Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 64
Текст из файла (страница 64)
При наличии согласованности конформация белка собирается из отдельных спиральных участков, как из блоков, что и обусловливает быстроту и безошибочность этого процесса. Аналогичная трактовка механизма самосборки третичной структуры ранее была сделана в работах Гуццо, Льюиса, Шераги и др. Простейший статистический подход, не учитывающий взаимодействий даже между смежными остатками, был использован Ф. Бегхином и Дж. Дирксом, Дж. Кроуфордом и соавт.
[82, 83). Алгоритмы предсказания строились по статистическим оценкам склонностей остатков входить в а-спиралн, [3-структуры и [3-изгибы. Соответствующие потенциалы рассчитывались из частот встречаемости каждого нз 20 стандартных остатков в перечисленных вторичных сгруктурах. Точность предсказания алгоритмов Диркса и Кроуфорда невысока. Серию интересных исследований выполнили Е. Каба и Т. Ву [84- 87[. Придерживаясь традиционного представления Полинга и Кори о структуре белка, они попытались локализовать спиральные и неспиральные участки на основе статистического анализа конформационного состояния каждого остатка (и) с учетом влияния предшествующего (л- 1) и последующего (л + 1) остатков.
Авторы составили таблицу конформационных состояний трипептидов, основанную на данных по 11 белкам известной структуры. В них содержится лишь 15% общего количества возможных тройных комбинаций стандартных природных аминокислот, что недостаточно для предсказания а-спиральных, [3- структурных и нерегулярных участков.
Поэтому предложенный Каба и Ву эмпирический алгоритм применим только для серий гомологичных белков и при использовании других, менее очевидных критериев отбора. Метод был опробован на цитохроме с, для которого известна трехмерная структура и имеются данные о последовательностях 18 гомологов. Даже в таком благоприятном случае удовлетворительного совпадения достигнуто не было. Из 24 остатков, входящих в а- спирали, правильно предсказаны 20 при 24 ошибках; остальные остатки (80) не идентифицированы. Собранный Каба и Ву экспериментальный материал позволяет заключить, что конформационное состояние аминокислотного остатка в гетерогенной цепи далеко не в полной мере определяется его собственной потенцией принимать определенное конформацнонное состояние и встраиваться в соответствующую вторичную структуру. Напротив, эксперимент показывает, что у большинства остатков отсутствует ярко выраженная потенция и они обладают по ближним взаимодействиям болыпой конформационной свободой и могут приблизительно с одинаковой вероятностью находиться в различных низкоэнергетических областях потенциальной поверхности и занимать в каждой области положения с весьма отличающимися значениями геометрических параметров.
Это никак не согласуется с гипотезой о доминантной роли в образовании вторичных структур взаимодействий атомов в пределах одного остатка. Алгоритм предсказания Каба н Ву 253 основан на предположении о том, что два ближайших соседних остатка (и — 1 и и+1) предопределяют у центрального остатка (и) не только область, но и значения двухгранных углов вращения вокруг связей Х С' Ор) и С'-С' ($). Даже если допустить, что это действительно так, то для более или менее надежного выбора значений д, ф для одного остатка необходимо наличие экспериментальных данных, которые, по крайней мере, на порядок превышали бы число возможных трипептидных комбинаций аминокислот (8000), что требует знания третичных структур многих сотен белков.
Е. Каба и Т. Ву располагали данными, составляющими менее одного процента требуемого количества, что недостаточно для предсказания вторичных структур. Конформации трипептидных фрагментов, встречающихся в известных белках несколько раз, содержат центральный остаток в различных состояниях.
Этот факт противоречит постулированному условию о том, что конформационное состояние остатка п определяется его взаимодействиями с ближайшими соседями и-1 и и+1. В а-спирали взаимодействия и с и-1 и и+1 играют определенную роль в стабилизации структуры, но, кроме того, значительными могут быть взаимодействия и с остатками и+3 и пх4. Следовательно, для учета энергетического вклада от взаимодействий соседних по цепи остатков в стабилизацию центрального остатка а-спирали нужно исследовать нонапептидный фрагмент.
В структуре складчатого листа взаимодействия и с и+1 менее актуальны взаимодействий и с и+2 остатками. Для подобной структуры требуется анализ, по крайней мере, пентапептидного фрагмента. Предсказание конформационного состояния центрального остатка в фрагментах такой длины даже в случае регулярных структур на основе статистического анализа становится нереальным в принципе, так как для этого необходимы экспериментальные данные о количестве белков, превышающем нх содержание в природе. Исследование, близкое работе Каба и Ву по своему характеру, спустя десять лет провели У. Кэбш и Х, Сандер [88).
Они проанализировали последовательности и конформацнонные состояния всех пентапептидных фрагментов в 62 белках известного пространственного строения. Из приблизительно 10000 рассмотренных фрагментов в 25 случаях в совершенно разных белках были обнаружены пентапептиды с идентичными порядками аминокислот; было также установлено, что в 6 случаях (из 25) одни и те же пентапептиды имеют в белка» различные конформации. Например, последовательность Ча!- Авп — Тпг — Рйе-Ча! в рибонуклеазе составляет часть В-структуры, а в гемоглобине она входит в а-спираль. Авторы сделали вывод о наличии зависимости пространственного строения локальных участков от всей белковой последовательности.
Факт сравнительной легкости структурной адаптации олигопептидных белковых фрагментов не учитывается во всех методах предсказания вторичных структур. Для получения эмпирических корреляций между амннокнслотной последовательностью и вторичными структурами, а также для 254 описания механизма свертывания белковой цепи в глобулярную форму Б, Робсон и Р. Пейн применили статистическую теорию информации [89-92).
Авторы придерживались общепринятого представления о том, что натнвная конформация белка представляет собой набор а-спиралей, и-структур и 8-изгибов; образование вторичных структур в значительной степени определяется ближними взаимодействиями, т,е. конформационными свойствами отдельных остатков. Свертывание белковой цепи начинается с образования нуклеаций, которые, по их мнению, являются регулярными.
В создании нативной конформации основное участие принимают дальние взаимодействия, направляемые вторичными структурами. Позже, в 1976 г., Б. Робсон и Е. Сузуки предположили, что в образовании некоторых структур играют роль взаимодействия между соседними по цепи остатками 193). В связи с этим для предсказания тех же вторичных структур они использовали данные по монопептидам и 16 парам аминокислотных остатков, образованным анализируемым остатком с остатками в положениях и+1- пй8. Однако, как замечают сами авторы, учесть эти взаимодействия статистическими методами, по существу, не представляется возможным.
При анализе Робсон и Сузуки исходили из оценки роли каждого остатка в образовании а-спиралн, складчатого листа, 8-изгиба и клубка. Последовательности остатков н их конформационные состояния в белке рассматривались как два набора информации, которые связаны между собой трансляционным кодом — процессом укладки цепи в глобулярную форму. Используя теорию информации, авторы выполнили статистический анализ зависимости между порядком и структурой сначала у 11, а позднее у 25 белков (около 4500 остатков).
В результате аминокислотные остатки были количественно оценены мерой информации, характеризующей их способность входить во вторичные структуры и клубок. С помощью мер информации определены значения углов у, ф у остатков ряда белков. Точность предсказания невысока. Так, совпадение значений <р, ф в пределах 40' у а-химотрипснна составило 31%, эластазы — 33%, цитохрома с — 50%, рибонуклеазы — 28%. Статистический анализ К. Нагано основан на структурах 95 белков с известной аминокислотной последовательностью (94).
Автор предположил, что белки, родственные по биологической функции источнику эволюции и имеющие небольшие различия в первичной структуре, обладают близким пространственным строением. Онн были разбиты на 13 семейств с известными кристаллографическими конформациями. В каждом белке анализировались все пары остатков, разделенных ш остатками, где т = О, 1, 2, ... 6. Путем линейной комбинации статистических величин прн различных значениях т были найдены предсказательные функции для а-спирали, В-структуры, поворота цепи и клубка. Рассчитанные весовые факторы С „характеризующие вклады взаимодействий различных типов остаточных пар (и с и+1, и+2 и т,дл т определяет взаимное расположение в цепи пары взаимодействующих остатков, э — вид вторичной структуры) во вторичные 255 структуры, показали, что в образовании а-спирали самыми важными являются взаимодействия между и и и+1 н особенно и+2 (гп = 0 и 1); в д-структуре — главным образом между и н и+1, а также п и п+2; в 8- изгибе значения С, при всех значениях ш оказались приблизительно одинаковыми.
Однако хорошо известно, что в а-спирали сближенными оказываются боковые цепи остатков и и пх1, п+3 и пх4, но не и и пХ2. Последние располагаются по разные стороны спирали и не могут взаимодействовать между собой. Болыпое значение соответствующего весового фактора С , (ш = 2, а — а-спираль) определяется не взаимодействиями между боковыми цепями двух остатков, а стабилизирующими дисперснонными взаимодействиями примыкающих к и н и+2 пептидных групп и-1 и и+1, п+2, а также и, и+1 и и+2, и+3, которые не связаны с природой аминокислот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
