DE19727437A1 - Improving the structure determination of biological aggregates in X-ray crystallography - Google Patents
Improving the structure determination of biological aggregates in X-ray crystallographyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft neue kristalline Schwermetall-Clusterverbindungen und deren kristallographische Daten sowie die Verwendung dieser kristallogra phischen Daten in der Röntgenstrukturanalyse, insbesondere Verbes serungen bei der Strukturbestimmung von biologischen Molekülen. Mit Hilfe dieser Methode kann auch die Identifizierung von Effektoren für solche biologischen Moleküle verbessert werden.The invention relates to new crystalline heavy metal cluster compounds and their crystallographic data and the use of this crystallograph phical data in X-ray structure analysis, especially Verbes changes in the structure determination of biological molecules. With help This method can also be used to identify effectors for such biological molecules are improved.
Schwermetall-Clusterverbindungen haben eine große Bedeutung für die Analyse biologischer Strukturen, insbesondere für die Strukturbestimmung großer Proteinsysteme. Sie werden in der makromolekularen Kristallographie zur Zuordnung von Phasen für die gemessenen Strukturfaktoramplituden verwendet (vgl. z. B. Thygesen et al., Structure 4 (1996), 513-518). Durch Einfügung dieser elektronenreichen Verbindungen in die Proteinkristalle werden meßbare Änderungen in den Reflexintensitäten erzeugt, wodurch eine Phasenbestimmung ermöglicht wird.Heavy metal cluster compounds are of great importance for that Analysis of biological structures, especially for structure determination large protein systems. They are used in macromolecular crystallography to assign phases for the measured structure factor amplitudes used (see e.g. Thygesen et al., Structure 4 (1996), 513-518). By Insertion of these electron-rich compounds into the protein crystals measurable changes in the reflection intensities are generated, whereby a phase determination is made possible.
Elemente der zweiten und dritten Übergangsgruppe, z. B. Niob und Tantal, bilden in ihren niedrigen Oxidationszuständen eine Reihe von Metallatom- Clusterverbindungen, von denen beispielsweise die M6Hal12 2+ Spezies leicht zugänglich sind. Ta6Br12 2+ und Ta6Cl12 2+-Cluster sind für die Protein kristallographie besonders geeignet, da sie elektronenreich, stabil und wasserlöslich sind. Vor allem der Ta6Br12 2+-Cluster ist bei niedriger Auflösung durch Analyse der Differenz-Patterson-Funktion leicht lokalisier bar. Elements of the second and third transition groups, e.g. B. niobium and tantalum, in their low oxidation states form a series of metal atom cluster compounds, of which, for example, the M 6 Hal 12 2+ species are easily accessible. Ta 6 Br 12 2+ and Ta 6 Cl 12 2+ clusters are particularly suitable for protein crystallography because they are electron-rich, stable and water-soluble. Above all, the Ta 6 Br 12 2+ cluster can be easily localized at low resolution by analyzing the difference Patterson function.
Bereits 1910 wurde eine Tantalbromidverbindung mit der Formel Ta6Br14×7 H2O hergestellt (Chapin, J. Am. Chem. Soc. 32 (1910), 323- 326). Pauling und Mitarbeiter schlugen im Jahr 1950 für den Ta6Br12 2+- Cluster eine Struktur vor, in der sechs Tantalatome an den Ecken eines regulären Oktaeders positioniert und durch 12 Bromatome über die 12 Kanten des Oktaeders verbrückt sind (Vaughan et al., J. Am. Chem. Soc. 72 (1950), 5477-5486). Exakte kristallographische Daten für den Ta6Br12 2+- Cluster sind jedoch nicht bekannt, da eine für die Strukturbestimmung erforderliche Herstellung von Kristallen bisher nicht geglückt ist.A tantalum bromide compound with the formula Ta 6 Br 14 × 7 H 2 O was already produced in 1910 (Chapin, J. Am. Chem. Soc. 32 (1910), 323-326). In 1950 Pauling and co-workers proposed a structure for the Ta 6 Br 12 2+ cluster in which six tantalum atoms are positioned at the corners of a regular octahedron and bridged by 12 bromine atoms over the 12 edges of the octahedron (Vaughan et al., J. Am. Chem. Soc. 72 (1950), 5477-5486). Exact crystallographic data for the Ta 6 Br 12 2+ cluster are not known, however, since the preparation of crystals required for the structure determination has so far not been successful.
Der Ta6Br12 2+-Cluster wurde dennoch bereits erfolgreich zur Auflösung der Strukturen von großen Proteinaggregaten wie etwa dem Proteasom mit 673 kd (Loewe et al., Science 268 (1995), 533-539); der Transketolase mit 680 Aminosäureresten pro asymmetrischer Einheit (Lindqvist et al., EMBO J. 11 (1992), 2373-2379) der Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase/ Oxygenase mit 550 kd (Andersson et al., Nature 337 (1989), 229-234), der GTP-Cyclohydrolase I, einem Homodecamer mit 250 kd (Nar et al., Structure 3 (1995), 459-466) und der Dimethylsulfoxidreduktase mit 86 kd (Schneider et al., J. Mol. Biol. 263 (1996), 53-69) verwendet. Hierbei wurde der Cluster bisher als einzelnes Streuzentrum behandelt, was jedoch bei einer höheren Auflösung (d. h. höher als 0,6 nm) nur unbefriedigende Ergebnisse zeigt. Die Verwendung eines Modells, in dem der Cluster als Ta6- Oktaeder, d. h. als mehrere Streuzentren bzw. Ensemble von mehreren Punktstreuern, in zufälliger Orientierung mit seinem Schwerpunkt an der Position des einzelnen Streuzentrums behandelt wird, führte zwar zu einer verbesserten Phasenbestimmung (Schneider und Linqvist, Acta Cryst. D 50 (1994), 186-191 und Stanford, Acta Cryst. 15 (1962), 805-806). Dennoch hat auch diese Methode den Nachteil, daß eine präzise Bestimmung der Clusterorientierung aufgrund fehlender exakter kristallographischer Daten bisher nicht gelungen ist.The Ta 6 Br 12 2+ cluster has nevertheless already been successful in dissolving the structures of large protein aggregates such as the proteasome with 673 kd (Loewe et al., Science 268 (1995), 533-539); the transketolase with 680 amino acid residues per asymmetric unit (Lindqvist et al., EMBO J. 11 (1992), 2373-2379) the ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase with 550 kd (Andersson et al., Nature 337 ( 1989), 229-234), the GTP cyclohydrolase I, a 250 kd homodecamer (Nar et al., Structure 3 (1995), 459-466) and the 86 kd dimethyl sulfoxide reductase (Schneider et al., J. Mol Biol. 263 (1996), 53-69). Up to now, the cluster has been treated as a single scattering center, which, however, shows only unsatisfactory results at a higher resolution (ie higher than 0.6 nm). The use of a model in which the cluster is treated as a Ta 6 octahedron, i.e. as several scattering centers or an ensemble of several point spreaders, in a random orientation with its focus at the position of the individual scattering center led to an improved phase determination (Schneider and Linqvist, Acta Cryst. D 50 (1994), 186-191 and Stanford, Acta Cryst. 15 (1962), 805-806). Nevertheless, this method also has the disadvantage that a precise determination of the cluster orientation has so far not been possible due to the lack of exact crystallographic data.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand darin, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu beseitigen. Insbesondere sollten neue kristallisierte Tantalhalogenid-Clusterverbindungen sowie verbesserte Verfahren zur Strukturermittlung von makromolekularen Verbindungen durch röntgenkristallographische Methoden unter Ver wendung von Schwermetallclusterverbindungen bereitgestellt werden.One object underlying the present invention was to at least partially eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, new crystallized tantalum halide cluster compounds and improved methods for structure determination of macromolecular Connections by X-ray crystallographic methods under Ver Heavy metal cluster compounds are provided.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch kristalline Verbindungen
der Formel:
The object of the invention is achieved by crystalline compounds of the formula:
[Ta6Hal12 (H2On)]2+X1⁻X2⁻.m H2O
[Ta 6 Hal 12 (H 2 O n )] 2+ X 1 ⁻X 2 ⁻.m H 2 O
worin Hal ein Halogenidion ausgewählt aus Cl⁻ und Br⁻ ist,
X1⁻ und X2⁻ jeweils ein einfach negativ geladenes Anion bedeuten,
n eine Zahl von 0 bis 6 bedeutet und
m eine Zahl von 0 bis 6 bedeutet.wherein Hal is a halide ion selected from Cl⁻ and Br⁻,
X 1 ⁻ and X 2 ⁻ each represent a single negatively charged anion,
n is a number from 0 to 6 and
m represents a number from 0 to 6.
Vorzugsweise bedeutet Hal in der erfindungsgemäßen Verbindung Br. X1⁻ und X2⁻ sind beliebige einfach negativ geladene anorganische oder orga nische Anionen. Bevorzugt werden X1- und X2- aus Br⁻ und OH⁻ ausgewählt. Am meisten bevorzugt hat die erfindungsgemäße kristalline Verbindung die Formel [Ta6Br12 (H2O)6]2+Br⁻OH⁻×5 H2O.Hal preferably means in the compound Br according to the invention. X 1 ⁻ and X 2 ⁻ are any simply negatively charged inorganic or organic anions. X 1 - and X 2 - are preferably selected from Br⁻ and OH⁻. Most preferably, the crystalline compound of the invention has the formula [Ta 6 Br 12 (H 2 O) 6 ] 2+ Br⁻OH⁻ × 5 H 2 O.
Durch die vorliegende Erfindung konnte erstmals eine Kristallisation des Ta6Br12 2+ Clusters erreicht werden und zwar in einer gesättigten Lösungs mittelatmosphäre. Dabei wurden für die Röntgenstrukturanalyse geeignete Einkristalle in Form von grünen Plättchen mit Dimensionen bis zu 300 µm erhalten, deren Kristallstruktur durch Röntgendiffraktionsanalyse bei einer Auflösung im atdmaren Bereich bestimmt werden konnte. Der Cluster ist ein regulärer Oktaeder, der aus 6 Metallatomen mit 12 verbrückenden Brom atomen entlang der 12 Kanten des Oktaeders besteht. Der Cluster ist kompakt, von etwa kugelförmiger Gestalt mit etwa 0,43 nm Radius und weist eine hohe Symmetrie auf. Die Kristallstrukturdaten sind in Tabelle 1 gezeigt.By means of the present invention, crystallization of the Ta 6 Br 12 2+ cluster could be achieved for the first time, specifically in a saturated solvent atmosphere. Suitable single crystals for X-ray structure analysis were obtained in the form of green platelets with dimensions up to 300 µm, the crystal structure of which could be determined by X-ray diffraction analysis with resolution in the atmospheric region. The cluster is a regular octahedron consisting of 6 metal atoms with 12 bridging bromine atoms along the 12 edges of the octahedron. The cluster is compact, of approximately spherical shape with a radius of approximately 0.43 nm and has a high degree of symmetry. The crystal structure data are shown in Table 1.
Durch die erfindungsgemäße Kristallisation des Ta6Br12 2+ Clusters werden erstmals genaue kristallographische Strukturdaten dieser Verbindung bereitgestellt. Diese Strukturdaten können in der Röntgenkristallographie verwendet werden, insbesondere um die Phasenbestimmung in Kristallen von biologischen Molekülen wie etwa von Proteinmolekülen zu verbessern. Weiterhin kann aufgrund des verbesserten Strukturbestimmungsverfahrens auch eine einfachere Identifizierung von Effektoren für biologische Moleküle erreicht werden.The crystallization of the Ta 6 Br 12 2+ cluster according to the invention provides precise crystallographic structural data of this compound for the first time. This structural data can be used in X-ray crystallography, in particular to improve the phase determination in crystals of biological molecules such as protein molecules. Furthermore, the improved structure determination method also makes it easier to identify effectors for biological molecules.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen kristallographischen Daten des Ta6Br12 2+-Clusters bei Untersuchungen an einer Reihe von Proteinmolekülen, wie etwa einer Antikörper VL-Domäne und der DMSOR kann eine deutlich vereinfachte Lösung der Struktur durch Verfügbarkeit von verbesserten Phasierungsstatistiken der initialen Phasen gegenüber bekannten Verfahren erreicht werden. Dabei kann der Cluster als ein Ensemble von 18 Punkt- Streuern (6 Ta- und 12 Br-Atome) in die Modellberechnung eingesetzt werden, wodurch eine Phasenbestimmung mit einer deutlich besseren Auflösung als 0,6 nm durchführbar ist. Darüber hinaus ist es möglich, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kristalldaten sogar die korrekte Orientierung des Clusters innerhalb biologischer Strukturen zu ermitteln, wodurch eine noch weitere Verbesserung der initialen Phasen erreicht werden kann. So wurde bei Analyse von Kristallen zweier unterschiedlicher Proteine (Antikörper VL-Domäne und DMSOR) gezeigt, daß der Phasenfehler bei Verwendung des erfindungsgemäßen Phasierungsverfahrens um mehr als 30° geringer als bei der Einzelpunkt-Berechnung unter Verwendung einer Auflösung von 0,22 nm ist.Using the crystallographic data of the Ta 6 Br 12 2+ cluster according to the invention in investigations on a number of protein molecules, such as an antibody V L domain and the DMSOR, a significantly simplified solution to the structure can be compared by the availability of improved phasing statistics for the initial phases known methods can be achieved. The cluster can be used as an ensemble of 18 point scatterers (6 Ta and 12 Br atoms) in the model calculation, whereby a phase determination can be carried out with a significantly better resolution than 0.6 nm. In addition, it is possible to determine the correct orientation of the cluster within biological structures using the crystal data according to the invention, whereby a further improvement of the initial phases can be achieved. Thus, when analyzing crystals of two different proteins (antibody V L domain and DMSOR) it was shown that the phase error when using the phasing method according to the invention is more than 30 ° less than when calculating the single point using a resolution of 0.22 nm .
Eine weitere Möglichkeit der Verwendung der erfindungsgemäßen kristallo graphischen Daten für den Ta6Br12 2+ Cluster ist beispielsweise das MAD- Verfahren (multiple wavelength anomalous dispersion) die Multiwellen längen-Anomaliedispersion (MAD), da der Cluster zwei Arten von Atomen mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften enthält, nämlich Ta (LIII Kante 0,125 nm) und Br (K Kante 0,095 nm), die jeweils ein signifikant anomales Signal aufweisen. Bei Verwendung der MAD Technik ist ein Kristall ausreichend, um Phasen zu erhalten, vorausgesetzt, daß keine Strahlungsschäden während des Messens von Datensätzen bei verschiede nen Wellenlängen auftreten. Hierzu können beispielsweise kryogene Kühlvorrichtungen eingesetzt werden.A further possibility of using the crystallographic data according to the invention for the Ta 6 Br 12 2+ cluster is, for example, the MAD method (multiple wavelength anomalous dispersion), the multi-wavelength anomaly dispersion (MAD), since the cluster has two types of atoms with different absorption properties contains, namely Ta (L III edge 0.125 nm) and Br (K edge 0.095 nm), each of which has a significantly abnormal signal. When using the MAD technique, a crystal is sufficient to obtain phases, provided that no radiation damage occurs during the measurement of data records at different wavelengths. For example, cryogenic cooling devices can be used for this purpose.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Strukturermittlung einer makromolekularen Verbindung durch Röntgen
kristallographie, dadurch gekennzeichnet, daß man
Another object of the present invention is a method for determining the structure of a macromolecular compound by X-ray crystallography, characterized in that
- (a) ein Derivat der Verbindung mit einem symmetrischen Schwermetall cluster herstellt,(a) a derivative of the compound with a symmetrical heavy metal cluster creates,
- (b) die korrekte Bindungsstelle eines Schwermetallclusters in dem Derivat bestimmt und(b) the correct binding site of a heavy metal cluster in the derivative determined and
- (c) die korrekte Orientierung eines Schwermetallclusters innerhalb des Derivats an der Bindungsstelle bestimmt.(c) the correct orientation of a heavy metal cluster within the Derivative determined at the binding site.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Phasenbestimmung biologischer Moleküle, insbesondere von Proteinmolekülen geeignet. Geeignete symmetrische Schwermetallcluster, die in diesem Verfahren eingesetzt werden können, sind beispielsweise Ta6Cl12 2+ oder Ta6Br12 2+. Besonders bevorzugt ist Ta6Br12 2+.The method according to the invention is particularly suitable for the phase determination of biological molecules, in particular of protein molecules. Suitable symmetrical heavy metal clusters that can be used in this process are, for example, Ta 6 Cl 12 2+ or Ta 6 Br 12 2+ . Ta 6 Br 12 2+ is particularly preferred.
Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Bestimmung der korrekten Bindungsstelle eines Schwermetallclusters in dem Derivat. Falls mehrere Schwermetallcluster sich spezifisch an die zu bestimmende Verbindung anlagern, könnten in diesem Verfahrensschritt mehrere Bindungsstellen bestimmt werden, sofern gewünscht. Die Bestimmung der Bindungsstelle kann nach bekannten Methoden, beispielsweise durch Analyse der Differenz-Patterson-Funktion erfolgen. Hierzu können kon ventionelle Computerprogrammpakete z. B. die Programme PROTEIN oder CCP4 verwendet werden.Step (b) of the method according to the invention comprises determining the correct binding site of a heavy metal cluster in the derivative. If several heavy metal clusters are specific to the one to be determined Attach connection, several could in this step Binding sites can be determined if desired. The determination of Binding site can by known methods, for example by Analysis of the difference Patterson function done. For this, con conventional computer program packages e.g. B. the PROTEIN or CCP4 can be used.
Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Bestimmung der korrekten Orientierung eines Schwermetallclusters an der Bindungsstelle, was die Verwendung des Clusters als Ensemble von mehreren Punkt streuern voraussetzt. Dabei wird die Clusterorientierung mit Hilfe von "Molecular Replacement"-Methoden unter Verwendung von Differenzen der Strukturfaktoramplituden aus dem nativen und derivativen Datensatz bestimmt. Vorzugsweise werden alle Schweratome des Clusters in die Berechnung einbezogen.Step (c) of the method according to the invention comprises determining the correct orientation of a heavy metal cluster at the binding site, what the use of the cluster as a multi-point ensemble spreading requires. The cluster orientation is determined with the help of "Molecular Replacement" methods using differences of the Structure factor amplitudes from the native and derivative data set certainly. Preferably, all heavy atoms of the cluster are in the Calculation included.
Die Bestimmung der optimalen Orientierung erfolgt vorzugsweise durch Berechnung von Strukturfaktoramplituden in mehreren möglichen räumlichen Orientierungen des Clustermodells und Ermittlung der optimalen räumlichen Orientierung durch Minimalisierung der Differenz zwischen den Daten der theoretisch resultierenden Strukturen und der praktisch gemessenen Struktur. Hierzu wird der Cluster vorzugsweise um mindestens eine von drei Raumachsen, besonders bevorzugt um alle drei Raumachsen, in mehreren Stufen gedreht. Beispielsweise kann die Drehung des Clusters in Stufen von 10 bis 30°, vorzugsweise in Stufen von etwa 15° vorgenommen werden. An mehreren dieser Stufen erfolgt eine Berechnung von Strukturfaktoram plituden. Aus den resultierenden Daten kann dann die optimale räumliche Orientierung des Clusters ermittelt werden, vorzugsweise durch Bestimmung des R-Faktors oder/und des Patterson-Korrelationswerts. Ein Maximum des Patterson-Korrelationswerts, der eine Differenz zwischen theoretischer und praktisch gemessener Struktur ausdrückt, entspricht derjenigen Orientie rung, die der realen Orientierung des Clusters im Verbindungsderivat entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann die reale Orientierung des Schwermetallclusters auch über ein Minimum des R-Faktors ermittelt werden. Zur Durchführung solcher Berechnungen existieren geeignete Computerprogrammpakete, z. B. die Programmpakete X-PLOR, AMoRe oder GLRF. Besonders bevorzugt ist das Programmpaket X-PLOR.The optimal orientation is preferably determined by Calculation of structure factor amplitudes in several possible spatial Orientations of the cluster model and determination of the optimal spatial Orientation by minimizing the difference between the dates of the theoretically resulting structures and the practically measured ones Structure. For this purpose, the cluster is preferably increased by at least one out of three Space axes, particularly preferably around all three space axes, in several Steps turned. For example, the rotation of the cluster can be in steps of 10 to 30 °, preferably in steps of about 15 °. Structure factor am is calculated at several of these stages flounder. The optimal spatial can then be obtained from the resulting data Orientation of the cluster can be determined, preferably by determination of the R factor and / or the Patterson correlation value. A maximum of Patterson correlation value, which is a difference between theoretical and expressed practically measured structure corresponds to that Orientie the real orientation of the cluster in the compound derivative corresponds. Alternatively or additionally, the real orientation of the Heavy metal clusters also determined via a minimum of the R factor will. Suitable calculations exist for performing such calculations Computer program packages, e.g. B. the program packages X-PLOR, AMoRe or GLRF. The X-PLOR program package is particularly preferred.
Bei Bindung mehrerer Schwermetallclustermoleküle an die zu bestimmende makromolekulare Verbindung kann die Bestimmung der Clusterorientierung für jeden Cluster entweder unabhängig oder in Korrelation miteinander durchgeführt werden.When several heavy metal cluster molecules bind to the one to be determined Macromolecular connection can help determine cluster orientation for each cluster either independently or in correlation with each other be performed.
Weiterhin soll die vorliegende Erfindung durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert werden.The present invention is further intended to be illustrated by the following examples are explained in more detail.
Ein Quarz-Reaktionsgefäß wurde im Vakuum entgast und unter Stickstoff mit 16,25 g (28 mmol) Tantalpentabromid, 4,76 g (40 mmol) Kaliumbromid und 18,1 g (100 mmol) Tantalpulver gefüllt. Nach sorgfältigem Mischen wurde das Reaktionsgefäß vakuumversiegelt, innerhalb 10 h auf 700°C erhitzt und für weitere 15 h bei 700°C gehalten. Das Produkt dieser Reaktion, K4Ta6Br18, wurde mit vier 250 ml Portionen Wasser extrahiert, filtriert und mit einem gleichen Volumen an konzentrierter Bromwasserstoff säure unter Rühren und Erhitzen auf 80°C behandelt.A quartz reaction vessel was degassed in vacuo and filled with 16.25 g (28 mmol) tantalum pentabromide, 4.76 g (40 mmol) potassium bromide and 18.1 g (100 mmol) tantalum powder under nitrogen. After thorough mixing, the reaction vessel was vacuum sealed, heated to 700 ° C within 10 h and held at 700 ° C for a further 15 h. The product of this reaction, K 4 Ta 6 Br 18 , was extracted with four 250 ml portions of water, filtered and treated with an equal volume of concentrated hydrobromic acid with stirring and heating to 80 ° C.
Um eine Oxidation des Clusters in den folgenden Schritten durch Luft zu verhindern, wurde die dunkelgrüne Lösung mit Argon gesättigt, versiegelt und für zwei Stunden bei 4°C aufbewahrt. Das Präzipitat wurde bei 11.000 g in einem JA10 Rotor (Beckmann) zentrifugiert und das erhaltene Produkt im Vakuum über Phosphorpentoxid getrocknet. To air oxidation of the cluster in the following steps prevent, the dark green solution was saturated with argon, sealed and stored at 4 ° C for two hours. The precipitate was at Centrifuged 11,000 g in a JA10 rotor (Beckmann) and the obtained Product dried in a vacuum over phosphorus pentoxide.
Eine wäßrige Lösung des dunkelgrünen Pulvers wurde verwendet, um geeignete Bedingungen für eine Kristallisation durch Verdampfen zu ermitteln. Beim Trocknen zersetzten sich jedoch alle Kristalle.An aqueous solution of the dark green powder was used to suitable conditions for crystallization by evaporation determine. However, all crystals decomposed on drying.
Eine Kristallisation konnte hingegen unter Verwendung der Sitztropfen- Dampfdiffusionsmethode aus Tropfen, die 3 µl Ta6Br14 Lösung (2 mg/ml in Wasser) equilibriert gegen ein 1 ml einer wäßrigen Ta6Br14 Reservoirlösung (50 mg/ml) erreicht werden. Versuche zur Analyse dieser Kristalle durch kristallographische Standardtechniken für anorganische Verbindungen führten zur Zersetzung. Um dieses Problem zu überwinden, wurden die Kristalle in einer Glaskapillare in Gegenwart des Reservoirpuffers analysiert.In contrast, crystallization could be achieved using the Sitztropfen vapor diffusion method from drops which equilibrated 3 μl Ta 6 Br 14 solution (2 mg / ml in water) against a 1 ml of an aqueous Ta 6 Br 14 reservoir solution (50 mg / ml). Attempts to analyze these crystals by standard crystallographic techniques for inorganic compounds led to decomposition. To overcome this problem, the crystals were analyzed in a glass capillary in the presence of the reservoir buffer.
Die kristallographischen Daten wurden auf einem Nonius CAD4 Diffraktome ter unter Verwendung von Graphit-monochromatisierter CuKα Strahlung aus einem Drehanodengenerator RU200 (Rigaku, Tokio, Japan) erhalten, der mit 5,4 kW mit einem Kristall der Ausmaße 0,15 mm × 0,11 mm × 0,08 mm betrieben wurde. Die Raumgruppe der Kristalle ist P1 mit a = 0,9475 nm, b=0,9631 nm, c=1,0571 nm, α=69,14°, β=82,42°, γ=62,69°. Es wurden 2717 unabhängige Reflexe im Bereich von 4 < < 65°C bis zu einer Auflösung von 0,0851 nm erhalten. Eine empirische Absorptions korrektur unter Verwendung der Psi-Scan-Methode wurde auf alle Reflexe angewendet.The crystallographic data were obtained on a Nonius CAD4 diffractometer using graphite-monochromatized CuK α radiation from a rotating anode generator RU200 (Rigaku, Tokyo, Japan), which with 5.4 kW with a crystal of the dimensions 0.15 mm × 0, 11 mm × 0.08 mm was operated. The space group of the crystals is P1 with a = 0.9475 nm, b = 0.9631 nm, c = 1.0571 nm, α = 69.14 °, β = 82.42 °, γ = 62.69 °. 2717 independent reflections in the range from 4 <<65 ° C. to a resolution of 0.0851 nm were obtained. An empirical absorption correction using the psi-scan method was applied to all reflexes.
Die chemische Zusammensetzung des kristallinen Materials wurde aus der Elektronendichte abgeleitet und ist, wie im folgenden diskutiert, nicht völlig eindeutig. Die Struktur wurde durch direkte Methoden mit Hilfe des Programms SHELXS-86 (Sheldrick, Acta Cryst. A. 46 (1990), 467-473) aufgelöst und durch eine Weiterentwicklung dieses Programms verfeinert. Der endgültige R-Faktor, der alle Reflexe berücksichtigte, war 0,0763. The chemical composition of the crystalline material was derived from the Derived electron density and, as discussed below, is not complete clearly. The structure was determined by direct methods using the SHELXS-86 program (Sheldrick, Acta Cryst. A. 46 (1990), 467-473) dissolved and refined by further development of this program. The final R factor, taking into account all reflections, was 0.0763.
In einer Einheitszelle liegen zwei Kopien des [Ta6Br12aq6]2+ Clusters vor, deren Mittelpunkte mit einem Inversionszentrum der Raumgruppe P1 zusammenfallen. Die 6 Tantalatome sind an den Spitzen eines Oktaeders angeordnet. Jedes der 12 Br Atome ist mit zwei Tantalatomen entlang der 12 Kanten des Oktaeders koordiniert. Zusätzlich ist an jedes Tantalatom ein Wasserligand gebunden.In a unit cell there are two copies of the [Ta 6 Br 12 aq 6 ] 2+ cluster, the centers of which coincide with an inversion center of space group P1. The 6 tantalum atoms are arranged at the tips of an octahedron. Each of the 12 Br atoms is coordinated with two tantalum atoms along the 12 edges of the octahedron. In addition, a water ligand is bound to each tantalum atom.
Die Anordnung der beiden Clustermoleküle ist derart, daß sie um dasselbe
Inversionszentrum lokalisiert sind. Die Belegungsgrade (Occupancies)
wurden während der kristallographischen Verfeinerung genauer ermittelt
und konvergierten zu einem durchschnittlichen Wert von 0,43 für alle
Atome der beiden Clustermoleküle. Weiterhin hat die Einheitszelle eine Elek
tronendichte, die als zwei Brom- und zwölf Sauerstoffatome mit Belegungs
graden von jeweils etwa 0,5 interpretierbar ist. Diese Br-Ionen sind um ein
anderes Inversionszentrum der Einheitszelle angeordnet und ihre Position ist
nicht in räumlichem Konflikt mit den beiden Ta6Br12(aq)6 2+ Clustern. Zwei
Sauerstoffatome sind im räumlichen Konflikt mit den Bromatomen, was auf
alternative Belegungen hinweist. Die verbleibenden 10 Sauerstoffpositionen
werden durch ungeordnete Wassermoleküle besetzt, die jeweils zwei Sätzen
von 4 Wassermolekülen für jeweils einen der Ta6Br12 2+ Cluster zugeordnet
werden können. Die zwei isolierten, halb besetzten Positionen der Brom
atome und die vier halb besetzten Positionen der Sauerstoffatome können
die positiven Ladungen der zwei Ta6Br12 2+ Cluster kompensieren, wenn die
zwei Sauerstoffatome ein Hydroxid-Wasserpaar in Wasserstoffbrückendi
stanz darstellen. Dies führt zu einer Formel für das kristalline Material von
[Ta6Br12(H2O)6]2+Br⁻OH⁻×5 H2O.
The arrangement of the two cluster molecules is such that they are located around the same inversion center. The occupancies were determined more precisely during the crystallographic refinement and converged to an average value of 0.43 for all atoms of the two cluster molecules. Furthermore, the unit cell has an electron density which can be interpreted as two bromine and twelve oxygen atoms with degrees of occupancy of about 0.5 each. These Br ions are arranged around another inversion center of the unit cell and their position is not in spatial conflict with the two Ta 6 Br 12 (aq) 6 2+ clusters. Two oxygen atoms are in spatial conflict with the bromine atoms, which indicates alternative assignments. The remaining 10 oxygen positions are occupied by disordered water molecules, which can each be assigned to two sets of 4 water molecules for each of the Ta 6 Br 12 2+ clusters. The two isolated, half-occupied positions of the bromine atoms and the four half-occupied positions of the oxygen atoms can compensate for the positive charges of the two Ta 6 Br 12 2+ clusters if the two oxygen atoms represent a pair of hydroxide-water in hydrogen-bond distance. This leads to a formula for the crystalline material of [Ta 6 Br 12 (H 2 O) 6 ] 2+ Br⁻OH⁻ × 5 H 2 O.
Es wurde die Bindung von Ta6Br12 2+ Clustern an eine Antikörper VL-Domäne (Steipe et al., J. Mol. Biol. 225 (1992), 739-753) und an die Dimethylsulf oxidreduktase (DMSOR) von Rhodobacter capsulatus (Schneider et al., J. Mol. Biol. 263 (1996), 53-69) untersucht. Bei beiden Proteinen bindet die Clusterverbindung an eine einzige Position. Die Clusterposition konnte durch Analyse der Differenz-Patterson-Funktion lokalisiert werden.The binding of Ta 6 Br 12 2+ clusters to an antibody V L domain (Steipe et al., J. Mol. Biol. 225 (1992), 739-753) and to the dimethyl sulfoxide reductase (DMSOR) from Rhodobacter capsulatus (Schneider et al., J. Mol. Biol. 263 (1996), 53-69). The cluster compound binds to a single position in both proteins. The cluster position could be localized by analyzing the difference Patterson function.
In der Antikörper VL-Domäne wurde der kürzeste Abstand (0,23 nm) zwischen dem Cluster und dem Protein für ein Tantalatom (TA1) und den Carboxylsauerstoff eines Asparaginsäurerests (ASP1) gefunden. Ein zweites Tantalatom (TA6) wechselwirkt mit einem Hauptketten-Carbonylsauerstoff eines Serinrests (SER 62) von einem benachbarten Proteinmolekül bei einem Abstand von 0,31 nm. Bei DMSOR sind zwei Tantalatome (TA6 und TA4) 0,29 nm bzw. 0,31 nm von den Seitenketten-Carboxylatsauerstoffatomen zwei verschiedener Glutaminsäurereste (GLU 659 und GLU 43) entfernt. Der Carbonylsauerstoff eines Valinrests (VAL 656) könnte ebenfalls einen stabilisierenden Effekt auf die Bindung des Clusters haben. Zwei sym metrisch orientierte DMSOR Moleküle sind um den Cluster herum angeord net, wobei eine große Tasche gebildet wird.The shortest distance (0.23 nm) between the cluster and the protein for a tantalum atom (TA1) and the carboxyl oxygen of an aspartic acid residue (ASP1) was found in the antibody V L domain. A second tantalum atom (TA6) interacts with a main chain carbonyl oxygen of a serine residue (SER 62) from an adjacent protein molecule at a distance of 0.31 nm. In DMSOR, two tantalum atoms (TA6 and TA4) are 0.29 nm and 0.31, respectively nm from the side chain carboxylate oxygen atoms of two different glutamic acid residues (GLU 659 and GLU 43). The carbonyl oxygen of a valine residue (VAL 656) could also have a stabilizing effect on the binding of the cluster. Two symmetrically oriented DMSOR molecules are arranged around the cluster, forming a large pocket.
Weiterhin wurde die Bindung des Ta6Br12 2+-Clusters an das 72-sym
metrische Proteasom (Loewe et al., Science 268 (1995), 533-539)
bestimmt, das aus 14α und 14β Untereinheiten besteht, wobei ein Ta6Br12 2+
Cluster an jede β-Untereinheit bindet. Der Cluster ist von drei Aminosäurere
sten, nämlich Lysin, Glutaminsäure und Arginin umgeben. In der GTP-
Cyclohydrolase I (Nar et al., Structure 3 (1995), 459-466) ist ein Cluster im
Zentrum von jedem der vier Pentamere in der asymmetrischen Einheit
gebunden und von Histidin und Argininresten umgeben.
Furthermore, the binding of the Ta 6 Br 12 2+ cluster to the 72-symmetrical proteasome (Loewe et al., Science 268 (1995), 533-539), which consists of 14α and 14β subunits, was determined, a Ta 6 Br 12 binds 2+ clusters to each β subunit. The cluster is surrounded by three amino acid residues, namely lysine, glutamic acid and arginine. In GTP cyclohydrolase I (Nar et al., Structure 3 (1995), 459-466), a cluster in the center of each of the four pentamers is bound in the asymmetric unit and surrounded by histidine and arginine residues.
Es wurde eine schnelle und einfache Prozedur zur Bestimmung der korrekten Orientierung des Clusters unter Verwendung von hochaufgelösten Daten aus DMSOR und der VL-Domäne verwendet. Hierzu wurde zunächst die Position des Schwerpunkts des Ta6Br12 2+-Clusters mit Hilfe der Differenz- Patterson-Funktion unter Verwendung des Programms PROTEIN (Steige mann (1992), in: Crystallographic computing 5 (HRSG: Moras, D., Podjarny, A. D., Thiery, J. C.), Oxford University Press, Oxford, 115-125) ermittelt. Die Orientierung des Clusters wurde dann in einer Analyse unter Ver wendung der "Rigid Body"-Verfeinerungsroutine des Computerprogramms X-PLOR (Brünger et al., Science 35 (1987), 458-460) ermittelt. Durch Rotation des Clustermodells in Schritten von 15° um jede seiner drei Achsen wurden verschiedene Startpositionen erzeugt, während der Schwerpunkt an seiner bestimmten Position belassen wurde. Dann erfolgte eine Verfeinerung gegen F-Deri-FNati-Strukturfaktoramplituden. Sowohl der R-Faktor als auch der Patterson-Korrelationswert wurden optimiert und eine eindeutige Clusterung von Lösungen gefunden. Die ermittelte Orientierungen für den Cluster stimmen mit den Differenz-Fourier-Dichtekarten der finalen Modelle überein.A quick and easy procedure to determine the correct orientation of the cluster using high-resolution data from DMSOR and the V L domain was used. For this purpose, the position of the center of gravity of the Ta 6 Br 12 2+ cluster was first determined using the difference Patterson function using the PROTEIN program (Steige mann (1992), in: Crystallographic computing 5 (HRSG: Moras, D., Podjarny , AD, Thiery, JC), Oxford University Press, Oxford, 115-125). The orientation of the cluster was then determined in an analysis using the "rigid body" refinement routine of the computer program X-PLOR (Brünger et al., Science 35 (1987), 458-460). By rotating the cluster model in steps of 15 ° around each of its three axes, different starting positions were created while the center of gravity was left at its specific position. Then there was a refinement against F- Deri -F Nati structure factor amplitudes. Both the R factor and the Patterson correlation value were optimized and a clear clustering of solutions was found. The determined orientations for the cluster agree with the difference Fourier density maps of the final models.
Zum Vergleich wurden Phasenrechnungen durchgeführt, bei denen der
Cluster als einzelnes Streuzentrum oder als Ensemble aus 18 Streuzentren
verwendet wurde. Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in Tabelle 3
gezeigt. Die ganz erheblichen Verbesserungen die bei Verwendung des 18-
Streuzentrenmodells erhalten wurden, sind aus dieser Tabelle ersichtlich.
For comparison, phase calculations were carried out in which the cluster was used as a single scattering center or as an ensemble of 18 scattering centers. The results of this comparison are shown in Table 3. The very significant improvements that were obtained using the 18 scattering center model can be seen from this table.
In allen Testkalkulationen entsprachen die geclusterten Lösungen mit den niedrigsten R-Faktoren und den höchsten Patterson-Korrelationswerten der korrekten Orientierung des Clusters in Übereinstimmung mit der Differenz- Fourier-Elektronendichtekarte. In allen Fällen konvergierten mehrere Startpositionen zu identischen Lösungen, die sich signifikant von den nächstbesten Lösungen unterschieden. Unter Verwendung der Patterson- Korrelation als Targetfunktion waren die höchsten und niedrigsten Werte für DMSOR im Auflösungsbereich von 0,22 nm bis 0,8 nm 15,9 bzw. 49,6% und für den R-Faktor 48,9 und 61 ,3%. Im Auflösungsbereich von 0,3 nm bis 0,8 nm waren die Werte 16,1 und 35,5% für die Patterson-Korrelation bzw. 59,5 und 67,9% für den R-Faktor. Für die Antikörper VL-Domäne waren die Werte im Auflösungsbereich von 0,2 nm bis 0,8 nm für die Patterson-Korrelation von 14,3 bis 43,7% bzw. von 59,5 bis 67,9% für den R-Faktor. Im Auflösungsbereich von 0,3 nm bis 0,8 nm waren die Werte für die Patterson-Korrelation von 13,2 bis 35,7% bzw. für den R-Faktor von 60,4 bis 62,3%. Die Patterson-Korrelationswerte für die richtige Lösung und für die nächstbeste falsche Lösung waren 49,5% und 35,4% für DMSOR bzw. 44,6% und 39,8% für die Antikörper VL-Domäne. Die Werte wurden nach Verfeinerung bis zur Konvergenz unter Verwendung von Daten bis zur maximalen Auflösung erhalten.In all test calculations, the clustered solutions with the lowest R factors and the highest Patterson correlation values corresponded to the correct orientation of the cluster in accordance with the difference Fourier electron density map. In all cases, several starting positions converged to identical solutions that differed significantly from the next best solutions. Using the Patterson correlation as the target function, the highest and lowest values for DMSOR in the resolution range from 0.22 nm to 0.8 nm were 15.9 and 49.6% and for the R factor 48.9 and 61, 3 %. In the resolution range from 0.3 nm to 0.8 nm, the values were 16.1 and 35.5% for the Patterson correlation and 59.5 and 67.9% for the R factor. For the antibody V L domain, the values in the resolution range from 0.2 nm to 0.8 nm for the Patterson correlation were from 14.3 to 43.7% and from 59.5 to 67.9% for the R -Factor. In the resolution range from 0.3 nm to 0.8 nm, the values for the Patterson correlation were from 13.2 to 35.7% and for the R factor from 60.4 to 62.3%. The Patterson correlation values for the correct solution and for the next best incorrect solution were 49.5% and 35.4% for DMSOR and 44.6% and 39.8% for the antibody V L domain, respectively. The values were obtained after refinement to convergence using data up to the maximum resolution.
Claims (12)
[Ta6Hal12 (H2On)]2+X1⁻X2⁻.m H2O
worin Hal ein Halogenidion ausgewählt aus Cl⁻ und Br⁻ ist,
X1⁻ und X2⁻ jeweils ein einfach negativ geladenes Anion bedeuten,
n eine Zahl von 0 bis 6 bedeutet und
m eine Zahl von 0 bis 6 bedeutet.1. Crystalline compound of the formula:
[Ta 6 Hal 12 (H 2 O n )] 2+ X 1 ⁻X 2 ⁻.m H 2 O
wherein Hal is a halide ion selected from Cl⁻ and Br⁻,
X 1 ⁻ and X 2 ⁻ each represent a single negatively charged anion,
n is a number from 0 to 6 and
m represents a number from 0 to 6.
[Ta6Br12(H2O)6]2+Br⁻OH⁻.5 H2O.4. Crystalline compound of the formula:
[Ta 6 Br 12 (H 2 O) 6 ] 2+ Br⁻OH⁻.5 H 2 O.
- (a) ein Derivat der Verbindung mit einem symmetrischen Schwer metallcluster herstellt,
- (b) die korrekte Bindungsstelle eines Schwermetallclusters in dem Derivat bestimmt und
- (c) die korrekte Orientierung eines Schwermetallclusters innerhalb des Derivats an der Bindungsstelle bestimmt.
- (a) produces a derivative of the compound with a symmetrical heavy metal cluster,
- (b) determines the correct binding site of a heavy metal cluster in the derivative and
- (c) determines the correct orientation of a heavy metal cluster within the derivative at the binding site.
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DE1997127437 DE19727437A1 (en) | 1997-06-27 | 1997-06-27 | Improving the structure determination of biological aggregates in X-ray crystallography |
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DE10336110A1 (en) * | 2003-08-06 | 2005-03-10 | Proteros Biostructures Gmbh | Apparatus and method for treating crystals |
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- 1998-06-29 WO PCT/EP1998/003975 patent/WO1999000328A1/en active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
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Bajan,B., Meyer,H.-J. "Crystal structure of tan- talum bromide, Ta¶6¶ Br¶14¶", Z. Krostallogr. 210 (8), 1995, S.607 * |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE10336110A1 (en) * | 2003-08-06 | 2005-03-10 | Proteros Biostructures Gmbh | Apparatus and method for treating crystals |
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