Rasmol 사용법

Rasmol은 분자의 3차원 구조를 보여주는 컴퓨터 프로그램이다. Rasmol 명칭은 raster display of molecules에서 유래하였으며 raster란 컴퓨터 전개방식 중 하나이다. 이 프로그램은 영국 Edinburgh 대학의 Roger A. Sayle가 학위과정의 일환으로 Glaxo의 지원을 받아 개발한 프로그램이다.
이 교재는 영국 Edinburgh 대학의 Andrew Coulson (a.coulson@ed.ac.uk)에 의해 만들어진 것을 간략히 편집하였다. 원본에 해당하는 HTML 파일은 웹에서 받을 수 있으며, Sayle RA의 보다 자세한 교재도 도움이 될 것이다. 이 교재에서는   RNAse, 알파단백질들 (cytochrome B562와 myoglobin), 베타 단백질 (cystallin과 retinol-binding protein), 그리고 알파/베타 단백질들 (triosephosphate isomerase와 flavodoxin)을 중심으로 이차구조의 주요 부분들을 어떻게 인식할 수 있는지 설명하고 있으며, 마지막으로 DNA-결합 단백질에 대한 내용을 보여준다. Rasmol homepage에 접속하면 보다 많은 정보를 얻을 수 있다.

우선 하드 드라이브에 rasmol 디렉토리를 만들고 rasmol 소프트웨어 (rw32b2a.exe)를 받아 저장한다. 이 프로그램에 사용할 수 있는 구조화일들은 pdb의 확장명을 가진 것들로 Protein Data Base에서 받을 수 있다.  우선 rasmol 실행화일을 작동시키면 검은 바탕의 화면이 나타난다. File을 클릭한 후 Open에서 저장된 pdb 파일을 지정하면 그림이 나타난다. 이제부터 이 그림을 어떻게 살펴볼 것인지 알아보자.

그림화일:5rsa.pdb,256b.pdb,1mbn.pdb,4gcr.pdb,1rbp.pdb,1tim.pdb,2fox.pdb, 2cro.pdb,3cro.pdb

이 교재의 목적은 여러 가지 부류의 구형단백질들의 주요 구조적 특징들과 친해지게 하는 것이다. 연습이 끝나면 다음과 같은 것들을 터득하게될 것이다.

(1) 단백질의 구조를 분석하는 분자-그래픽 시스템을 사용할 수 있고, (2) 단백질 접힘 내에 존재하는 주요 이차구조들을 인식하고, (3) 어떻게 이차구조 유형들이 단백질구조들을 분류하는데 사용되었는지, (4) 구형단백질들의 주요 구조적 집단들을 기술할 수 있게될 것이다. 그리고 이 과정에서 rasmol 프로그램과 친해지게될 것이다. 관찰한 것들을 간단한 그림들로 기술하면 이해에 도움이 될 것이다.

가. Molecular Graphics Program, RasMol

다음 메뉴들을 마우스를 사용하여 열어보자.

1. Display 메뉴

(1) Space-filling model: 가장 사실적인 모델로서 각 원자를 완전한 구형으로 보여준다. 이때 수소원자들은 제외되므로 다른 원자들의 크기는 약간 과장되어 있다.

(2) Ball-and-stick model: 구조 내부를 볼 수 있게 해준다. 원자들은 작은 구들로 표시되고 그들간의 결합은 막대로 표시된다.

(3) Wireframe model: 원자들은 wire로 표시된 결합들이 만나는 곳까지 줄어든다.

(4) Backbone model: 모든 곁사슬들은 제거되고 폴리펩타이드의 접힘은 알파탄소들의 중심을 연결하는 직선 상의 막대들로 나타난다.

(5) Smooth ribbon model: 가장 단순한 것으로 리본이나 가닥으로 펩타이드 단위가 그려져 있다.

전개도 상의 그림들은 x, y, z 축으로 회전되기 때문에 분자의 모든 부분을 살펴볼 수 있으며, shift 키를 누르고 마우스를 조작하면 크기도 확대, 축소될 수 있다.

 

2. 색깔

(1) CPK: 가장 일반적인 방법으로 탄소원자는 연회색, 산소는 적색, 질소는 청색,황은 노란색이다.   
(2) Group: 사슬의 말단은 청색에서부터 C-말단은 적색까지 무지개색으로 표시되어 있다.
(3) Shape: 뼈대는 연회색, 곁사슬 원자들은 크기와 극성에 따라 다음과 같은 색으로 구분되어 있다.
(4) Amnio: 보다 간단하지만 Shape과 유사하다.
 

amino acid residue

Shape

Amino

A

pale green

light grey

G

white

off-white

D

dark magenta

red

E

red

red

K

royal blue

blue

R

navy blue

blue

C

sandy yellow

yellow

M

pale brown

yellow

H

slate blue

unfaded blue geans

Q

flesh pink

bright green

N

salmon

bright blue

S

tomato

orange

T

orange red

orange

P

grey

flesh

I

dark green

dark green

L

grey

dark green

V

pale magenta

dark green

W

yellow

dark purple

F

grey

lighter purple

Y

clay grey

lighter purple


이 프로그램은 마우스와 함께 Comman 창을 사용한다. Command 창을 열려면 왼쪽 Shift 키를 누르고 Alt 키를 반복하여 두드린다. 하단에 상황선에서 창이 열린 것을 확인한다.

Action

Windows

Rotate X,Y

Left

Translate X,Y

Right

Rotate Z

Shift-Right

Zoom

Shift-Left

Slab Plane

Ctrl-Left

 

나. Ribonuclease
5rsa.pdb 파일을 열면 wireframe 영상이 나타난다. 또는 command에서 load 5rsa.pdb를 타이핑하여도 된다. Display 메뉴에서 Spacefill을 선택한다. "Options"를 열고 "Hydrogens"를 선택하면 수소원자들이 사라진다. 몇 개의 물분자들이 보이는 것을 알 수 있다. 이것들은 결정구조에 고정된 것이다. 이것을 제거하려면 command에서 다음을 타이핑한다.

          select DOD
       spacefill off
       select amino

표면에 현저하게 움푹 패인 곳과 그림 중간 쯤에 phosphate 이온 (orange and red)이 결합된 것을 볼 수 있다. 오른 쪽에는 His 잔기의 5각형 고리를 볼 수 있다. 이들 원자들 중 하나를 클릭하면 His-119 임을 보여준다. 이것은 활성자리에 있는 두 개의 His 중 하나이다. 나머지 하나는 인산기에 숨겨져 있다. 이것을 보려면

          select [PO4]
        spacefill off
        select amino

이제 His-12를 볼 수 있을 것이다. 구분이 안가면 Display 메뉴에서 Stick으로 바꾼다.

다음과 같은 명령어를 타이핑하면 구조를 절단하여 볼 수 있다.

        slab 70

이것은 상부 30%가 제거된 그림이다. 이런 방식으로 다른 값들을 시도해 보아라. His-12와 His-119가 가장 잘 보이는 값은 얼마인가 ?
이때 노락색의 잔기들을 볼 수 있다. 몇 개의 methionine과 함께 이황화가교로 연결된 8개의 cystein 잔기들을 볼 수 있다. 다음 명령어를 타이핑하면 다시 전체를 볼 수 있다.

         slab off

색깔을 Group으로 바꾸고 Display를 Ball-and-Stick, Wireframe, Backbone, Ribbons으로 바꾸면서 그림을 살펴보자. Ribbon 상태에서 마우스를 움직여 이차구조들을 살펴보자.
이  그림에서 활성자리에 있는 두 개의 His 잔기들을 잘 볼 수 있다. 다음 명령어를 타이핑한다.

         select (his12 or his119) and sidechain
         wireframe 200 (이 수치는 바꾸면 크기를 조절할 수 있다)
         color atoms red

His-12와 His-119 각각은 어떤 이차구조에 존재하는지 알아볼 수 있다.
이제 다른 구조를 보려면 zap을 타이핑한다.

다. Helix proteins: b562 and myoglobin
이들은 alpha protein들로서 알파나선이 주가 되는 구조를 가진다. 알파나선들이 어떻게 채워지는지 살펴볼 수 있다.
먼저 헴을 가진 전자전달계 단백질인 cytochrome b562을 살펴보자. 256b.pdb을 연다.

        Choose 'Display' then 'Backbone'
        Choose 'Colors', then 'Group'

이 구조에는 두 개의 분자가 존재한다. 그중 하나를 떼어내려면 다음 명령어를 타이핑한다.

        restrict *A
        save temp.pdb
        zap
        load temp.pdb


다시 Choose 'Display' then 'Backbone' , Choose 'Colours', then 'Group'
마우스를 이용하여 회전시키면 4개의 알파나선으로 이루어진 다발임을 알 수 있다.
이 배열상태를 그려 보아라. 나선들을 연결하는 고리들이 한쪽 끝에서는 짧고 반대편에서는 길어 전체적인 모양이 워뿔형인 것을 보여준다. 헴은 넓은 쪽에 결합되어 있다 (?)
나선들이 서로간에 채워지는 것을 살펴보자. 다음 명령어로 수소결합들을 추가할 수 있다.

         color hbonds type
         hbonds 50
         set hbonds backbone

계속해서 backbone off
          hbonds off

 다시      select resno > 65 를 입력하면 N-terminal 부분을 잘라낼 수 있다.

           Choose 'Display' then 'Backbone'; note the N-to-C direction.
           Choose 'Colours' then 'Shapely'
           Choose 'Display' then 'Spacefill'

다음 명령어를 주면 화면 바탕을 흰색으로 바꿀 수 있다.

           set background white

계속하여 select all
그리고 backbone 100 을 입력하면 앞서 제거한 나머지 뼈대를 볼 수 있다.
그림을 회전시켜 어떤 잔기들이 용매와 접촉하고 있으며, 어떤 잔기들이 다른 나선들과 소수성 접촉을 이루고 있는지 아미노산을 색깔을 통해 판별하라.

앞서 언급한 헴을 보려면 다음 명령어를 입력한다.

       select hetero not hoh (hoh는 물분자를 의미한다)
       wireframe 200 (이 수치는 크기를 나타내므로 얼마던지 바꿀 수 있다)
       color atoms red

이제 다시 Backbone 그림으로 돌아가자.
          Choose 'Display' then 'Backbone'
          Choose 'Colours' then 'Group'

알파나선 쌍들 간의 각을 스케치하고 zap을 타이핑하여 그림을 제거한다.

 

이제 두 번째 그림인 myoglobin (1mbn.pdb)을 열어보자. 이것은 헴을 함유하고 있으며 말단조직에서 산소를 전달 단백질로서 헤모글로빈의 단위체들과 매우 유사하다.

다음 명령어를 타이핑하면 Wireframe 그림에서 바닥의 중심에서 흰색으로 보이던 haem group이 빨간색으로 잘 드러날 것이다.
         select hem
         color red

메뉴의 Display에서 Spacefill을 선택하면 헴 만이 빨간 색의 spacefill로 보일 것이다.

그림을 회전시켜 헴이 상단 중앙에 수직으로 위치하도록 만든다. 다시 select all 을 타이핑하고 그림을 Spacefill로 바꾼 후 색깔을 Shapely로 만든다. 헴의 색깔은 핑크로 바뀐다.

            Choose 'Options' 에서 'Het Atoms'을 클릭하면 헴이 사라지면서 헴결합 포켓을 볼 수 있다.

            Choose 'Options' 에서 'Shadows'를 선택하면 헴과 접촉하는 잔기들을 보다 잘 볼 수 있다.

그림을 backbone으로 바꾸고 group 색깔을 선택하면 알파나선들을 볼 수 있다. 나선들의 수를 세어보고 어떤 나선이 헴결합자리를 형성하는 지 확인하라.

다음 명령을 입력하고

            backbone off

            select resno>57 and resno<79

Display를 backbone으로 선택하면 나선 하나의 그림을 볼 수 있다. 다시 spheres로 바꾸어 색깔을 shapely로 선택한다. 그리고 다음 명령을 입력한다.

             select all
         backbone on

Spacefill로 보여진 나선에서 아미노산 잔기들의 위치를 확인하라. 어떤 아미노산 종류가 파묻힌 위치에 있는지 볼 수 있다.

다시 backbone 그림으로 돌아와 나선들의 순서를 N-말단에서부터 A,B,C 순으로 매겨 서로간의 각도를 스케치하여 보아라.

이제 네번째 단백질의 구조를 살펴보자.

라. Beta proteins: crystallin and retinol-binding protein
이들은 역평행 베타판으로 이루어진 단백질들로서 우선 눈의 수정체 단백질인 γ-crystallin (4gcr.pdb)부터 살펴보자.

구조를 rroup-coloured backbone으로 전환시키고 회전시키면 두 개의 구분된 도메인을 볼 수 있다. 다음 명령을 입력하여 도메인 하나를 제거하자.

       wireframe off
       select resno>82
       backbone 100
       select selected and sheet
       ribbons on
       colour group
       centre val126.N

회전시켜 보면 이차구조들이 어떻게 연결되어있는지 알 수 있다. 종모양의 바닥을 들여다 보면 훨씬 잘 보인다. 어떤 식으로 접혀있으며, 베타가닥들은 어떤 방향과 순서로 배열되어 있는지 그려보아라. 도메인은 두 개의 Greek key motifs로 이루어져 있는지 확인해보아라.

다음 명령어를 입력해보자

       select buried and resno>82

(Buried란 용매와의 접촉을 피해 내부로 파묻힌 아미노산들을 의미한다)

Display를 Spacefill로 선택하고, 다시 다음 명령을 입력한다.

        select resno>82
        backbone 100

베타판이 소수성 sandwich를 형성하는 것을 알 수 있다.

마지막으로 두 번째 도메인을 전개시켜 이것이 첫 번째 것과 동일한 위상 (가닥들의 수와 순서를 의미)을 가지는지 확인하라.

두 번째 베타판 구조의 단백질은 retinol-binding protein (1rbp.pdb)으로 그 기능은 vitamin A와 결합하는 것이다.

이 구조는 하나의 sandwich로 말리는 up-and-down 베타판이다. 다음 명령어를 입력하여 보자.

       wireframe off
       set background [230,230,230]
       select sheet
       ribbons on
       colour group
       set bondmode and
       hbonds 70
       colour hbonds type
       set hbonds backbone


어떻게 접힌 구조인지 기술해 보아라 (힌트: 우선 잔기 22~106을 보고 나머지를 조각들로 첨가하라). 원통이 어떻게 형성되는지 기술하라. 절단한 모양은 어떤가 ?

다음 명령을 입력하여 결합된 retinol 분자의 모양을 살펴보자.

        select RTL

Colours를 'Shapely'로 선택하고 다시 'Spacefill'로 바꾼다.

Retinol은 베타판과 관련되어 어디에 결합되어 있는가? 구조를 회전시켜 retinol을 크게 볼 수 있도록 만들어라. 다음 명령을 입력하여 retinol이 어떻게 결합되어 있는지 살펴보아라

        select all

Display를 'Wireframe'으로 선택하고 'Colours'를 'Shapely'로, 다시 'Display'를 'Spacefill'로 바꾼다.

             slab 55 [약간 다른 값이 필요할 지도 모른다]

Options를 'Hetero'로 선택하고 다음 명령을 수행한다.

         select amino

Colours를 'Shapely'로 선택하고 'Display'를 'Spacefill'로 선택한다.

         slab 55 [약간 다른 값이 필요할 지도 모른다]
             select RTL
         spacefill on

단백질의 어느 부분들이 retinol과 접촉하고 있는가? Retinol이 어떻게 이 구멍에 들어갈 수 있다고 생각하는가? 

마. Alpha/beta proteins: TIM and flavodoxin
α/β단백질들이란 알파나선과 베타가닥이 번갈아 나타나는 구조이다. Triosephosphate isomerase (1tim.pdb)를 연다.

       select *A를 입력하여 단위체 하나의 backbone를 전개시키고 색깔을 group으로 바꾼다.

분자를 회전시켜 알파나선들과 베타판의 가닥들이 번갈아 나타나는 원통인지를 살펴보아라. 이들은 사슬에 연이어 있으며 N-말단에서 C-말단으로 시계방향으로 회전하여야만 할 것이다. 분자를 spacefill로 전개하여 전체 구조를 살펴라. Ribbon이나 strands로 전환시켜 보고 색깔을 structure로 바꾸어 보아라. Backbone 그림으로 돌아가 다음 명령을 입력하라.

       select Ile or Val or Leu

Display를 spacefill로 바꾸어 가지친 소수성 잔기들이 나선들과 판 사이를 채워주는 것을 관찰하라. 다음 명령을 입력하여 분자 중심의 나머지 부분이 어떻게 만들어지는지 보아라.

       select hydrophobic

Backbone 그림으로 돌아가 y축을 중심으로 90도 정도 회전시킨다. 원통의 측면에서 원통의 축에 대해 가닥과 나선들의 방향을 주목하라. 분자의 오른쪽 끝에서 고리들은 보다 작고 밀집되어 있음을 주목하라.

활성자리는 보다 긴 고리들로 이루어지는 분자의 반대편 끝에 있다 (고리들은 아마도 전체 구조를 유지하는데는 별로 필요치 않은 것 같다). 다시 90도를 회전시키고, 구조를 spacefill로, 색깔을 shapely로 바꾼다. 활성자리는 중심의 패인 곳에 위치한다. 촉매활성잔기들은 Glu-165, His-95, 그리고 Lys-13이다. 이것을 지탱하는 접힘을 보려면 잔기 1~44를 backbone으로 색깔을 group으로 전개시켜라.

뼈대의 나머지 부분을 전개시키고 연이은 a-b-a 단위들이 어떻게 완전한 원통을 형성하는지 기술하라.

이제 flavodoxin (2fox.pdb)을 전개시켜 보자.

전체적인 구조를 묘사하여 보아라. a-b-a 단위 (e.g. residues 80-120)를 전개시켜 보아라. 이 구조에서 우선성인지 좌선성 인지를 확인하라 (N to C).

전체 분자의 구조를 전개시켜 연이은 가닥들 간에 이루어지는 각도와 나선들의 축에 대한 각도를 살펴보아라.  a-b-a 단위들이 어떻게 연결되어 있는지 살펴보아라. 가닥들의 순서는 어떻게 이루어져 있는가? 보다 긴 고리들은 베타가닥들의 C-말단 부위에 있음을 확인하라.

다음 명령을 입력하여 dinucleotide co-enzyme의 결합자리를 살펴보아라.

       select FMN
       spacefill on


결합자리가 베타판에 대해 어떻게 놓여있는지 그림을 그려라. 어떤 원자와 기들이 조효소와 결합하는데 관여하고 있는가?

바. Open-ended exercise on DNA binding protein

2cro.pdb은 DNA-결합 단백질의 구조이고 3cro.pdb는 DNA에 어떻게 결합하는지 제안된 구조이다. RasMol을 사용하여 이들을 살펴보아라. 이 단백질은 특이적인 서열의 염기들에 결합한다. 어디에 결합할 지를 어떻게 인식하는가? 가장 좋은 방법은 DNA를 wireframe으로, 단백질의 단위체 하나는 backbone으로, 다른 하나는 구형으로 보는 것이다.

===== end of tutorial =======