Просмотр PCXs

Формат изображений PDB (Банк данных о белках) не является традиционным форматом «изображений», таким как JPEG или PNG, а скорее форматом данных, который хранит трехмерную структурную информацию о белках, нуклеиновых кислотах и сложных сборках. Формат PDB является краеугольным камнем биоинформатики и структурной биологии, поскольку он позволяет ученым визуализировать, обмениваться и анализировать молекулярные структуры биологических макромолекул. Архив PDB управляется Всемирным банком данных о белках (wwPDB), который гарантирует, что данные PDB являются бесплатными и общедоступными для мирового сообщества.

Формат PDB был впервые разработан в начале 1970-х годов для удовлетворения растущей потребности в стандартизированном методе представления молекулярных структур. С тех пор он эволюционировал, чтобы вместить широкий спектр молекулярных данных. Формат основан на тексте и может быть прочитан как людьми, так и обработан компьютерами. Он состоит из серии записей, каждая из которых начинается с шестизначного идентификатора строки, который указывает тип информации, содержащейся в этой записи. Записи содержат подробное описание структуры, включая атомные координаты, связность и экспериментальные данные.

Типичный файл PDB начинается с заголовка, который включает метаданные о структуре белка или нуклеиновой кислоты. Этот раздел содержит такие записи, как TITLE, которая дает краткое описание структуры; COMPND, который перечисляет химические компоненты; и SOURCE, который описывает происхождение биологической молекулы. Заголовок также включает запись AUTHOR, которая перечисляет имена людей, определивших структуру, и запись JOURNAL, которая содержит ссылку на литературу, в которой структура была впервые описана.

После заголовка файл PDB содержит информацию о первичной последовательности макромолекулы в записях SEQRES. Эти записи перечисляют последовательность остатков (аминокислот для белков, нуклеотидов для нуклеиновых кислот) в том виде, в котором они появляются в цепи. Эта информация имеет решающее значение для понимания взаимосвязи между последовательностью молекулы и ее трехмерной структурой.

Записи ATOM, пожалуй, являются самой важной частью файла PDB, поскольку они содержат координаты для каждого атома в молекуле. Каждая запись ATOM включает порядковый номер атома, название атома, название остатка, идентификатор цепи, порядковый номер остатка и декартовы координаты x, y и z атома в ангстремах. Записи ATOM позволяют восстановить трехмерную структуру молекулы, которую можно визуализировать с помощью специализированного программного обеспечения, такого как PyMOL, Chimera или VMD.

В дополнение к записям ATOM существуют записи HETATM для атомов, которые являются частью нестандартных остатков или лигандов, таких как ионы металлов, молекулы воды или другие небольшие молекулы, связанные с белком или нуклеиновой кислотой. Эти записи имеют такой же формат, как и записи ATOM, но отличаются для облегчения идентификации немакромолекулярных компонентов в структуре.

Информация о связности предоставляется в записях CONECT, которые перечисляют связи между атомами. Эти записи не являются обязательными, поскольку большинство программ для визуализации и анализа молекул могут выводить связность на основе расстояний между атомами. Однако они имеют решающее значение для определения необычных связей или для структур с комплексами координации металлов, где связь может быть неочевидной только из атомных координат.

Формат PDB также включает записи для указания элементов вторичной структуры, таких как альфа-спирали и бета-листы. Записи HELIX и SHEET идентифицируют эти структуры и предоставляют информацию об их расположении в последовательности. Эта информация помогает понять закономерности сворачивания макромолекулы и необходима для сравнительных исследований и моделирования.

Экспериментальные данные и методы, используемые для определения структуры, также документируются в файле PDB. Такие записи, как EXPDTA, описывают экспериментальную технику (например, рентгеновскую кристаллографию, ЯМР-спектроскопию), в то время как записи REMARK могут содержать самые разные комментарии и аннотации о структуре, включая подробности о сборе данных, разрешении и статистике уточнения.

Запись END обозначает конец файла PDB. Важно отметить, что, хотя формат PDB широко используется, он имеет некоторые ограничения из-за своего возраста и формата с фиксированной шириной столбца, что может привести к проблемам с современными структурами, которые имеют большое количество атомов или требуют большей точности. Для устранения этих ограничений был разработан обновленный формат под названием mmCIF (макромолекулярный кристаллографический информационный файл), который предлагает более гибкую и расширяемую структуру для представления макромолекулярных структур.

Несмотря на разработку формата mmCIF, формат PDB остается популярным благодаря своей простоте и большому количеству программных инструментов, которые его поддерживают. Исследователи часто конвертируют между форматами PDB и mmCIF в зависимости от своих потребностей и используемых инструментов. Долговечность формата PDB свидетельствует о его фундаментальной роли в области структурной биологии и его эффективности в передаче сложной структурной информации относительно простым способом.

Для работы с файлами PDB ученые используют различные вычислительные инструменты. Программное обеспечение для визуализации молекул позволяет пользователям загружать файлы PDB и просматривать структуры в трех измерениях, вращать их, увеличивать и уменьшать масштаб и применять различные стили рендеринга для лучшего понимания пространственного расположения атомов. Эти инструменты часто предоставляют дополнительные функции, такие как измерение расстояний, углов и двугранных углов, моделирование молекулярной динамики и анализ взаимодействий внутри структуры или с потенциальными лигандами.

Формат PDB также играет решающую роль в вычислительной биологии и разработке лекарств. Структурная информация из файлов PDB используется в гомологичном моделировании, где известная структура родственного белка используется для прогнозирования структуры интересующего белка. В структурированном дизайне лекарств файлы PDB целевых белков используются для скрининга и оптимизации потенциальных лекарственных соединений, которые затем могут быть синтезированы и протестированы в лаборатории.

Влияние формата PDB выходит за рамки отдельных исследовательских проектов. Сам Банк данных о белках представляет собой репозиторий, который в настоящее время содержит более 150 000 структур, и он продолжает расти по мере определения и депонирования новых структур. Эта база данных является бесценным ресурсом для образования, позволяя студентам изучать и узнавать о структурах биологических макромолекул. Он также служит исторической записью прогресса в структурной биологии за последние десятилетия.

В заключение, формат изображений PDB является важным инструментом в области структурной биологии, предоставляя средства для хранения, обмена и анализа трехмерных структур биологических макромолекул. Несмотря на некоторые ограничения, его широкое распространение и разработка богатой экосистемы инструментов для его использования гарантируют, что он останется ключевым форматом в обозримом будущем. По мере развития области структурной биологии формат PDB, вероятно, будет дополнен более продвинутыми форматами, такими как mmCIF, но его наследие сохранится как основа, на которой строится современная структурная биология.