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什么是晶体结构模型中的温度因子(B因子)?它反映了什么?

在晶体学中,原子位置的不确定性随着蛋白质晶体的无序而增加。这种无序主要有2方面,静态的和动态。分辨率代表所有原子的平均不确定度。相反,温度值(也称为温度系数或B系数)可量化每个原子的不确定性。在蛋白质晶体的典型分辨率下(无法从B值中区分出占有率),一个高的温度值反映了低的电子密度。通常温度值在30平方埃以下,说明其位置是可信的;当温度因子高于60平方埃,则表示无序。温度值记录在原子坐标文件中。 在PDB文件格式中,它是每个ATOM和HETATM记录中的最后一个数字值(第61-66列)。 

什么是温度因子?

温度因子(也称为温度值,B因子,B值或Debye-Waller因子):一个可以应用于每个原子(或原子组)的因子,它描述了电子密度的弥散程度。而理论上,B因子表明了原子的静态或者动态灵活性,它还可以指示模型构建中的错误。B因子与原子的均方位移(U)的平方成正比;随着U增加,B因子也增加,原子对散射的贡献减小了。如果原子在模型中的位置不正确,则它们的B因子将高于附近正确放置的原子。如果某原子的B因子为15平方埃,那么说明该原子从平衡位置的均方位移约为0.44埃;而如果某个原子的均方位移为0.87埃,则对应的B因子为60平方埃。作为对比,碳原子的范德华直径为3.4-3.7Å,共价碳-碳键的长度为1.5Å。

前文提到了静态和动态无序,它们是什么?

静态无序:分子的某些区域在不同的拷贝中有着不同的构象。

动态无序:每个分子拷贝的一些区域可能会受热而运动,它们相对于其余位置而摆动。当用液氮非常快速地冻结晶体时,大的热运动就会停止,这是进行X光衍射前的一般步骤。通常,蛋白质晶体在被X光照射时会保持在冰点以下,尽管辐照会使晶体变热,从而产生一些热运动。

分子的某些区域可能具有较高的平均无序度,而其他区域则具有较低的平均无序度。 通常,链的末端具有较高的平均无序度,因此,其位置比有序紧密堆积结构域核心残基的位置显得不那么确定。体现在B值上,就是B值比较大。

因此,B因子除了跟晶体质量,衍射数据分辨率有关,还跟蛋白本身的一些性质有关。

B因子与坐标误差什么关系?

晶体中的无序体现在衍射数据的较低分辨率。坐标中的无序可以通过为每个原子计算B因子而得以体现。B因子和坐标误差之间没有直接关系。如果我们获得了原子分辨率水平的电子密度,就能推断原子的平均位置,即使该原子具有较高的B因子(即模糊的稀薄电子云的中心,而不是紧密的致密电子云的中心)。晶体中较高的无序度会导致衍射数据的分辨率降低,从而导致较高的坐标误差。同时,模型的平均B因子较高,反映了晶体的整体无序性,因此总坐标误差和总B因子将相关。对于具有较高无序性的单个原子或结构区域,在构建模型时出现系统误差的可能性更高,因此,高B因子和高坐标误差的这种相关性也延伸到蛋白质的单独区域。

通常,蛋白链的末端或者表面loops会出现较大的无序,从而根本无法确认原子位置,从而导致缺失原子的出现。也就是说,这些残基存在于结晶的蛋白质中,但是在原子模型中没有坐标,因为它们的电子密度太不清楚了。除了原子模型中缺少整个残基之外,有时候即使存在主链原子,侧链原子也可能会丢失(由于无序)。在PDB文件中,缺失的残基会以REMARK 465列出,而缺失的原子以REMARK 470列出。

在PDB文件格式中,不仅为每个原子提供X,Y和Z笛卡尔坐标,而且紧随其后还提供了两个附加值分别称为占用率和温度值(也称为各向同性B值(isotropic B value),温度系数,德拜-沃勒系数或 B因子)。如果一条链的末端以相等的概率采用两个稳定位置中的任何一个,则每个位置的占用率为50%。温度因子则用来量化热运动水平。但是这两种无序不能仅仅通过晶体衍射数据来区分。因此,占用率通常为1,即100%。而温度值字段则用来体现包含上述两种无序的电子密度图中的模糊程度。

另外,NMR模型中原子的不确定性不是通过温度因子来体现的。

综上所述,温度因子是衡量原子位置不确定性的一种方法,体现了晶体中原子电子密度的“模糊度”( diffusion) ,这个“模糊度”实际上反映了蛋白质分子在晶体中的构象状态。温度因子越高,相应部位的构象就越不稳定。另外,温度因子还跟晶体数据的分辨率有关,如果分辨率越差,蛋白整体温度因子越高,坐标误差也越大。

温度因子和分辨率的关系

简单而言,温度因子(B因子)是衡量晶体结构中原子位置不确定性的一种方法。分辨率则是衡量晶体中分子堆积中的无序度。分辨率是模型中所有原子不确定性的平均度量。一般来说,温度因子与分辨率正相关:分辨率数值越高(分辨率越差),则蛋白整体温度因子也越高。

参考资料

http://proteopedia.org/wiki/index.php/Temperature_value

http://proteopedia.org/wiki/index.php/Temperature_value_vs._resolution

Souce: 纽普生物    2019-11-18