Диссертация (1103954), страница 26
Текст из файла (страница 26)
4.8 B) и стремительной компактизации цепи (рис. 4.9 В). Несмотря на различиев деталях внутренней структуры, полученные глобулы имеют примерно одинаковые размеры и, по-видимому, сохраняют компактное состояние в течение времен намного больших,чем могут быть смоделированы в МД расчетах (рис. 4.9 B). Ни для одной связи � ���ℎ�,перешедшей в состояние �ψ , мы не наблюдали обратных переходов за время расчетов.1.2.4Расчеты при повышенной температуреРазница в поведении двух моделей, наблюдаемая в расчетах МД при температуре 300 K, связана с существенно различной параметризацией силовых полей OPLS-AA и GLYCAM. Чтобыпроверить, является ли эта разница качественной, необходимо удостовериться, что поведение цепи, наблюдаемое в наших 400 нс расчетах, может быть экстраполировано на большиевремена.
Для этой цели часто используют МД расчеты с обменом репликами, увеличивающие выборку по рассматриваемым конформациям (replica exchange molecular dynamics,REMD) [275]. К сожалению, мы не могли использовать классический метод REMD для нашей системы из-за очень высоких вычислительных затрат. Вместо этого, мы провели сериювысокотемпературных расчетов (при температуре 500 K, рис.
4.10) и сравнили поведениеО-антигенных цепей с результатами моделирования при комнатной температуре как на молекулярном уровне, так и на уровне локальных структурных переходов.132Рис. 4.10: Радиус инерции цепи O-антигена ви GLYCAM (B) при температуре500 K.400 нс расчетах в силовых полях OPLS-AA (A)Конформации цепи изображены для расчетов, соот-ветствующих красным графикам с шагом по времени в1.2.4.150 нс.Поведение цепи в силовом поле OPLS-AA.При температуре в500 KцепьО-антигена продемонстрировала высокую конформационную подвижность во всех расчетахв силовом поле OPLS-AA (рис.
4.10 A). Мы обнаружили множественные переходы междувытянутым состоянием, состоянием клубка и компактными глобулярными состояниями, чтопозволило нам оценить относительную заселенность различных областей конформационногообъема. Структурная реорганизация О-антигена происходила в результате случайных локальных переходов как в O-гликозидных связях, так и в конформациях пиранозных колец.A150B274C150244100100RR214LR5050ψ100S5LR050RR01841540LL124-50-50LL-5094LL-100-100-150-150-50-150 -100150050φ100150D-100Aψ-150 -100150-50050φ6434-150100150-150 -100E-500φ50100150164F1504146100100505050000-50-50-50-100-100-100-150-150-150θ1001281109274-50-150 -100050χ100150-150 -100-50050χ100150563820-150 -100-500χ50No.
of realizations / degree2150No. of realizations / degree21332100150Рис. 4.11: Заселенность различных конформаций цепи О-антигена в координатах (�, �) (верхний ряд) и(�, �)температурединатах(нижний рядом), рассчитанная на основании трех500 K(�, �)в силовом поле OPLS-AA (∼построены для связейветственно. Углы����� ��8 · 105(A,D),400 нсМД расчетов приточек). Карты заселенностей в коор-� ���ℎ�(B,E) и�ℎ����(C,F), соот-в нижнем ряду отражают конформационную подвижность пиранозныхколец галактозы (D), маннозы (E) и рамнозы (F), соответственно.
Цветовая градация отражает степень заселенности различных состояний, рассчитанную как количество реализацийконформации на квадратный градус.Переходы между конформациями пиранозных колец.Карты заселенности в координатахнативных углов (рис. 2.2 B в разделе 1.4.1 главы 2; рис. 4.11, нижний ряд) предоставляют важную информацию о конформационном поведении углеводных колец, которая былапроверена прямым анализом МД траекторий.
Как и при комнатной температуре, кольцарамнозы демонстрируют значительно более высокую подвижность, чем остатки галактозы и маннозы, что отражается в широком диапазоне наблюдаемых значений углов�длярамнозы (рис. 4.11 F). Действительно, стерически незатрудненные изменения конформациипиранозного кольца рамнозы происходят довольно часто без каких-либо критических последствий для общей структуры цепи (∆�∼ 10 кДж/моль,рис.
4.7 B). Напротив, связь134���� �� имеет очень узкий диапазон доступных значений углов (�, �). Слабо заселенные состояния галактозы с углом � ∼ 140∘ (рис. 4.11 D) соответствуют конформациям типа твистгалактозного кольца. Переход галактозы в состояние твист не оказывает существенного влияния на конформацию цепи, что объясняет более частое появление таких состояний как вкомпактных, так и в вытянутых конформациях О-антигена. В расчетах мы также наблюдали несколько переходов галактозы в 1 C4 (время жизни 390 ± 130 пс).
Эти редкие событияобычно происходят на краю цепи и, таким образом, не влияют на ее глобальную структуру.Маннозное кольцо не демонстрирует заметной конформационной подвижности (рис. 4.11 E).Действительно, мы обнаружили очень мало переходов в конформациях маннозных колец;времена жизни этих переходов составляли порядка 2.6 ± 1.1 нс. Большинство из таких собы-тий приводили к излому цепи и запускали формирование шпильки. Долгоживущее состояние1C4 маннозы (время жизни более 50 нс) было стабилизировано за счет образования двойнойшпильки.Поворот вокруг связей между остатками.Поскольку очень немногие переходы в кон-формациях колец приводят к реорганизации структуры О-антигена (рис. 4.7), глобальнаяструктура О-антигенной цепи обычно определяется поворотами вокруг гликозидных связей.Количество переходов гликозидных связей из глобально энергетически выгодного состоянияв локально выгодные конформации, ведущих к структурной деформации цепочки, составляет всего 20 % от общего числа переходов, причем половина из них представляет собой переход �� ↔ �� связи �ℎ���� (рис.
4.2 C). В то же время, для формирования компактныхструктур требуется кооперативное конформационное изменение, по крайней мере, в двух соседних связях или выворачивание маннозного кольца (рис. 4.7 D–F). Поскольку вероятностьтаких событий еще ниже, основная часть цепи О-антигена сохраняет вытянутую структурудаже в случае локального изгиба или образования шпилек. Этот эффект подтверждаетсяпри анализе карт заселенности в координатах (�, �) (рис.
4.11, верхний ряд), полученнойпо результатам трех 400 нс МД расчетов в силовом поле OPLS-AA. Действительно, наиболее заселенные состояния связей между остатками совпадают с энергетически выгоднымисостояниями в соответствующих дисахаридах (рис. 4.2, верхний ряд).Конформация цепи.При температуре 500 K процесс формирования шпилек идет суще-ственно более интенсивно, чем при комнатной температуре: в наших расчетах мы обнаружили десятки локальных шпилек, образовывающихся в разных частях цепи. При этомшпильки типа ��-�ψ (рис. 4.7 E) встречаются в четыре раза чаще, чем шпильки типа �ψ -�ψ (рис.
4.7 F). Среднее время жизни одной шпильки в модели OPLS-AA варьируется отсотен пикосекунд до наносекунд. Интересно, что распределение времени жизни шпильки135имеет два выраженных максимума при160 ± 50 пси2800 ± 600 пс,соответственно. Длядолгоживущих шпилек мы наблюдали миграцию их вершин вдоль цепочки из-за переходов�ψ -�ψ ↔ ��-�ψв��-�ψ ,или��-�ψа затем обратно вк другому�ψ -�ψ .��-�ψ .
В первом случае, структура �ψ -�ψВ зависимости от того, какая из связейпереходит� ���ℎ�претер-певает переход, новая вершина шпильки может либо совпадать с предыдущим состоянием,либо сдвинуться вдоль цепи на одно повторяющееся звено. Во втором типе перехода диссоциация вершины шпилек типаизгиба��-�ψ��-�ψ(в среднем940±100 пс) может привести к формированиюв соседнем остатке. В результате, происходит классическая одномерная диф-фузия вершины шпильки вдоль цепи.Вероятность образования антипараллельной шпильки в поле OPLS-AA довольно низкая,и цепь обычно складывается не более трех раз (рис. 4.8 A). Времена жизни таких структурварьируются, и в одном из расчетов мы получили очень стабильную глобулу, не разрушеннуюна протяжении сотен наносекунд (рис.
4.10 A, черная линия). Несколько других антипараллельных шпилек выживали в течение∼ 40 нс,а затем переходили обратно в распрямленныесостояния (рис. 4.10 A, красная и зеленая линии).1.2.4.2Поведение цепи в силовом поле GLYCAM.При высокой температуре в си-ловом поле GLYCAM необратимые переходы О-антигенной цепи из состояния клубок в состояние глобулы происходят почти в три раза быстрее, чем при температуре300 K. Механизмформирования О-антигенной глобулы, а также полученный размер глобулы, схожи для расчетов при разных температурах (рис. 4.9, 4.10). В то же время, повышенная температуразначительно увеличивает вероятность локальных переходов.
Так, по сравнению с расчетамипри300 K, в глобулах, полученных при 500 K, наблюдается повышенная внутренняя подвиж-ность и обнаружены многочисленные переходы�� ↔ �ψв связях� ���ℎ�.Тем не менее,эта локальная мобильность не влияет на глобальную структуру цепи и, будучи компактносложенной, цепочка сохраняет свою глобулярную конформацию.1.2.5Сравнение результатов расчетов для О-антигенной цепиПодводя итог нашим наблюдениям, конформационное поведение О-антигена, наблюдаемоев силовых полях OPLS-AA и GLYCAM, качественно отличается на всех временных масштабах. В модели GLYCAM сворачивание О-антигенной цепи при переходе клубок-глобулапроисходит неизбежно и необратимо, в то время как глобулы О-антигена, образующиеся вполе OPLS-AA, разворачиваются за конечное время. Мы обнаружили только одну долгоживущую глобулу в расчетах в поле OPLS-AA (рис.
4.10 A, черная кривая). Однако глобулы136такого же размера, образовавшиеся в других расчетах, были разрушены в течение десятковнаносекунд (рис. 4.10 A; зеленая кривая 200–220 нс и красная кривая 80–110 нс). Таким образом, можно сделать вывод, что переходы клубок-глобула для нашей цепи в поле OPLS-AAобратимы.Характеристикой полимера, отражающей его склонность к самопроизвольному формированию более или менее компактного клубка, является его персистентная длина.
Так, дляполимеров с большой персистентной длиной (жесткоцепные полимеры, например, ДНК) характерно образование клубка только при очень большой длине полимерной цепочки. Напротив, гибкоцепные полимеры, например, полиэтиленгликоль (с маленькой персистентнойдлиной), образуют клубки даже при небольшой длине цепи. Данные моделирования в двухсиловых полях дают различные предсказания относительно персистентной длины цепочкиО-антигена. К сожалению, верификация наших результатов МД моделирования значительнозатруднена именно отсутствием прямых экспериментальных данных о персистентной длинеО-антигеновSalmonellaв растворе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
