Короткие фрагменты белковой глобулы с преобладающей конформацией

УДК 577.322.23: 577.112.7БАТЯНОВСКИЙ Александр ВалерьевичКОРОТКИЕ ОЛИГОПЕПТИДЫ С ПРЕОБЛАДАЮЩЕЙКОНФОРМАЦИЕЙ03.00.02 – биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009 г.3Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институтмолекулярной биологии им.

В.А. Энгельгардта РАН и на кафедреБиофизики Физического факультета Московского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваНаучные руководители: доктор биологических наук, профессорШноль Симон Эльевичкандидат физико-математических наукЕсипова Наталия ГеоргиевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукНамиот Владимир Абрамовичдоктор физико-математических наукНечипуренко Юрий ДмитриевичВедущая организация: Федеральное государственное унитарноепредприятие Государственный научно-исследовательский институтгенетики и селекции промышленных микроорганизмовЗащита состоится «17» декабря 2009 года в 18 час.

на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 5 -19С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУАвтореферат разослан «12» ноября 2009 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукГ.Б. Хомутов4Общая характеристика работыВведение. Актуальность проблемыЗагадка сворачивания глобулярных белков существует уже давно.

Многиеособенности процесса сворачивания белка до сих пор остаются неясными.Конечной стадией этого процесса для многих известных белков являетсядостижение достаточно строго определенной структурной организации – глобулы свысокой плотностью укладки полипептидной цепи. Считается, что сворачиваниебелков диктуется термодинамическими условиями, и конечная структура тогдаявляется энергетическим минимумом. Время достижения конечного состояния вслучае однодоменных белков небольшого размера порядка секунды и меньше, этизначения кажутся весьма малыми (парадокс Левинталя).

Более того, для рядаоднодоменныхглобулярныхбелковустановлено,чтопереходизденатурированного состояния в нативное и обратно, имеет черты, сходные сфазовым переходом первого рода, и осуществляется по принципу все или ничего.«Парадокс Левинталя», был разрешен А.В. Финкельштейн.

В случае большогочисла белков при денатурации наблюдается стабильное состояние, отличное отнативного неупорядоченностью боковых групп аминокислотных остатков, носохраняющее значительную часть вторичной структуры и пространственного ходабелковой цепи нативного состояния – расплавленная глобула. Ренатурация изполностью денатурированного состояния в этом случае проходит через подобноесостояние, что, кстати, отражается на кинетике их сворачивания.Значительноевлияниенаскоростипоискаоптимальныхдляфункционирования структур биополимеров мог бы оказать доменный принциппостроенияпоследовательностейхимическихсимволоввних.Очевиднаяактуальность тематики, связанной с анализом доменной организации на разныхуровнях строения биополимеров, характерна для исследований в области физикибелка в течении нескольких десятилетий.Впоследнеевремяизученновыйкласстакназываемых«нативнонеупорядоченных белков». Плотная глобула в них может возникать после5взаимодействияслигандамиилиобразованиякомплексовсдругимибиополимерами.

Это повысило интерес к проблемам структуроробразованиякоротких пептидов и олигопептидов в составе белков.Считается, что в целом структура коротких олигопептидов определяетсямножеством внешних факторов, с другой стороны, некоторые фрагменты белковыхглобул в определенных условиях могут проявлять склонность к конкретнойпространственной структуре, о чем, кроме представленных в одной из наших работданных, свидетельствует большое количество наблюдений и компьютерныхсимуляций.Намудалосьвыявитьследующиехарактеристикикороткихтетрапептидов, проявляющих предпочтения к определенным конформационнымсостояниям: доля таких тетрапептидов во всем списке комбинаторно возможныхтетрапептидов составляет чуть менее 1%; доля общей длины фрагментов,составленных из стабильных олигопептидов, от общей длины аминокислотнойпоследовательности всей выборки, из которой конформационно стабильныеолигопептиды получены, – 0,04; предпочтительная конформация обнаруженных вработестабильныхпоследовательностей–α-спираль;аминокислотныепоследовательности структурно устойчивых пептидов достаточно разнообразны.Такиефрагментыбелковыхпоследовательностей,иногдадажевизолированном состоянии в растворе принимают ту конформацию, в которой онинаходятся в составе белковых глобул.

Даже небольшие фрагменты, длиной отдесяти и меньше аминокислот, нередко воссоздают структуру, свойственную им всоставе белка. В некоторых подходах к предсказанию белковых структуриспользуют конформационные свойства пептидов из PDB. Можно ли ожидатьпредпочтенияопределенныхструктурукороткихпептидов,насколькораспространено это явление, начиная с какой длины и в каких условиях его можнонаблюдать, и какую роль(и) оно может играть в складывании и стабильности белка?Показано, что в некоторых случаях структуры олигопептидов, длиной в восемьаминокислот, рассчитанные с помощью методов молекулярной динамики, и ихконформационные состояния в нативной белковой глобуле совпадают. В одной изработ, проведенных ранее в нашей лаборатории, предсказание такой структуры как6левая спираль типа полипролин II проводилось на основе сбора информации повсем конформациям, которые принимает конкретный тетрапептид в составе белковво всем банке PDB.

Так образом определяются предпочтения к этой конформации.К сожалению, в данном методе определение преференций было проведено толькодля канонических конформаций и конформаций с комбинациями углов φ и ψ,свойственных каноническим.Предрасположенность большинства коротких фрагментов к каким-либоструктурам в составе белковой глобулы, скорее всего, не определяется дальнимивзаимодействиями, и может быть обусловленной либо особенностями входящих волигопептид аминокислот, либо некоей предысторией образования белковыхглобул.

Подобную предпочтительность можно увидеть, сравнивая принимаемыеолигопептидом конформации в различных структурах.Возможнаяопределенныхи,какмывыраженныхвидим,весьмаконформационныхвероятнаяпредпочтительностьвариантовдлянекоторыхаминокислотных последовательностей в структурах белковых глобул, являясьструктурным инвариантом, может играть важную роль в складывании белковойглобулы и, быть может, в поддержании её структуры. А в таком случае указаннаяпредпочтительностьстановитсяважныммоментомвразрешениидавнопоставленной задачи, которую называют кратко – проблема белка.Так или иначе, но поиск и изучение коротких олигопептидов является крайневажным моментом в изучении природы белка, даже если и не полагать ключевой ихроль в процессе создания и определения верной укладки нативной молекулы. Вопервых, интересным является вопрос о наличии структурно самостоятельныхэлементов глобулы. Во-вторых, возможно, подобные фрагменты могут нестиинформацию о начальных этапах организации глобулы белка, экспериментальныеметоды изучения которых весьма и весьма ограничены.

В-третьих, короткиефрагменты по причине небольшого количества включенных элементов достаточнолегко моделируются с помощью численных компьютерных методов, и информацияо структурной определенности в этом плане может иметь ценность сама по себе.7Цели и задачи исследованияГлавной целью исследования было выявление конформационно-стабильныхолигопептидов с использованием всей доступной на сегодня информации оструктурах глбулярных и фибриллярных белков.В задачи работы входило:Разработка метода выявления стабильных олигопептидов и создания списка(каталога) таких фрагментов для последующего исследования.Структурную стабильность короткого аминокислотного фрагмента можнопонимать как энергетическую выгодность определенной конформации длявыбранного пептида (основной проблемой такого рода анализа является выборприемлемого метода оценки энергетики), или как статистически наблюдаемоепредпочтение определенных структурных форм в структурах достаточно широкогонабора белков (главный недостаток – статистический (вероятностный) смыслрезультата и сложность его интерпретации).

Задача данной работы сводится ковторому варианту. Итак, первая задача данной работы состояла в определенииолигопептидов, находящихся в большинстве белков в одной и той же структурнойформе,споследующимизучениемосновныхтиповпредпочтительныхконформационных состояний олигопептидов. Для полноценного и систематичногоисследованиянеобходимобылосоздатьбазуданных,содержащуюпространственные и статистические характеристики каждого из олигопептидов,определенных как конформационно-стабильные.Исследования характерных структурных и аминокислотных свойств всегонабора выбранных последовательностей.Отметим, что получение конформационно-стабильных олигопептидов есть нестолько результат, сколько получение материала для дальнейшего исследования.Важнойпромежуточнойконформационныхсвойствзадачейкакпроведённойработыпоследовательностей,былоизучениеаннотированныхкакстабильные, в целом, так и аминокислотных остатков, составляющих такиеполипептидныецепибелков.Первоеважнодляобщейинтерпретациииспользуемых стабильных геометрий, и разделения их на независимые группы.8Второе важно в решении задачи выявления закономерностей в аминокислотныхпоследовательностях стабильных олигопептидов в составе белковых глобул.Изучение некоторых частных случаев включения стабильных олигопептидов вотдельные белковые структуры.В этом плане интересны случаи включения этих фрагментов в белки, поотношению к которым возможна дополнительная интерпретация факта наличия ирасположения таких статистически стабильных элементов (таких как проколлаген).Сопоставлениепоследовательностяхразметкиистабильныхположенийфрагментовэкспериментальновбелковыхопределенныхядерсворачивания.Важной задачей исследования так же явилось наложение положениястабильных олигопептидов в белковой последовательности на значения величиныΦ, по которой определяются положения ядер сворачивания.Изучение распределения стабильных участков по глобулярным структурам.Оценка расположения и ориентации между соседствующими в пространствепоследовательностями с преобладающей конформацией.При рассмотрении перехода от локального порядка к правильной укладкебелковой цепи, от малых структурных инвариантов к контролю архитектурыбелковой глобулы, следует ожидать, что такие структурно определённые позициипо некоторому общему принципу влияют на остальные элементы переходногосостояния.

Кроме того, допустимо взаимодействие между такими, быть может,инициирующими мотивами и их взаимное влияние на перестраиваемое окружение.Втакомслучае,изучениераспределенияконформационно-стабильныхолигопептидов в аминокислотных последовательностях и в структуре глобулы, ихвзаимное расположение и ориентация может дать интересные результаты,позволяющие ближе подойти к исследованию роли таких элементов в определенииструктурных мотивов и физических или иных причин наблюдаемой стабильности.Изучение сходства и различий в картинах расположения стабильныхолигопептидов по структурам белков с близкими архитектурами, но с различнойаминокислотной последовательностью.9Научная новизнаНаучная новизна работы связана с оригинальностью постановки задачи,заключающейся в разработке критерия выделения конформационно-стабильныхучастков, метода, реализующего использования этого критерия и, наконец,результатов сканирования полного банка данных белковых структур, обобщенных вСписки конкретных конформационно-стабильных пептидов.