Молекулярное замещение (МР) [1] — метод решения фазовой проблемы в рентгеновской кристаллографии . MR опирается на существование ранее решенной структуры белка, похожей на нашу неизвестную структуру, на основе которой получены данные дифракции. Это может происходить из гомологичного белка или из структуры ЯМР белка с более низким разрешением того же белка. [2]
Первая цель кристаллографа — получить карту электронной плотности, причем плотность связана с дифрагированной волной следующим образом:
Обычными детекторами измеряется интенсивность , и вся информация о фазе ( ) теряется. Тогда при отсутствии фаз (Φ) мы не можем завершить показанное преобразование Фурье, связывающее экспериментальные данные рентгеновской кристаллографии (в обратном пространстве ) с электронной плотностью в реальном пространстве, в которую встроена атомная модель. MR пытается найти модель, которая лучше всего соответствует экспериментальной интенсивности среди известных структур.
Мы можем вывести карту Паттерсона для интенсивностей, которая представляет собой межатомную векторную карту, созданную путем возведения в квадрат амплитуд структурных факторов и установки всех фаз на ноль. Эта векторная карта содержит пик для каждого атома, связанного с каждым другим атомом, с большим пиком в 0,0,0, где «накапливаются» векторы, связывающие атомы сами с собой. Такая карта слишком зашумлена, чтобы получить какую-либо структурную информацию с высоким разрешением, однако если мы создадим карты Паттерсона для данных, полученных из нашей неизвестной структуры и структуры ранее решенного гомолога, в правильной ориентации и положении внутри элементарной ячейки . , две карты Паттерсона должны быть тесно связаны. Этот принцип лежит в основе MR и может позволить нам получить информацию об ориентации и расположении неизвестной молекулы в ее элементарной ячейке.
Из-за исторических ограничений вычислительной мощности поиск MR обычно делится на два этапа: вращение и перемещение .
В функции вращения наша неизвестная карта Паттерсона сравнивается с картами Паттерсона, полученными из нашей известной структуры гомолога в разных ориентациях. Исторически для оценки функции вращения использовались r-факторы и/или коэффициенты корреляции , однако в современных программах используются алгоритмы, основанные на максимальном правдоподобии . Наивысшая корреляция (и, следовательно, баллы) получается, когда две структуры (известная и неизвестная) находятся в одинаковой ориентации — затем их можно вывести в углах Эйлера или сферических полярных углах.
В функции перевода теперь правильно ориентированная известная модель может быть правильно позиционирована путем перевода ее в правильные координаты внутри асимметричного блока. Это достигается путем перемещения модели, расчета новой карты Паттерсона и сравнения ее с картой Паттерсона, полученной из неизвестного источника. Этот поиск методом грубой силы требует больших вычислительных затрат, и в настоящее время все чаще используются функции быстрого перевода. Позиции с высокой корреляцией выводятся в декартовых координатах .
С улучшением прогнозирования структуры белков de novo многие протоколы, включая MR-Rosetta, QUARK, AWSEM-Suite и I-TASSER-MR, могут генерировать множество нативных структур-ловушек, которые полезны для решения фазовой проблемы путем молекулярной замены. [3]
После этого у нас должны быть правильно ориентированные и преобразованные модели фазировки, из которых мы можем вывести фазы, которые (надеюсь) будут достаточно точными, чтобы построить карты электронной плотности. Их можно использовать для построения и уточнения атомной модели нашей неизвестной структуры.
