Ленточная диаграмма
Ленточные диаграммы , также известные как диаграммы Ричардсона , представляют собой трехмерное схематическое представление структуры белка и являются одним из наиболее распространенных методов изображения белков, используемых сегодня. Лента изображает общий ход и организацию основной цепи белка в 3D и служит визуальной основой для подвешивания деталей всей атомной структуры, таких как шарики атомов кислорода, прикрепленных к активному центру миоглобина на соседнем рисунке. Ленточные диаграммы создаются путем интерполяции плавной кривой, проходящей через основную цепь полипептида . α-спирали показаны в виде скрученных лент или толстых трубок, β-листы — в виде стрелок, а неповторяющиеся витки или петли — в виде линий или тонких трубок. Направление полипептидной цепи показано локально стрелками и в целом может быть указано цветовой шкалой по длине ленты. [1]
Ленточные диаграммы просты, но эффективны и выражают визуальные основы молекулярной структуры (скручивание, сгибание и разворачивание). Этот метод успешно отобразил общую организацию белковых структур, отразив их трехмерную природу и позволив лучше понять эти сложные объекты как экспертам-структурным биологам, так и другим ученым, студентам, [2] и широкой общественности.
История
[ редактировать ]Первые ленточные диаграммы, нарисованные Джейн С. Ричардсон в 1980 году (под влиянием более ранних отдельных иллюстраций), [3] были первыми схемами трехмерной структуры белка, которые создавались систематически. [3] [4] Они были созданы, чтобы проиллюстрировать классификацию белковых структур для статьи в журнале Advances in Protein Chemistry. [5] (теперь доступно в аннотированной форме на сайте Anatax ). Эти рисунки обводились ручкой на кальке поверх распечатки Cα -следа координат атомов и заштриховывались цветным карандашом или пастелью; [6] они сохранили позиции, сгладили магистральный путь и включили небольшие локальные изменения, чтобы устранить неоднозначность внешнего вида. [4] Помимо рисунка триозоизомеразной ленты справа, на других нарисованных от руки примерах изображены преальбумин , флаводоксин и супероксиддисмутаза Cu,Zn .
В 1982 году Артур М. Леск и его коллеги впервые обеспечили автоматическое создание ленточных диаграмм с помощью вычислительной реализации, которая использует файлы банка данных белков в качестве входных данных. [7] Этот концептуально простой алгоритм подгоняет кубического полинома кривые B-сплайна к пептидным плоскостям. либо B-сплайны, либо сплайны Эрмита Большинство современных графических систем предоставляют в качестве базового примитива рисования . Через каждую направляющую точку Cα проходит один тип реализации сплайна, создавая точную, но прерывистую кривую. Как нарисованные от руки, так и большинство компьютерных лент (например, показанных здесь) сглаживаются примерно по четырем последовательным направляющим точкам (обычно средней точке пептида), чтобы создать более визуально приятное и понятное изображение. Чтобы придать правильный радиус спиральным спиралям, сохраняя при этом гладкие β-нити, сплайны можно модифицировать путем смещения, пропорционального локальной кривизне, как это впервые разработал Майк Карсон для своей программы Ribbons. [8] и позже был принят другим программным обеспечением для молекулярной графики, таким как программа Mage с открытым исходным кодом для kinemage . графики [9] это создало изображение ленты вверху справа (другие примеры: тример 1XK8 и ДНК-полимераза ).
С момента своего появления и до сих пор ленточные диаграммы являются единственным наиболее распространенным изображением структуры белка и частым выбором изображения обложки для журнала или учебника.
Текущие компьютерные программы
[ редактировать ]
Одной из популярных программ, используемых для рисования ленточных диаграмм, является Molscript . Molscript использует сплайны Эрмита для создания координат витков, витков, прядей и спиралей. Кривая проходит через все свои контрольные точки ( атомы Cα ), руководствуясь векторами направления. Программа была построена на основе традиционной молекулярной графики Артуром М. Леском , Карлом Хардманом и Джоном Пристлом. [10] Jmol — это программа просмотра на основе Java с открытым исходным кодом для просмотра молекулярных структур в Интернете; он включает упрощенную «мультяшную» версию лент. Другие графические программы, такие как DeepView (пример: urease ) и MolMol (пример: домен SH2 ), также создают ленточные изображения. Король [11] является преемником Mage на основе Java (примеры: альфа-гемолизина вид сверху и вид сбоку ).
UCSF Chimera — это мощная программа молекулярного моделирования, которая также включает в себя такие визуализации , как ленты, особенно примечательные возможностью комбинировать их с контурными формами из криоэлектронной микроскопии . данных [12] PyMOL , Уоррен ДеЛано , [13] — популярная и гибкая программа молекулярной графики (на основе Python ), которая работает в интерактивном режиме, а также создает 2D-изображения презентационного качества для ленточных диаграмм и многих других представлений.
Функции
[ редактировать ]
| Вторичная структура [4] [5] | |
|---|---|
| α-спирали | Цилиндрические спиральные ленты, плоскость ленты примерно повторяет плоскость пептидов. |
| β-нити | Стрелки толщиной примерно в четверть толщины и ширины, показывающие направление и поворот цепи от аминоконца к карбокси-концу. β-листы кажутся едиными, поскольку соседние нити скручиваются в унисон. |
| Петли и прочее | |
| Неповторяющиеся циклы | Круглые веревки, которые толще на переднем плане и тоньше сзади, следуют по сглаженному пути следа Cα. |
| Соединения между петлями и спиралями | Круглая веревка, постепенно превращающаяся в тонкую спиральную ленту. |
| Другие особенности | |
| Полипептидное направление, NH 2 Концы и COOH | Маленькие стрелки на одном или обоих концах или буквах. Для β-нитей достаточно направления стрелки. Сегодня направление полипептидной цепи часто обозначается цветовой шкалой. |
| Дисульфидные связи | Переплетенный символ СС или зигзаг, похожий на стилизованный удар молнии. |
| Простетические группы или ингибиторы | Фигурки из палочек или мяч и палка . |
| Металлы | Сферы. |
| Затенение и цвет | Затенение или цвет добавляют диаграмме объемности. Как правило, черты лица спереди имеют самый высокий контраст, а те, что находятся сзади, — самые низкие. |
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Смит, Томас Дж. (27 октября 2005 г.). «Отображение и анализ атомных структур на Macintosh» . Центр науки о растениях Дэнфорта. Архивировано из оригинала 28 марта 2002 года.
- ^ Ричардсон, округ Колумбия; Ричардсон, Дж. С. (январь 2002 г.). «Обучение молекулярной 3D-грамотности» . Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 30 (1): 21–26. дои : 10.1002/bmb.2002.494030010005 .
- ^ Jump up to: а б Ричардсон, Джейн С. (2000), «Ранние ленточные рисунки белков», Nature Structural Biology , 7 (8): 624–625, doi : 10.1038/77912 , PMID 10932243 , S2CID 52856546 .
- ^ Jump up to: а б с Ричардсон, Джейн С. (1985), Схематические рисунки белковых структур , Методы энзимологии, том. 115, стр. 359–380 , doi : 10.1016/0076-6879(85)15026-3 , ISBN 978-0-12-182015-2 , ПМИД 3853075 .
- ^ Jump up to: а б Ричардсон, Джейн С. (1981), Анатомия и таксономия белковых структур , Достижения в области химии белков, том. 34, стр. 167–339, номер документа : 10.1016/S0065-3233(08)60520-3 , ISBN. 978-0-12-034234-1 , ПМИД 7020376 .
- ^ «Научная «мать ленточных диаграмм» отмечает 50-летие в Duke» . Истории герцога . 19 октября 2018 г. Проверено 9 июня 2020 г.
- ^ Леск, Артур М.; Хардман, Карл Д. (1982), «Сгенерированные компьютером схематические диаграммы белковых структур», Science , 216 (4545): 539–540, Бибкод : 1982Sci...216..539L , doi : 10.1126/science.7071602 , ПМИД 7071602 .
- ^ Карсон, М.; Багг, CE (1986), «Алгоритм для ленточных моделей белков», Journal of Molecular Graphics , 4 (2): 121–122, doi : 10.1016/0263-7855(86)80010-8 .
- ^ Ричардсон, округ Колумбия; Ричардсон, Дж. С. (январь 1992 г.), «Кинемаг: инструмент для научной коммуникации», Protein Science , 1 (1): 3–9, doi : 10.1002/pro.5560010102 , PMC 2142077 , PMID 1304880
- ^ MolScript v2.1: О программе
- ^ Чен, В.Б.; Дэвис, штат Айова; Ричардсон, округ Колумбия (2009), «KING (Kinemage, Next Generation): универсальная интерактивная программа молекулярной и научной визуализации», Protein Science , 18 (11): 2403–2409, doi : 10.1002/pro.250 , PMC 2788294 , PMID 19768809
- ^ Годдард, Томас Д.; Хуанг, Конрад С.; Феррин, Томас Э. (2005), «Программные расширения UCSF Chimera для интерактивной визуализации больших молекулярных сборок», Structure , 13 (3): 473–482, doi : 10.1016/j.str.2005.01.006 , PMID 15766548 .
- ^ Брунгер, Аксель Т.; Уэллс, Джеймс А. (2009), «Уоррен Л. ДеЛано, 21 июня 1972 г. - 3 ноября 2009 г.», Nature Structural & Molecular Biology , 16 (12): 1202–1203, doi : 10.1038/nsmb1209-1202 , PMID 19956203 .
