Компьютерное моделирование и статистическиий анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов (1103432), страница 3
Текст из файла (страница 3)
1). Продолжая далее аналогию с термодинамикой многофазных систем,13Рис. 4. Встречаемость некоторых аминокислот в белках различного размера, включая полную встречаемость, встречаемость на поверхности и встречаемость в ядре. Горизонтальныелинии в каждом случае представляют втречаемость, усреднённую по всем белковым структурам с размером большим 300 АКО. Каждая точка представляет данные, усреднённые поокну шириной 40 АКО. Стандартные отклонения представлены вертикальными линиями.группа всех АКО, которые удовлетворяют определённым критериям по экспонированности, была названа статистической (виртуальной) фазой, а логарифмотношения концентраций АКО в различных фазах – статистической энергиейпереноса АКО между различными виртуальными фазами (см.
ур. 2). = ∑︀= − ln 12(1)(2)где это количество остатков типа в статистической фазе, -статистическая энергия переноса.Такая аналогия по отношению к распределению АКО между ядром–поверхностью белка и динамическому распределению отдельных аминокислот (или соединений аналогов) между различными фазами в эксперименте (определяемоесвободной энергией переноса вещества из одной фазы в другую) имеет теоретическое обоснование с точки зрения модели случайных энергий гетерополимерной глобулы [1] (о чём рассказывается в разделе 1.3.1 первой главы).
Тот факт,14Рис. 5. Зависимость концентрации остатков в “статистической фазе” от экспонированностиАКО для некоторых аминокислот. Точка в нуле соответствует данным по всем неэкспонированным остаткам.что встречаемость структурных элементов в белках имеет квази-Больцмановскую статистику по отношению к “энергии” этого элемента, даёт нам правоставить вопрос о поиске корреляций между статистическими энергиями переноса АКО, вычисленными по уравнению 2, и экспериментально известнымиэнергиями переноса аминокислот и их производных между различными несмешивающимися растворителями.Для всех остатков были вычислены и построены зависимости относительной концентрации от степени экспонированности (см.
пример на Рис. 5). Данные зависимости могут быть преобразованы в профили статистической свободной энергии различных АКО. Такие профили для всех аминокислот были проанализированы, сгруппированы по подобию и формам профилей, была данасоответствующая интерпретация, основанная на известных свойствах аминокислот и их боковых цепей.Определение такого растворителя, чтобы энергии переноса аминокислотмежду водой и этим растворителем наилучшим образом коррелировали с наблюдаемым распределением аминокислот в белках, с одной стороны даёт фундаментальную информацию о свойствах и полярности внутренности белковойглобулы, а с другой определяет численные шкалы энергий погружения АКОв белковую глобулу, которые находят широкое применений в методах QSAR.15В то же время понятно, что расчёт корреляций может зависеть от критериевразделения АКО на поверхностные и ядерные.
В большинстве предыдущих работ по смежной тематике данному факту не уделялось достаточного внимания,поэтому зачастую получались противоречивые результаты.В данной работе было решено проанализировать сразу целое множествокритериев подразделения АКО на поверхностные и ядерные, основанные наразличных уровнях экспонированности боковых цепей аминокислот, и одновременно вычислить для них коэффициенты корреляции с несколькими экспериментальными шкалами, в частности, шкалами переноса аминокислот или подобных соединений между фазами вода/пар, вода/циклогексан, вода/октанол,октанол/циклогексан, а также шкалой энергий адсорбции на границу разделавода/воздух.
АКО считались находящимися в ядре глобулы, если экспонированность боковой цепи была равна 0 (отдельно также исследовался случай ненулевой экспонированности, но тем не менее близкой к нулю). Поверхностнымисчитались АКО с экспонированностью в узком интервале около переменногозначения X. Построенные графики зависимости коэффициентов корреляцииот значения X и других критериев разделения подтвердили предположениео серьёзной зависимости коэффициента корреляции от критериев разделенияостатков на поверхностные и ядерные. При этом было показано, что для различных экспериментальных шкал наилучшие значения корреляции достигаются при различных критериях.По итогам анализа критериев классификации остатков было введено тришкалы статистических энергий переноса АКО из ядра белка (экспонированность 0) в виртуальные фазы с экспонированностями в пределах (I) 10-20%, (II)50-60%, (III) 95-105%.
Все шкалы отличались хорошо выраженной корреляциейлишь с одним из экспериментальных наборов данных. Так коэффициент корреляции для шкалы (I) c энергиями переноса вода/пар составлял 0.93, а с энергиями вода/октанол лишь 0.73, для шкалы (III) наблюдалась обратная картина –0.57 против 0.93.
Для выявления причин таких зависимостей были построены ипроанализированы специальные двумерные диаграммы. Показано, что предложенные статистических шкалы отличаются по своей “чувствительности”. Шка16Рис. 6. Химическая формула изучаемого соединения.ла (i) ухватывает только грубые тенденции для АКО быть экспонированнымиили погружёнными в ядро, а шкалы (ii) и (iii) более чувствительны к особенностям строения и поведения остатков. Аналогичные утверждения можно сделать относительно экспериментальных шкал, с которыми наилучшим образомкоррелируют статистические шкалы.В последнем разделе главы приводятся соображения об особенностях строения белковых глобул, которые приводят к отклонению корреляций от идеальных. Обсуждается роль конформационных вкладов, специфических взаимодействий, функциональных ограничений и т.д.В пятой главе излагаются результаты работы по атомистическому моделированию нанофибрилл из молекул гибридов олиготиофена и олигопептида[Thr-Val]3 (Рис.
6). Результаты данного раздела работы отражены в статье [A3].Соединение 1 (модифицированное ПЭГ) было синтезированно и исследовано вгруппе профессора Бауэрли (Ульм, Германия)[2]. Было показано, что молекулы соединения 1 способны самособираться в нанофибриллы толщиной 6-8 нм,длиной 100-300 нм, которые в свою очередь формируют волокнистые агрегатыбо́льших размеров (см. Рис. 7).Задачей данной работы являлось предсказание различных упаковок молекул в фибриллярные агрегаты, на основе имеющихся экспериментальныхданных, оценка стабильности и характеристик получаемых фибрилл методоммолекулярной динамики, выработка наиболее удовлетворительной модели. Длясоздания молекулярных структур фибрилл был использован подход рационального иерархического конструирования с применением методов молекулярнойдинамики и молекулярной механики.
Суть данного подхода состоит в последовательном конструировании молекулярных агрегатов с пошаговой оптимиза17Рис. 7. Изображение фибрилл на подложке, формируемых соединением 1, полученное методоматомно-силовой микроскопии после осажденияфибрилл из раствора (50% метанол:50% дихлорметан) на слюду методом spin-coating [2].цией структуры на основе представлений об иерархии взаимодействий присутствующих в таких системах и использовании экспериментальных данных придизайне агрегатов. Проанализировав литературные данные и приняв во внимание данные ИР-спектроскопии, указывающие на формирование бета-слоёв врастворе вещества 1, за основу построения агрегатов была принята организация пептидных сегментов в периодический параллельный или антипараллельный бета-слой.Была создана периодическая ячейка из двух молекул, образующих бетаслой, с периодом 4.8 Å на один бета-лист и затем молекулы были оптимизированы в периодической ячейке методами молекулярной механики и динамики(см.
Рис. 8). Данные периодические ячейки послужили кирпичиками для построения длинных однослойных фибрилл.На основе однослойных упаковок были созданы различные двуслойныеупаковки из 4 молекул в периодической ячейке. Всего было проанализировано 5 различных вероятных укладок. Данные упаковки могут быть различныхтипов в зависимости от того, какими сторонами и в каком направлении соединены слои (см. Рис. 9). Двуслойные агрегаты были отрелаксированы методоммолекулярной динамики, чтобы боковые цепи аминокиcлот нашли положениесоответствующее минимуму свободной энергии. Для всех различных двуслойных укладок была вычислена энтальпия образования. На основании этих данных и рационального анализа были отобраны две укладки ((II) и (III)) для18Рис.
8. Схематическое изображение упаковок для однослойных фибрилл (справа) и соответствующие им периодические ячейки из двух молекул (слева): а) вариант антипараллельнойупаковки пептидных частей, б) вариант параллельной упаковки пептидных частей.Рис. 9. Схематическое изображение возможных упаковок двуслойных фибрилл.19Рис. 10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
