Диссертация (1102956), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Поверхностные молекулы воды, образующие гидратную оболочку, подвижнее сильно связанных молекул, их водородные связи могут бытьискажены, именно этот тип молекул исследуется в данной работе.Свойства первого гидратного слоя воды определяются свойствами поверхности белка,а также дипольным моментом, поляризуемостью и способностью каждой молекулы водыобразовывать водородые связи. Молекулы воды взаимодействуют с макромолекулами намалых расстояниях (∼ Å).В ряде численных работ по моделированию установлено, что плотность слоя толщины (1- 5)A на 15% превосходит плотность объёмной воды. Основная причина - это возмущениетопологии сетки водородных связей воды [45].
Это возмущение состоит в изменении внутренних параметров сетки: уменьшении расстояния О..О и увеличении координационнго числамолекулы воды. Показано, что различия в плотности первой гидратной оболочки по сравнению с объёмной водой определяются топологическими и электростатическими свойствамиповерхностей белков. В среднем, более плотная вода находится в сжатом состоянии, прикотором водные диполи стремятся выровняться параллельно друг другу электростатическимполем, создаваемым атомами белка [46].Наряду с изучением специфических свойств функции плотности растворителя в зависимости от расстояния до белка, нам также важны функции распределения.
Существуют20работы [5], в которых говорится о специфической структуре потенциала, имеющей периодическую структуру, что характеризует наличие чётко выраженных гидратных оболочек, непохожих по своей структуре на объёмную воду.При экспериментальном исследовании гидратации белков топология связанной воды неподвергается подробному анализу, чаще всего доминирует представление о связанной водекак о структуре льда. В теоретических исследованиях, как правило, анализируются парныевзаимодействия ближнего порядка, поэтому вопрос о топологии также не рассматривается.Определение топологии или характера связей молекул воды в гидратной оболочке - непростаязадача для численного моделирования, а также для доказательства соответствия результатовмоделирования и реальных физических свойств объектов.Параметры моделирования должны, прежде всего, обладать понятным физическимсмыслом, а результаты моделирования должны совпадать с экспериментальными данными,при этом требования к компьютерным мощностям должны оставаться в разумных пределах.Физические свойства первой гидратной оболочки макромолекул отличаются от свойствобъёмной воды, некоторые из них известны, и могут быть измерены: температура фазовогоперехода, диэлектрическая постоянная, параметр релаксации ЯМР, калориметрическиехарактеристики, кинетические характеристики, например, коэффициент самодиффузии.Основные факторы, которые определяют структуру белка, - это кулоновское и ван-дерваальсово взаимодействия, а также взаимодействия с ближайшими молекулами воды, приэтом характер поверхности белка является ведущим фактором для определения топологиисвязанной воды.Белки различаются по своей структуре на 2 больших класса: глобулярные и фибриллярные.
Фибриллярные белки представляются собой периодически повторяющиеся спиральныеструктуры. Примером фибриллярного белка является коллаген.Коллаген – один из самых распространённых и важных структурных белков, он характеризуется специфической последовательностью аминокислотных остатков [-Gly-X-Y-], вданных обозначениях Gly – глицин, X, Y – чаще всего пролин или гидроксипролин. Структура и функции коллагена достаточно хорошо изучены. Экспериментальные данные даютнам представление об основных мотивах (паттернах) третичной структуры коллагена.
Былоустановлено [48], что вода играет важную роль в формировании структуры нативной конформации коллагена. С помощью различных экспериментальных техник (например, ЯМРи диэлектрическая релаксация) было показано, что молекулы воды в структурах волоконколлагена менее подвижны, чем в объёмной воде.21Результаты экспериментов могут быть интерпретированы по-разному. С одной стороны,молекулы воды тесно связаны со специфическими областями цепочек коллагена, с другойстороны – можно предположить гипотезу о заполнении межмолекулярного пространствасеткой водородных связей. В исследованиях методом ЯМР [49] было подтверждено, что молекулы воды формируют цепочки водородных связей вокруг молекулы коллагена. Согласноэкспериментальным данным, существует некоторый высокоупорядоченный гидратный слой,содержащий около 24% воды в отношении к сухому коллагену.В работе [50] представлен подробный теоретический анализ структуры водного слоянебольшого фрагмента коллагена.
Были исследованы кристаллическая структура [Gly →Ala], определённая с разрешением 1.85 Å. Молекулы воды вокруг C-группы и группыгидроксипролин – гидроксил организованы в упорядоченные пространственные структуры.Присутствует повторяющийся мотив водных мостиков, которые связывают атомы кислородамежду цепочками белка.
Водные молекулы формируют кластер структур, окружающих исвязывающих фибриллы в тройную спираль.С помощью рентгеноструктурной кристаллографии [51] удалось представить упорядочивание воды вокруг полярных и заряженных боковых цепей белка. Были получены иисследованы фрагменты маннозо-связывающего белка А крысы с разрешением 1.8Å.
Спомощью диэлектрической спектроскопии удалось представить характер взаимодействиябелок - вода на больших временных масштабах (до микросекунд). С помощью метода рассеяния нейтронов и ЯМР были исследованы особенности «медленных» (с большим временнымпериодом) движений белка и «быстрых» движений растворителя, обнаружены корреляциив подвижности белковой цепи и связанной воды.Таким образом, множество проведённых численных и экспериментальных исследованийговорят о сложном характере взаимодействия белка с молекулами растворителя.1.9 Понятие топологии структуры.Под топологией гидратной оболочки будем понимать алгоритм соединения молекул водыпосредством водородных связей.
Геометрия изолированной молекулы воды накладывает рядограничений на геометрические параметры всей сетки водородных связей и на ее топологию:топология сетки зависит от валентного угла молекулы, так как валентный угол влияет наплотность и структуру соединения молекул между собой водородными связями.Известный широкий полиморфизм льдов характеризуется различными алгоритмамисоединения молекул воды водородными связями и, как следствие, различными внутренними22параметрами: радиальная функция О-О, распределение валентных и торсионных угловпри практическом сохранении геометрии отдельной молекулы. Традиционный подход крассмотрению систем с водородными связями состоит в статистическом рассмотрении геометрических и энергетических параметров.
Обращается внимание на важность алгоритмови топологии структуры связанной воды с биополимерами в работе [52].В нашей работе для исследования были выбраны белки, по-разному взаимодействующие сводой: различные виды коллагена и его фрагметов. Результаты, полученные для стуктурныхбелков, коллагенов, сравнивались с аналогичным характеристиками для небольшого консервативного белка убиквитина. Свойства коллагена описаны выше, рассмотрим основныехарактеристики убиквитина.Убиквитин - один из самых распространённых белков в природе, синтез данного белкапроисходит во всех эукариотических клетках.
Одна из форм убиквитина является маркеромдеградации белков, выполнивших свою функцию. Однако система убиквитина вовлечена ив другие важные процессы в клетке, например, развитие, реакция на стресс и т.д.1.10 Кристаллографические и параметрическая модель связанной водыВ работах [55], [56], [57] рассмотрены области внутри глобулы белка, в которых воданаходится в связанном состоянии. Связанная вода на поверхности белка и внутри глобулыотличается по своим свойствам от объёмной воды.
В первую очередь эти различия оказываютвлияние на кинетические характеристики, молярный объём и другие параметры.Представим молекулу воды как искажённый тетраэдр, так как идеальный угол в тетраэдре - 109.28 ◦ , а в водной молекуле - 104.5◦ . Эта модель позволяет организовать непрерывнуютрёхмерную сетку тетраэдрических частиц. Примерами такой сетки являются кристаллические решетки типа льда-Ih и алмаза [60], данные структуры состоят из гексациклов.Хорошо известны следующие конформации гексациклов:• кресло (все торсионные углы составляют 60◦ (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
