А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 71

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 71)

рисунок, с небольшими изменениями, взятиз A. V. Finkelstein, A. Y. Badretdinov & O. B. Ptitsyn,Proteins (1990) 10:287–299 Переходя к расчету и предсказанию вторичной структуры глобулярныхбелков, необходимо учесть, что здесь к взаимодействиям, существующимв несвернутых цепях, добавляется взаимодействие каждого участка цепис глобулой, строения которой мы не знаем.

точнее, мы не знаем ее де-328Рис. 22-9. Флуктуирующая вторичная структура белковой цепи (здесь: β — β-тяж,l — петля, α — α-спираль) на поверхности, имитирующей белковую глобулу(«модель плавающих бревен»). Эта поверхность состоит из гидрофобного «озера»,«берег» которого способен завязывать водородные связи с β-участками. Модельучитывает разное чередование обращенных к поверхности озера (↓), от поверхности (↑) и вдоль нее (→, ←) боковых групп в разных вторичных структурах, а такжеэффекты на N- и с-концах спирали, объединенные и приписанные ее, соответственно, N- и с-концевым остаткам (αN, αC). рисунок, с небольшими изменениями,взят из O. B. Ptitsyn & A.

V. Finkelstein, Biopolymers (1983) 22:15–25Зная из опыта силу гидрофобных взаимодействий, а из стереохимииα- и β-структуры — мотивы чередования в цепи боковых групп, глядящихв одну и ту же сторону и способных, следовательно, одновременно взаимодействовать с гидрофобной поверхностью, мы можем сосчитать вероятность образования α-спирали и β-структуры в каждом месте белковой цепи.Этим также — но уже в режиме «глобулярная цепь» (“globular chain”) —занимается программа ALB (кстати, к ней можно обращаться по Интернету через http://phys.protres.ru/resources.html).Вероятности рассчитываются при комнатной температуре.

Почемупри комнатной? Не лучше ли выделять только самое лучшее по энергиирасположение α- и β-структур в цепи, т. е. рассчитывать все вероятностипри 0 к?Можно сказать, конечно, что нас интересует стабильная структура белка при (примерно) комнатной температуре, а она поддерживается, в томчисле, и температурно-зависимыми гидрофобными взаимодействиями.Но еще важнее то, что вероятности, рассчитанные именно при такойтемпературе (300 к), лежащей чуть ниже нормальной температуры плавления белка (350 к), наилучшим образом позволяют отделить более вероятные α- и β-участки, в которых мы можем быть более или менее уверены,от тех «менее вероятных», в которых мы уверенными быть не можем.329Ведь, в сущности, мы стараемся предсказать вторичную структуру белкатолько по части тех взаимодействий, что ее держат в действительности: мызнаем (и то приблизительно) внутренние взаимодействия в этой структуре,но не знаем (или можем лишь крайне грубо оценить) те, что действуют междурассматриваемым куском цепи и остальной глобулой.

А они очень мощны.то есть мы находимся в том же положении, как если бы пыталисьпредсказать, будет ли данный остаток внутри белка или на его поверхности, зная только его собственную гидрофобность — и больше ничего.И мы знаем, что такая задача имеет ответ, но ответ не точный, а вероятностный. Этот ответ содержится в наблюдаемой статистике распределения остатков между нутром и поверхностью глобулы. Мы уже знаем,что она выглядит так:ВЕрОЯтНОсть_ВНУтрИ / ВЕрОЯтНОсть_НА_ПОВЕрХНОстИ ~(22.1)exp (–ГИдрОФОБНАЯ_сВОБОдНАЯ_ЭНЕрГИЯ / kTC),где T с — характерная температура белковой статистики, лежащая —как мы тоже помним — несколько ниже температуры плавления белка.И — возвращаясь к предсказаниям белковых структур — с той жетемпературой Тс мы можем вероятностно предсказывать существованиерассматриваемой вторичной структуры, зная только ее собственную свободную энергию.И если при этом мы получим на выходе уверенное, лишенное или почти лишенное флуктуаций предсказание — в добрый час! — значит, принятые нами в расчет взаимодействия сами по себе обеспечивают достаточностабильную структуру белка… рисунок 22-10 иллюстрирует расчет вторичной структуры в панкреатическом ингибиторе трипсина при помощи программы ALΒ-globular chain.

таккак такой расчет принимает во внимание взаимодействия внутри вторичныхструктур и их гидрофобное взаимодействие с подложкой, моделирующейостальную глобулу, но игнорирует плотную упаковку, то он моделируетскорее вторичную структуру расплавленной глобулы. Но, как мы знаем,вторичные структуры нативной и расплавленной глобулы довольно близки.результирующий график показывает, что рассчитанная вероятность флуктуирующей вторичной структуры белка, даже в самых структурированных местах, далека от 100 %. Однако, в согласии с опытом, α-спирали преобладаютв с-концевой части его цепи, а β-структура — в центре.

При этом пиквероятности спирального состояния стоит над большей спиралью, а пикиβ-структурного — над большими β-структурными участками. По этим пикам(если они превышают определенный, эмпирически устанавливаемый уровень) и идет предсказание вторичной структуры глобулярного белка.330Рис. 22-10. расчет вторичной структуры панкреатического ингибитора трипсина. Абсцисса — номер остатка в белковой цепи, ордината — вычисленная вероятность егоα-спирального ( — ) и β-структурного (– — –) состояния. сверху приведены предсказания наиболее вероятных α-спиралей (α), β-тяжей (β) и изгибов (т).

Черные прямоугольники — уверенное предсказание вторичной структуры, светлые — не стольуверенное предсказание, линии — данная вторичная структура в принципе не исключена, но маловероятна. Внизу изображено расположение в цепи нативныхα-спиралей (высокие прямоугольники), β-тяжей (низкие прямоугольники) и изгибов тПредсказание вторичной структуры носит вероятностный характерне только в программе ALB, но и во всех остальных «предсказывающих»программах, даже когда эти программы нацелены, как то обычно бывает,на выделение одного, «лучшего» распределения α- и β-участков в белковой цепи.точность распознавания α-, β-структуры и нерегулярных петель белкапо одной его аминокислотной последовательности составляет около 65 %.Можно ли улучшить предсказание вторичной структуры? да.

В методе PHD роста и сандера или PsiPred д. джонса (очень их рекомендую; они доступны по Интернету) вторичная структура предсказываетсяне для одной аминокислотной последовательности, а (всегда, когда этовозможно) для набора гомологов. В результате такого подхода случайныепогрешности как бы сглаживаются и предсказание становится намногоболее точным (достигая, в среднем, ≈75 % вместо 63–65 %).Итак — несмотря на свою ограниченную точность, предсказание вторичной структуры стало уже, по сути, рутинной процедурой исследованияпервичной структуры белка.Хуже обстоит дело с гораздо более сложной проблемой, проблемойпредсказания пространственной структуры белка по его аминокислотнойпоследовательности. Об этом мы поговорим на следующей лекции.Лекция 23Представление о подходах к предсказанию пространственныхструктур белков по их аминокислотным последовательностям.

Базыданных по структурам белков. Предсказание общей укладки цепиотдаленных гомологов понижает неопределенности в опознаванииструктур белков. структурная геномика и протеомика. Биоинформатика. Белковая инженерия и дизайн. Первые успехи в конструировании белков.Перейдем теперь к новой, быстро развивающейся области — к работампо предсказанию пространственных укладок белковых цепей. расчет пространственных укладок часто базируется на предварительном предсказании вторичной структуры белковой цепи.

Хотя такой подходне является строго обоснованным, так как третичная структура может влиять на вторичную, иногда он приводит к успеху.рисунок 23-1 иллюстрирует расчет вторичной структуры в глобуле. Онбыл сделан в 1985 г. для интерферонов. Видно, что в них преобладаютα-спирали, особенно в N-концевой части цепи, где (как было известноиз опыта) находится функциональный домен интерферона. В данном случаеспирали эти предсказывались столь уверенно (а это бывает отнюдь не всегда) и столь одинаково в разных, не так уж и высоко гомологичных цепях,что мы попробовали в том же 1985 г. слепить домен из этих спиралей.Полученный комплекс, пучок из трех больших спиралей и одной крошечной, показан на следующем рисунке (23-2а).

Через пять лет послетого, как было сделано это предсказание, была, наконец, получена рентгеновская структура интерферона β (рис. 23-2б), и рентгеновская структура N-концевого его домена довольно точно совпала с той, что былапредсказана нами.структура N-концевого домена интерферона — одна из первых, болееили менее успешно предсказанных до опыта структур белковых молекул.332Рис. 23-1. расчет вторичной структуры нескольких интерферонов. Абсцисса — номер остатка в белковой цепи, ордината — вычисленная вероятность егоα-спирального ( — ) и β-структурного (– – –) состояния. сверху приведены предсказания наиболее вероятных α-спиралей (α), β-тяжей (β) и изгибов (т). Черныепрямоугольники — уверенное предсказание вторичной структуры, светлые —не столь уверенное предсказание, линии — данная вторичная структура в принципене исключена, но маловероятна.

Участок цепи, образующий N-концевой домен,подчеркнут внизу рисунка. картинка взята из O. B. Ptitsyn, A. V. Finkelstein &A. G. Murzin, FEBS Letters (1985) 186:143–148333Рис. 23-2. (а) Предсказание укладки цепи в N-концевом домене интерферонов,сделанное нами в 1985 г.

[Ptitsyn, Finkelstein, Murzin, FEBS Letters (1985) v. 186, p.143]. три большие α-спирали (А, C, D) изображены цилиндрами; кроме того, былапредсказана возможность существования отдельного спирального витка В. (б)рентгенографическая структура N-концевого домена (с-концевой домен — не изображен) β-интерферона, расшифрованного в 1990 г.

Характеристики

Список файлов лекций