дұрыс, бірақ салыстырмалы түрде нашар дәлдікке ие модель, ақуыздар жиынтығының құрылымдары арасындағы эволюциялық қатынастарды зерттеу үшін пайдалы болуы мүмкін, ал рационалды дәрі дизайны үшін дәл және дұрыс модельдер қажет. Дәлдігіне қарамастан, дұрыс емес модель өте пайдалы болмайды. Ақуыз құрылымдары – қателіктерге ұшырауы мүмкін тәжірибелік модельдер болғандықтан, осы қателіктерді анықтау өте маңызды. Қателіктерді анықтауға бағытталған процеске валидация (тексеру) дейді. Құрылымдарды тексерудің бірнеше әдістері бар, кейбіреулері PROCHECK және WHAT IF сияқты статистикалық, ал басқалары CheShift сияқты физикалық принциптерге негізделген, немесе PSVS сияқты статистикалық және физикалық принциптердің үйлесімі.
The ensemble of structures obtained is an "experimental model", i. e., a representation of certain kind of experimental data. To acknowledge this fact is important because it means that the model could be a good or bad representation of that experimental data. In general, the quality of a model will depend on both the quantity and quality of experimental data used to generate it and the correct interpretation of such data. It is important to remember that every experiment has associated errors. Random errors will affect the reproducibility and precision of the resulting structures. If the errors are systematic, the accuracy of the model will be affected. The precision indicates the degree of reproducibility of the measurement and is often expressed as the variance of the measured data set under the same conditions. The accuracy, however, indicates the degree to which a measurement approaches its "true" value. Ideally, a model of a protein will be more accurate the more fit the actual molecule that represents and will be more precise as there is less uncertainty about the positions of their atoms. In practice there is no "standard molecule" against which to compare models of proteins, so the accuracy of a model is given by the degree of agreement between the model and a set of experimental data. Historically, the structures determined by NMR have been, in general, of lower quality than those determined by X ray diffraction. This is due, in part, to the lower amount of information contained in data obtained by NMR. Because of this fact, it has become common practice to establish the quality of NMR ensembles, by comparing it against the unique conformation determined by X ray diffraction, for the same protein. However, the X ray diffraction structure may not exist, and, since the proteins in solution are flexible molecules, a protein represented by a single structure may lead to underestimate the intrinsic variation of the atomic positions of a protein. A set of conformations, determined by NMR or X ray crystallography may be a better representation of the experimental data of a protein than a unique conformation. The utility of a model will be given, at least in part, by the degree of accuracy and precision of the model. An accurate model with relatively poor precision could be useful to study the evolutionary relationships between the structures of a set of proteins, whereas the rational drug design requires both precise and accurate models. A model that is not accurate, regardless of the degree of precision with which it was obtained will not be very useful. Since protein structures are experimental models that can contain errors, it is very important to be able to detect these errors. The process aimed at the detection of errors is known as validation. There are several methods to validate structures, some are statistical like PROCHECK and WHAT IF while others are based on physical principles as CheShift, or a mixture of statistical and physics principles PSVS.
Динамикасы
Құрылымдардан басқа, ядролық магниттік резонанс ақуыздың әртүрлі бөліктерінің динамикасы туралы ақпарат бере алады. Бұл әдетте T1 және T2 сияқты релаксациялық уақыттарды өлшеуді, реттік параметрлерді, корреляциялық уақыттарды және химиялық алмасу жылдамдықтарын анықтауды қамтиды. ЯМР релаксациясы – молекула ішіндегі жергілікті құбылалы магнит өрістерінің салдары болып табылады. Жергілікті құбылалы магнит өрістері молекулалық қозғалыстар арқылы туындайды. Осылайша, релаксациялық уақыттарды өлшеу молекуланың атомдық деңгейдегі қозғалысы туралы ақпаратты ұсынуы мүмкін. Ақуыз динамикасын зерттеуде азот-15 изотопы зерттеу үшін артықшылықты ядро болып табылады, себебі оның релаксациялық уақыттары молекулалық қозғалыстармен салыстырмалы түрде қарапайым байланысты. Алайда, бұл ақуыздың изотоптық белгіленуін қажет етеді. T1 және T2 релаксациялық уақыттарын әртүрлі HSQC негізделген тәжірибелер арқылы өлшеуге болады. Байқалатын қозғалыстар шамамен 10 пикосекундтан 10 наносекундқа дейінгі уақыт аралығында жүреді. Сонымен қатар, 10 микросекундтан 100 миллисекундқа дейінгі уақыт аралығында өтетін баяу қозғалыстарды да зерттеуге болады. Дегенмен, азот атомдары негізінен ақуыздың тірекшесінде орналасқандықтан, нәтижелер негізінен тірекше қозғалысын көрсетеді, ол ақуыз молекуласының ең тұрақты бөлігі болып табылады. Сондықтан, азот-15 релаксациясынан алынған нәтижелер толық ақуызды сипаттамауы мүмкін. Сондықтан, көміртек-13 және дейтерийдің релаксациясын өлшеуді пайдаланатын әдістер жақында жасалды, бұл ақуыздағы аминқышқылдарының тізбектерінің қозғалысын жүйелі түрде зерттеуге мүмкіндік береді. Пептидтер мен толық ұзындықтағы ақуыздардың динамикасы мен икемділігін зерттеуде ерекше қиындықтар тудыратын жағдай – тәртіпсіз құрылымдар. Қазіргі таңдағы қабылданған түсінік бойынша, ақуыздар бұзылу немесе құрылымның болмауы деп аталатын икемді мінез-құлықты көрсете алады; алайда, ақуыздың толыққанды функционалдық күйін көрсететін статикалық суреттің орнына құрылымдар жиынтығын сипаттау мүмкін. Бұл сала көптеген жетістіктерге қол жеткізді, әсіресе жаңа импульстік тізбектер, технологиялық жақсартулар және осы саладағы зерттеушілердің қатаң даярлануы.
In addition to structures, nuclear magnetic resonance can yield information on the dynamics of various parts of the protein. This usually involves measuring relaxation times such as T1 and T2 to determine order parameters, correlation times, and chemical exchange rates. NMR relaxation is a consequence of local fluctuating magnetic fields within a molecule. Local fluctuating magnetic fields are generated by molecular motions. In this way, measurements of relaxation times can provide information of motions within a molecule on the atomic level. In NMR studies of protein dynamics, the nitrogen 15 isotope is the preferred nucleus to study because its relaxation times are relatively simple to relate to molecular motions. This, however, requires isotope labeling of the protein. The T1 and T2 relaxation times can be measured using various types of HSQC based experiments. The types of motions that can be detected are motions that occur on a time scale ranging from about 10 picoseconds to about 10 nanoseconds. In addition, slower motions, which take place on a time scale ranging from about 10 microseconds to 100 milliseconds, can also be studied. However, since nitrogen atoms are found mainly in the backbone of a protein, the results mainly reflect the motions of the backbone, which is the most rigid part of a protein molecule. Thus, the results obtained from nitrogen 15 relaxation measurements may not be representative of the whole protein. Therefore, techniques utilising relaxation measurements of carbon 13 and deuterium have recently been developed, which enables systematic studies of motions of the amino acid side chains in proteins. A challenging and special case of study regarding dynamics and flexibility of peptides and full length proteins is represented by disordered structures. Nowadays, it is an accepted concept that proteins can exhibit a more flexible behaviour known as disorder or lack of structure; however, it is possible to describe an ensemble of structures instead of a static picture representing a fully functional state of the protein. Many advances are represented in this field in particular in terms of new pulse sequences, technological improvement, and rigorous training of researchers in the field.
Үлкен ақуыздарды NMR спектроскопиясы
Дәстүрлі түрде ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы салыстырмалы түрде кішкентай ақуыздармен немесе ақуыз домендерімен шектелген. Бұл, ішінара, үлкен ақуыздардағы қабаттасқан шыңдарды ажырату қиындығынан туындайды, бірақ изотоптық белгілеу және көп өлшемді эксперименттерді қолдану арқылы бұл мәселе шешілді. Тағы бір маңызды проблема – үлкен ақуыздарда магниттелу жылдам демалады, яғни сигналды анықтау үшін уақыт жеткіліксіз болады. Бұл өз кезегінде шыңдардың кеңейіп, әлсіреуіне және соңында жоғалуына себеп болады. Релаксацияны басу үшін екі техника енгізілді: көлденең релаксацияны оңтайландырылған спектроскопия (TROSY) және ақуыздарды дейтерийлеу. Осы техникаларды пайдалану арқасында 900 кДа шаперон GroES GroEL кешеніндегі ақуыздарды зерттеуге мүмкіндік туды.
Traditionally, nuclear magnetic resonance spectroscopy has been limited to relatively small proteins or protein domains. This is in part caused by problems resolving overlapping peaks in larger proteins, but this has been alleviated by the introduction of isotope labelling and multidimensional experiments. Another more serious problem is the fact that in large proteins the magnetization relaxes faster, which means there is less time to detect the signal. This in turn causes the peaks to become broader and weaker, and eventually disappear. Two techniques have been introduced to attenuate the relaxation: transverse relaxation optimized spectroscopy (TROSY) and deuteration of proteins. By using these techniques it has been possible to study proteins in complex with the 900 kDa chaperone GroES GroEL.
Процестерді автоматтандыру
Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) арқылы құрылымды анықтау дәстүрлі түрде көп уақыт алатын процесс болып табылады, бұл үшін жоғары білікті маманның деректерді интерактивті талдауы қажет. Құрылымды анықтаудың өнімділігін арттыру және белок ЯМР-ін сарапшы емес мамандарға қолжетімді ету үшін процесті автоматтандыруға үлкен қызығушылық танытылуда (құрылымдық геномикаға қараңыз). Ең көп уақытты қажет ететін екі процесс – реттілікке қатысты резонанстық тағайындау (негізгі тізбек және бүйір тізбекті тағайындау) және NOE тағайындау міндеттері. ЯМР арқылы белок құрылымын анықтау процесінің жекелеген бөліктерін автоматтандырылған түрде мақсат ететін бірнеше компьютерлік бағдарламалар жарияланды. NOE-ні автоматтандырылған түрде тағайындау бойынша ең көп прогресске қол жеткізілді. Қазірге дейін FLYA және UNIO тәсілдері ғана адамның араласуынсыз, автоматтандырылған түрде белок ЯМР құрылымын анықтау процесін жүргізу үшін ұсынылды. Сондай-ақ, құрылымды есептеу протоколын жылдамдату және автоматтандыруға қолайлы ету үшін стандарттау жұмыстары жүргізілуде. Жақында, жоғарыда аталған бағдарламалардың ізбасары POKY жиынтығы шығарылды, ол қазіргі заманғы GUI құралдарымен және жасанды интеллект/машиналық оқу (AI/ML) мүмкіндіктерін ұсынады.
Structure determination by NMR has traditionally been a time consuming process, requiring interactive analysis of the data by a highly trained scientist. There has been considerable interest in automating the process to increase the throughput of structure determination and to make protein NMR accessible to non experts (See structural genomics). The two most time consuming processes involved are the sequence specific resonance assignment (backbone and side chain assignment) and the NOE assignment tasks. Several different computer programs have been published that target individual parts of the overall NMR structure determination process in an automated fashion. Most progress has been achieved for the task of automated NOE assignment. So far, only the FLYA and the UNIO approach were proposed to perform the entire protein NMR structure determination process in an automated manner without any human intervention. Efforts have also been made to standardize the structure calculation protocol to make it quicker and more amenable to automation. Recently, the POKY suite, the successor of programs mentioned above, has been released to provide modern GUI tools and AI/ML features.