Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Что же касается вывода Нагано о стабилизации ф-структуры за счет взаимодействия между боковыми цепями смежных остатков и н и+1, то его также нельзя признать достаточно обоснованным. В развернутой форме пепи боковые заместители остатков и и и+1, как отмечалось выше, не могут аффективно взаимодействовать между собой, так как направлены в разные стороны как по отношению к осн цепи, так и к средней плоскости. На основе результатов статистического анализа Нагано были отнесены к а-спиральным участкам аминокислоты 01п, А!а, 1.уа, 1.еп, Нпк РЬе, Мец к Д-структурным — Ве, Ча1, 1.ев, РЬе, Тпг, О)п, Мед Суж характерными для поворота цепи н клубка он посчитал остатки О)п, Бег, Азп, Рго, Туг, Агй. Это отнесение не соответствует отнесениям других авторов, которые, однако, также существенно различаются между собой.
Новое здесь заключается в подчеркивании исключительной роли гидрофобных остатков в образовании Р-структуры. Для семи белков известного пространственного строения, информация о котором не была использована в анализе, сделано предсказание вторичных структур. Приведем данные для конканавалнна (238 остатков): в а-спираль входит пять остатков, из которых при 46 ошибках ни один не был предсказан; из 115 остатков рструктуры 23 предсказаны правильно и 95 — неправильно, из 95 остатков в д-изгибах правильно определено 22 н неправильно -93. В.И.
Лим осуществил стереохимнческое исследование структуры глобулярных белков и предложил правила локализации а-спиральных и й-структурных участков [95, 96). Он исходил нз предположения, что подавляющее болыпинство неполярных боковых цепей составляет гидрофобное ядро, а полярных — внешнюю оболочку глобулы, экранируя гндрофобное ядро от контактов с водой. Аминокнслотные последовательности белков разбиваются на четыре группы, которым приписывается различная роль в образовании вторичных и третнчных структур. В первую группу включены участки, состоящие целиком нз гидрофобных остатков. Предполагается, что они должны находиться внутри глобулы н образовывать преимущественно а-спнралн, а также Р-структуры. Вторую группу составляют участки исключительно нз гндрофильных остатков.
По мнению Лима, они не могут закручиваться и а-спираль, а образуют [3-структуру или нерегулярные области, расположенные на поверхности. В следующую группу входят участки с чередующимися полярными и неполярными остатками. Такая цепь в 8- структурной конформации образует по одну сторону гидрофобную поверхность, утопленную в гидрофобное ядро, а по другую— гидрофильный слой, взаимодействующий с водой, Наконец, четвертую группу, единственно реальную, составляют неравномерно распределенные гидрофобные и гидрофильные остатки.
Эти участки будут образовывать а-спирали при таком распределении гидрофобных остатков, которое обеспечивает их сближенность и вхождение в гидрофобное ядро. Между спиральными и б-структурными участками могут возникать конкурентные взаимоотношения. В таких случаях предпочтение отдается а-спиралям. Следовательно, [1-структурные фрагменты идентифицируются после выявления а-спиралей.
Качественный стереохимический анализ молекулярных моделей привел Лима к следующему заключению: образование а-спирали происходит на участках последовательности, в которых все массивные гидрофобные боковые цепи входят в состав пар и троек, занимающих сближенные позиции: (и, и+1), (и, и+3), (и, и+4), (и, и+1, и+4) и (и, п+3, и+4). На такое благоприятствующее а-спирали расположение остатков в парах ранее указывали Лоу и Эдсалл [67), Шиффер и Эдмундсон [66!.
Правила, найденные для троек, не имеют самостоятельного значения; они очевидны, так как каждое из них представляет комбинацию соответствующих правил для пар остатков. В а-спирали и 8-структуре нежелательно присутствие О!у и Бег в сближенных с гидрофобными остатками позициях; в то же время вхождение остатков с массивными боковыми цепями (1.уа, НВ, О!и, О!и, Агй) стабилизирует структуры. Образование 8-структуры происходит в случае полностью гидрофоб- ного участка, участка с чередующимися гидрофобными и гидрофильными остатками, или участка с остатками 01у и А!а. На основе этих заключений были сформулированы многочисленные правила предсказания вторичных структур.
О степени их надежности можно судить по результатам сопоставления предсказанных вторичных структур с наблюдаемыми в белках известного пространственного строения. Приведем несколько примеров. В карбоксипептидазе (307 остатков) ва-спиралях находится 115 остатков; правильно предсказаны 86, неправильно — 43. В а-цепи гемоглобина (146 остатков) из 114 аспиральиых остатков идентифицированы 56 при 77 ошибках. В 20 рассмотренных Лимом белках содержится 3100 остатков; в а-спирали входят 1!45, правильно отнесены 590, неправильно — 555; в 8-структурах находится 425 остатков, 124 из них определены правильно, 351— неправильно. Остатки в нерегулярных областях из 1540 случаев в 634 указаны как клубковые, а в 906 — отнесены к регулярным структурам. Эти данные взяты из работы Лима и касаются белков, использованных автором при выводе стереохимических правил, Если правила применяются к белкам, не вошедшим в состав базовых, то эффективность предсказания, как правило, значительно ниже.
Например, согласно анализу Дж. Ленстры, точность предсказания методом Лима а-спирали 9. Проблема велкась З 257 в трипсиногене и ф-структуры в лизоциме уступает случайному отнесению [97). Обширное статистическое исследование структуры белков предприняли в 1974 г. П, Чоу и Г. Фасман 198, 99). Как и в предшествующих аналогичных исследованиях, ставится задача предсказать вторичные структуры (а-спираль, Д-складчатый лист) и клубковое состояние и на этой основе описать третичную структуру. В стабилизации регулярных форм большая роль отводится пептидным водородным связям, которые и послужили критерием в определении границ вторичных структур в известных конформациях белков.
Из частот появлений каждого аминокислотного остатка в а-спиралях (Г,), их внутренних витках (1„), складчатых листах ((а) и клубках ((,) рассчитаны соответствующие конформационные параметры ЄЄ, Ра и Р,. Метод определения этих параметров исключает учет в явном виде влияния взаимодействий между остатками. Значения Р, оказались близкими значениям з теории Знмма и Брэгга, полученным для поли-а-аминокислот. Из частотного анализа остатков на границах спиральных и Р-структурных областей найдены характеристики остатков, инициирующих и терминирующих вторичные структуры. Заряженные остатки с наибольшей частотой появляются на Х- и С-концах спирали и, как правило, отсутствуют в рструктурных областях.
Частоты появления остатков на концах спиралей могут быть скоррелированы со значениями параметров инициации Зимма и Брэгга — о, П. Чоу и Г. Фасман предложили механизм свертывания белковой цепи в глобулу, согласно которому спиральная нуклеация начинает зарождаться в центре фрагмента с наибольшими у остатков значениями Р, и затем распространяется в обоих направлениях вплоть до спиралеразрывающих остатков с малыми значениями Р, (99]. Аналогичным образом происходит формирование б-структурных нуклеаций. Авторы считают, что при Ра > Р, образование р-структур становится более предпочтительным по сравнению с а-спиралями. Аминокислоты были классифицированы на две группы, состоящие из шести подгрупп, начиная с сильных а (или 0)- образующих остатков н кончая а(0)-разрывающими остатками.
Расположение природных аминокислот по значению Р, не отвечает обратному порядку их расположения по значениям Ра. Например, остаток О)в является хорошим образователем и а-спирали (Р, = 1,17), и р-структуры (Рв = 1,23), а остаток Азп эффективно ослабляет обе вторичные структуры (Р = 0,73, Ра = 0,65). Эти данные статистической обработки весьма интересны. Они указывают на отсутствие у болыпинства остатков антагонизма по отношению к обеим вторичным структурам, т.е. на приблизительно одинаковую вероятность многих остатков входить как в а-спираль, так и в б-структуру. Заметим, что это свойство природных аминокислот чрезвычайно уменьшает эффективность статистического подхода к идентификации вторичных структур.
На основе конформационных параметров Р, и Ра Чоу в Фасман сформулировали простые правила определения а-спиралей и Р- 25Х структур. Сегмент белка из шести остатков и более, имеющий в среднем на остаток значение Р, > 1,03 в случае Р, > Ра и удовлетворяющий ряду граничных условий (соответствующее расположение на концах заряженных остатков, отсутствие Рго внутри и на С-конце и т.д.), определяется как а-спиральный. Сегмент белка из пяти остатков и более с Ра > 1,05 при Ра > Р, и удовлетворяющий другому ряду граничных условий, определяется как [3-структурный. Предсказательный алгоритм использован авторами для выделения вторичных структур у 15 белков, нативные конформации которых явились базовыми для разработки, и у четырех других белков.
В 19 рассмотренных белках (3233 остатка) в а-спирали входят 1168, а в [3-структуры — 615 остатков. Для первой структуры правильно предсказаны 931, неправильно— 454; для второй — соответственно 507 и 411. Точность предсказания у разных белков неодинакова. Относительно удачны предсказания, например, для миоглобина, лизоцима, инсулина,трипсинового ингибитора; неудачны для диастазы, химотрипсина, субтилизнна, цитохрома с, стафнлококковой нуклеазы, конканавалина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
