Диссертация (1103954), страница 24
Текст из файла (страница 24)
4.1 B,E). A. � = 0 B. � = −20∘.В зависимости от состава заместителей, дисахариды могут существовать в некоторых стерически выгодных конформациях, которые не могут быть однозначно классифицированы как син - или анти -состояния.Такие конформации мы обозначили как дополнительные (supplementary, �n), и значениясвободной энергии для этих состояний приведены в табл.
4.1. В Gal-Man конформация�1 (рис. 4.2 A,D) стабилизируется электростатическим взаимодействием между атомом O2галактозы и положительно заряженными атомами маннозы C2 и HC2. В Man-Rha можновыделить два дополнительных минимума энергии вокруг состояния �ψ , характеризуемыеслабым взаимодействием между атомами кислорода маннозы и рамнозы: O5-O6 в состоянии �2 (рис. 4.2 B,E), и O2-O6 в состоянии �3, заселенном в поле GLYCAM (рис. 4.2 E).В поле OPLS-AA в Man-Rha в дополнение к �ϕ существует локально выгодное состояние�4 (рис.
4.2 B), стабилизированное взаимодействием атома маннозы O4 и атома рамнозы O3.Эта конформация соответствует области пониженной энергии в поле GLYCAM (рис. 4.2 E).Четко выраженная область с низкой свободной энергией, которую мы обозначили как �5,соответствует состоянию ��, сдвинутому из-за симметричной ориентации заместителей вMan-Rha (рис. 4.2 B,E).
Состояние �6 в Rha-Gal стабилизируется взаимодействием атомоврамнозы O6 и галактозы O2 (рис. 4.2 C,F). Из всех дополнительных конформаций единственное относительно заселенное состояние — это состояние �2 в Man-Rha (рис. 4.4 C), вто время как другие дополнительные состояния имеют очень высокие значения свободной1.1.1.3Дополнительные энергетические минимумы.122энергии и заселены сравнительно мало (табл. 4.1).1.1.2Конформации пиранозных колецВ дисахаридах конформации углеводного кольца существенно влияют на взаимную ориентацию остатков.
Тем не менее, согласно анализу распределения свободной энергии, основные состояния углеводных колец в дисахаридах в состоянияхмономерах, тогда как для нескольких состояний�ϕсин -и�ψтакие же, как вболее предпочтительны конформации“твист” (табл. 4.2, например, в остатке маннозы в составе Man-Rha�ϕ ). Переход от основно-го состояния к альтернативному креслу или к конформации твист более вероятен в моделяхGLYCAM (табл. 4.2).
Этот эффект особенно выражен в случае галактозного остатка в состоянии, соответствующем глобальному энергетическому минимуму для О-гликозидной связиRha-Gal. Разница в значениях энергии между конформациями формамисоставляюти∼ 15.525.3 кДж/мольи9.5 кДж/моль,414C1 - C4 и C1 -твистсоответственно, в поле GLYCAM по сравнению с∼ 39.0в поле OPLS-AA (табл. 4.2).Как известно, два альтернативных кресла для рассматриваемых пиранозных колец имеютразличную свободную энергию, обусловленную экваториальной или аксиальной ориентациейобъемных боковых заместителей [227] (см.
раздел 2.3 главы 1). Таким образом, конформациякольца�-L-рамнозы 1 C4относится к основному состоянию, так как гидроксилы при C1 и C2углеродах ориентированы в аксиальном направлении, тогда как C3 и C4 гидроксилы и метильная группа имеют экваториальную ориентацию. По той же причине, предпочтительнойконформацией�-D-маннозыи�-D-галактозыявляется4C1 . Так как в остатке рамнозы гид-1роксил C5 восстановлен до метильной группы, разница энергий между конформациями C4 и4C1 для рамнозы должна быть меньше, чем для молекул маннозы и галактозы, где экватори-альная ориентация C5 является принципиальной в силу большого размера заместителя. Этагипотеза подтверждается при анализе распределения свободной энергии для рассмотренныхдисахаридов (табл.
4.2). В самом деле, разница в значениях свободной энергии между конформациями альтернативных кресел маннозы и галактозы составляет29.6 ± 6.0 кДж/моль,что существенно больше, чем для разница энергий для остатка рамнозы (6.8±2.4 кДж/моль).123Таблица 4.2: Относительные свободные PMF-энергии для различных конформаций пиранозных колец в моделях дисахаридов OPLS-AA и GLYCAM согласно результатам вакуумныхрасчетов (кДж/моль). Для каждого заселенного состояния (�� ,�ψ , �ϕ ;рис. 4.2) энергети-чески выгодная конформация кольца каждого остатка рассматривается как основное состояние с нулевой энергией.
Свободные энергии альтернативных конформаций рассчитываютсяотносительно этих основных состояний в каждом заселенном состоянии.α-DGal-(1→2)-α-DManGBC4 37.6 ± 8.34C10.0твист 22.1 ± 2.11C4 45.7 ± 10.340.0C1твист 24.5 ± 2.61C4—4C1—твист—RhaManGal1C44C1твист1C44C1твист1C44C1твистRhaManGal11.1.3AψAϕ26.7 ± 7.3 18.5 ± 5.80.00.011.5 ± 3.7 5.1 ± 1.7α-DMan-(1→4)-α-LRhaGBAψAϕ———OPLS-AA——————32.7 ± 7.0 26.8 ± 5.4 13.6 ± 1.6 9.5 ± 1.70.00.00.00.024.2 ± 6.4 15.1 ± 3.9 12.6 ± 1.5 7.2 ± 0.4——————61.0 ± 7.8 49.8 ± 4.8 34.9 ± 2.50.00.02.6 ± 0.25.2 ± 0.62.6 ± 0.15.0 ± 0.1———GLYCAM———2.1 ± 3.06.0 ± 1.50.00.5 ± 1.00.0———0.04.5 ± 2.317.2 ± 0.17.5 ± 0.60.016.6 ± 0.89.6 ± 5.6 22.3 ± 6.9 12.4 ± 0.2 12.3 ± 1.0 4.7 ± 2.08.8 ± 0.1———0.00.00.00.010.6 ± 0.9 18.8 ± 3.2 10.6 ± 0.1 10.1 ± 0.3——————0.00.0-LRha-(1→3)-α-DGalGBAψAϕ39.0 ± 7.9 46.1 ± 3.5 23.9 ± 7.30.00.00.025.3 ± 0.8 29.3 ± 5.5 13.9 ± 3.7—————————0.00.02.4 ± 1.34.6 ± 1.2 7.5 ± 1.6 45.7 ± 4.9 10.2 ± 3.40.00.0α6.5 ± 1.30.00.014.5 ± 0.2 11.8 ± 1.20.015.5 ± 0.8 22.3 ± 0.8 7.3 ± 3.20.00.00.09.5 ± 0.37.2 ± 0.85.2 ± 3.90.00.09.2 ± 1.5—————————8.3 ± 0.3 12.8 ± 0.6 9.2 ± 1.5 8.7 ± 0.2 12.6 ± 2.70.09.4 ± 0.1 12.3 ± 0.3 10.8 ± 1.4 10.5 ± 0.3 9.7 ± 1.15.3 ± 1.2Основные выводы о локальной подвижности дисахаридных фрагментовНаиболее существенная разница в конформационном поведении, наблюдаемая в расчетахдисахаридов с использованием силовых полей OPLS-AA и GLYCAM, проявляется в засе-124ленности состояний�ψдля Man-Rha.
Мы показали, что полученный профиль энергии вполе OPLS-AA ближе к результатам расчетовab initio , чем аналогичный профиль энергии вмодели GLYCAM. Следовательно, низкие значения энергии в состояниигетическим барьером перехода�ψ → ���ψс высоким энер-в силовом поле GLYCAM, скорее всего, являетсяартефактом параметризации, который, как будет показано в разделе 1.2.2, приводит к нереалистичным результатам при моделировании длинной полисахаридной цепи. Аналогичныйэффект наблюдался при сравнении расчетов в силовых полях GLYCAM и CHARMM примоделировании конформационной подвижности дисахаридов, выделенных изpneumoniae[28] и богатого рамнозой О-антигенаSh. lexneriStreptococcus[30]. По сравнению с моделя-ми в поле CHARMM, модели в поле GLYCAM имеют более широкие бассейны глобальногоминимума энергии и более глубокие вторичные минимумы.Еще один интересный результат касается конформационной подвижности остатка рамнозы, выворачивание кольца которого происходит гораздо чаще по сравнению с кольцамиманнозы и галактозы.
Поскольку альтернативные конформации кресла часто встречаютсяв состояниях�ψ ,энтропияанти -конформацийдолжна быть больше для фрагментов, со-держащих рамнозу. Эта гипотеза далее была проверена при расчетах динамики длиннойО-антигенной цепи в разделе 1.2.2.1.2Конформационная подвижности длинной цепи О-антигенаКак было показано в предыдущих модельных расчетах [30, 31], данные о конформационнойподвижности коротких фрагментов не достаточны для выводов о глобальной подвижностидлинной полисахаридной цепи.
Взаимодействие дистальных частей О-антигена может приводить к формированию дополнительных стабильных структур, появление которых невозможно предсказать через анализ результатов, полученных для дисахаридов. Данный разделпосвящен описанию результатов моделирования О-антигенной цепи длиной12 повторяющих-ся звеньев в растворе и сравнительному анализу поведения моделей О-антигенов в силовыхполях GLYCAM и OPLS-AA.1.2.1Стартовая конформация О-антигенаВыбор правильной исходной конформации О-антигена имеет решающее значение для результатов МД расчетов. Высокая подвижность и большое количество степеней свободы делаютпространство конформаций О-антигенной цепи очень сложным.
Поэтому некорректный выбор начальных координат атомов может привести молекулу в область конформационного125объема, отделенную от нативного состояния высоким энтропийным барьером.В работе [25] авторы использовали площадь проекции О-антигена на плоскость мембраныкак единственный критерий выбора исходной конформации для расчетов модельных мембран. Произвольные вытянутые конформации были также выбраны в качестве стартовыхструктур для молекулярной модели одиночного ЛПС в работе [274] и при моделированиидинамики свободного О-антигена в работе [30]. Мы используем альтернативный подход, который ранее продемонстрировал хорошее соответствие экспериментальным данным (ЯМР)для молекул пентасахаридов [29].
В качестве начального состояния мы выбрали энергетически выгодную конформацию цепи, ориентируясь на результаты оценки значений свободнойэнергии, полученные в расчетах для дисахаридов. Конформации пиранозных колец быливыставлены в энергетически выгодные конформации: 4C1 для маннозы и галактозы и 1C4для рамнозы, являющиеся основными состояниями соответствующих мономеров в составедисахаридов (табл. 4.2).
Все углы (�, �) также были выставлены в соответствие со значениями соответствующих минимумов свободной энергии для дисахаридов (рис. 4.2, табл. 4.1).Мы также фиксировали значения двугранных углов, определяющих ориентацию боковогоостатка абеквозы.В первом приближении полученная структура близка к сильно вытянутой спирали 31 сдиаметром 12.5 Å, измеренной с учетом боковых углеводных остатков, и шагом 30 Å (рис. 4.6).Более точно эта структура может быть описана как спираль типа 187 из-за сдвига угламежду первым и четвертым звеном О-антигена на 60∘ за один оборот спирали (рис.
4.6 В).Полученные параметры спиральной структуры близки к тем, которые были ранее измереныдля пентасахаридного О-антигена Sh. lexneri (спираль с диаметром 15 Å и шагом 19.4 Å [29]).Рис. 4.6: Энергически выгодная спиральная структура O-антигена (спираль 187): вид сбоку (A) и с начала цепи (B). Повторяющиеся звенья окрашены с начала цепочки, цифрыуказывают их порядок на обоих рисунках. Стрелки показывают направление поворота отпервого до четвертого звена.126Принимая во внимание стереоселективность работы ферментов, мы предполагаем, что отдельные олигосахаридные фрагменты непосредственно после их синтеза имеют спиральнуюструктуру.
Действительно, если ферменты добавляют каждую новую единицу стереоспецифичным образом, значения двугранных углов и конформации колец будут одинаковымивдоль цепи, что приведет к образованию спиральной структуры, позже разрушенной за счеттеплового движения. Таким образом, используя спираль в качестве стартовой структуры Оантигена для расчетов МД, мы потенциально имеем возможность правильно воспроизвестипути эволюции его конформации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
