Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов, страница 7

Напротив, комплекс хиральномодифицированного NR1-центра связывания NMDA-рецептора и неприродныхL-лигандов энергетически почти эквивалентен комплексу природного NR1центра связывания NMDA-рецептора и природного D-лиганда.Возможно, эта функциональная, а не энергетическая неэквивалентностьстереоизомеров пептидов могла играть важную роль в возникновении гомохиральности строго определенного знака белков на уровне отбора наиболее совершенных структур в ходе эволюции.D-аминокислотные ионные каналы с модифицированной первичнойструктурой.Замена всех L-аминокислот природного канала на соответствующие Dаминокислоты при сохранении природной первичной и вторичной структурыприводит к изменению основных функциональных характеристик и потери егокалиевой избирательности.

Такие результаты делают настоятельно необходимым рассмотреть возможность изменения природной первичной структуры каналов до получения третичной структуры хирально модифицированного модельного канала с природными функциональными характеристиками.Для построения хирально модифицированных модельных каналов с природными функциональными характеристиками нами предложен метод «энерге-тического выравнивания» третичных структур каналов с различными аминокислотными последовательностями.В основу метода положены следующие предположения:1) структурно гомологичные L- и D-аминокислотные каналы имеют близкие распределения энергий аминокислотных остатков;2) функционально гомологичные L- и D-аминокислотные каналы содержатсоответствую-щиеаминокислот-ные остатки, принадлежащие определенной родственнойгруппе аминокислот.Метод включает следующую последовательностьдействий:1) для третичной структуры природного канала рассчитываютсяэнер-Рис.

16. Распределение абсолютных значений разностиэнергий аминокислотных остатков природного и неоптимизированного хирально модифицированного каналагии взаимодействиякаждой аминокислотысостальнымиаминокислотамистроитсяираспреде-ление энергии взаимодействия всех Lаминокислот канала;2)подобноераспределение энергииаминокислотрассчитывается длясоответствующегоРис. 17. Распределение абсолютных значений разностиэнергий аминокислотных остатков природного и хиральномодифицированного канала с модифицированной аминокислотной последовательностью, полученной энергетическим выравниванием структурхирально модифицированного модельного канала с природной первичной структурой без оптимизации его геометрии;3) сравнением полученных распределений энергии L- и D-аминокислот,определяются D-аминокислоты, для которых разность соответствующих энергийпринимает наибольшие значение;4) наиболее напряженные D-аминокислоты заменяют D-аминокислотами,для которых разность энергий взаимодействия будет минимальной;5) в полученном хирально модифицированном канале с модифицированной первичной структурой методами молекулярной динамики снимают остаточные стерические напряжения.Замену L- на D-аминокислоты проводили исключительно в пределах родственных групп аминокислотных остатков: с алифатическими боковыми цепями;с боковыми цепями, содержащими гидроксильную группу; с боковыми цепями,содержащими атомы серы; с боковыми цепями, содержащими кислые группыили их амиды; с боковыми цепями, содержащими основные группы; содержащиеароматические кольца и иминокислоты.В результате энергетического выравнивания получается хирально модифицированный модельный канал энергия, геометрия поры, энергетические профили и функциональные характеристики которого пренебрежимо мало отличаются от таковых соответствующего природного канала.Распределение абсолютных значений разности энергий аминокислотныхостатков природного канала KcsA и неоптимизированного его хирально модифицированного изомера представлено на рис.

16. Диаграмма показывает, что внекоторых аминокислотных остатках существуют значительные стерические напряжения, достигающие 88000 ккал/моль. Очевидно, что данное значение энергии, как и многие другие значения энергии D-аминокислот, значительно превышает среднее значение энергии пептидной связи, что определяет принципиальную невозможность существования такого полипептида и необходимость использования энергетического выравнивания для снятия значительных стерических напряжений в полипептиде.Диаграмма, представленная на рис. 17, показывает распределение абсолютных значений разности энергий L-аминокислотных остатков природного ихирально модифицированного модельного канала с модифицированной аминокислотной последовательностью, полученной энергетическим выравниваниемструктур. В этом случае замена значительно напряженных аминокислотных остатков в неоптимизированном хирально модифицированном изомере приводит кпоявлению ненапряженной, по сравнению с природной структурой, третичнойструктуры хирально модифицированного канала KcsA.

Ниже представлена аминокислотная последовательность хирально модифицированногоAATGRGGGAGSVIGAAGAGAGCGGAGIADGGAVGADVASSAKGAHHAGASASSAGYGDGASGSIHGHCVGVVAGAAGISSVGAVSAAGASHFVGREQи природного канала KcsA.ALHWRAAGAATVLLVIVLLAGSYLAVLAERGAPGAQLITYPRALWWSVETATTVGYGDLYPVTLWGRCVAVVVMVAGITSFGLVTAALATWFVGREQПодобный подход нами использовался для построения молекулярныхструктур хирально модифицированных изомеров каналов KvAP, α/β, Kv1.2 иNR1 активного центра NMDA-рецептора.

В табл. 3 представлены результаты исследований структуры и функциональных характеристик, полученных энергетическим выравниванием хирально модифицированных каналов.Таблица 3Структурные и функциональные характеристики D-аминокислотных каналов смодифицированной первичной структуройКаналUL DRD Lg I , пСм+D-KcsA0.8571.07D-KvAPo0.9231.05D-KvAPc0.9341.04D-α/βo0.8711.02D-α/βc0.8691.02LiNa+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+J I , пА0.231.6526.3718.880.020.0830.03511.6810.030.150.0050.0030.0930.0650.0020.0050.531.10.980.010.050.053+LiNa+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+0.0150.1031.5801.1650.0020.0050.0210.7010.6020.0090.00030.00020.00560.00390.000120.0120.0391.0291.0010.0090.0030.032D-Kv1.2o0.9011.01D-Kv1.2c0.8891.01K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+1.10.980.0120.320.5610.756.630.020.0020.020.060.030.002K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+Li+Na+K+Rb+Cs+0.0660.0590.00070.0190.0340.6450.3980.0010.00010.0010.00350.00180.0001Представленные в табл.

3 результаты позволяют утверждать, что радиуспоры и функциональные характеристики хирально модифицированных каналовпрактически совпадают с таковыми для соответствующих природных каналов.При этом хирально модифицированные каналы энергетически более стабильны,чем соответствующие природные каналы (хирально модифицированные каналыпримерно в 1.2 раз энергетически более стабильны, чем существующие природные каналы).В отличие от калиевых каналов, в результате подобных исследованийструктуры хирально модифицированного NR1-центра связывания NMDAрецептора нами установлено, что комплекс природного NR1-центра связыванияNMDA-рецептора и природных D-лигандов энергетически более стабилен, чемкомплекс хирально модифицированного NR1-центра связывания NMDAрецептора и неприродных L-энантиомеров лиганда.

Так для лигандов Gly, Ser иcSer разность энергий комплексов составляет 134.18 ккал/моль, 148.29 ккал/мольи 145.04 ккал/моль, соответственно.Молекулярный комплекс хирально модифицированного NR1-центра связывания NMDA-рецептора и природных D-лигандов энергетически менее стабилен, чем комплекс природного NR1-центра связывания NMDA-рецептора и природного D-лиганда. Для лигандов Gly, Ser и cSer разность энергий комплексовсоставляет 1457.05 ккал/моль, 1443.05 ккал/моль и 1447.99 ккал/моль, соответственно. Данный результат существенно отличается от результата, полученногодля хирально модифицированных калиевых каналов с модельной первичнойструктурой.

Нам представляется вполне очевидным, что для получения значенияэнергии комплекса хирально модифицированного центра связывания NMDA-рецептора с L-лигандом согласующейся с энергией комплекса природного центра связывания NMDA-рецептора и природного лиганда, необходимо, кроме модификации первичной структуры рецептора, использование другого лиганда.Данное обстоятельство обусловлено тем, что, в отличие от иона, лиганд центрасвязывания NMDA-рецептора является более сложной (многоцентровой) молекулярной структурой.Последний результат, возможно, означает, что в биосфере, которая использует D-аминокислоты и L-сахара, совершенно другими были бы клеточныерецепторы и их субстраты.

Следовательно, совершенно другой была бы и всябиохимия клеточных процессов, связанных с рецепцией.Для исключения возможных артефактов метода энергетического выравнивания нами проверены коммутативность операций зеркального отражения и минимизации полной энергии молекулы. Проведено решение обратной задачи построения методом энергетического выравнивания структуры природного каналаиз структуры хирально модифицированного модельного канала с природнымифункциональными характеристиками.

В результате функциональные характеристики модельного и природного канала достаточно хорошо согласуются друг сдругом (абсолютная ошибка составляет не более 3%), а метод энергетическоговыравнивания можно считать надежным методом построения хирально модифицированных каналов с природными функциональными характеристиками.Подобная коммутативность нами проверена также для грамицидиновогоканала – одного из наиболее хорошо изученных каналов, сформированным пептидным антибиотиком грамицидином А.

Грамицидин синтезируется в ходе Sматричного синтеза, который широко распространен у бактерий. ПриS-матричном синтезе пептидов, возникшем на гораздо более поздних стадияхэволюции, чем синтез рибосомальный, могут использоваться нестандартныеаминокислоты, в том числе и D-аминокислоты. В результате проведенного расчета установлено, что расхождение отношений коэффициентов проницаемостейхирально модифицированного и природного грамицидинового канала составляетне более 2%, что подтверждает выполнение коммутативности рассмотренныхопераций.Нам представляется, что в ходе предбиологической эволюции моглисформироваться белки, построенные из D-аминокислот, но с первичной структурой, отличной от существующей природной структуры белков.