Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Но и здесь ои не является, как в отношении геометрии белковой молекулы, так и ее структурной организации, предсказательным в истинном смысле этого слова, поскольку при его использовании главная структурная информация заимствуется из эксперимента, прежде всего из данных рентгеноструктурного анализа. В результате комбинированный подход не может привести к получению качественно новых данных о конформационных свойствах белковых молекул и помочь проникнуть в область непознанного. По существу, он является средством копирования известных кристаллографических структур. Такое занятие не лишено смысла, тем более, что копируемыми объектами являются произведения самой Природы.
Однахо в данном случае положительных результатов принципиального характера ждать не приходиться, поскольку, во-первых, цель сведена к сугубо частной задаче, касающейся небольшой группы белков с супервторичными структурами и, во-вторых, эта задача ие поддается решению из-за невозможности предсказать вторичные структуры с 100%-ной надежностью и точной геометрией и, кроме того, полного игнорирования нерегулярных участков белковой цепи н отсутствия идей и методов количественной оценки их конформационных состояний. В 1980 — 1990-е годы комбинированный подход (его также стали называть иерархическим) получил широкое распространение. Он начал использоваться для предсказания трехмерных структур белков и для отнесения их к структурным группам Левитта и Чотиа. Десятки проведенных в рамках этого подхода исследований идейно близки и отличаются друг от друга анализируемыми объектами и структурными мотивами супервторичных образований, а также характером предположений, трудноконтролируемых опытом, и объемом привлекаемого экспериментального материала.
Все попытки предсказать супервторичные структуры, не использовав данные рентгеносгруктурного анализа, заканчиваются неудачно. Ф. Коэн и соавт. [275) развили комбинированный метод предсказания третичной структуры в сочетании со спектрами КД и использовали его для установления строения а-субъединицы триптофансинтетазы. Содержание вторичной структуры было определено спектрально, а места ее локализации в последовательности — с помощью собственного алгоритма [272).
Установленная пространственная структура белка отнесена к группе (а/0) и представлена в виде 0- складчатого листа, окруженного с обеих сторона-спиралямн. Результат, однако, противоречит данным рентгеноструктурного анализа Д. Девиса и С. Хайда, цитируемых в работе [275]. На самом деле трехмерная структура а-субъединицы триптофансинтетазы, хотя и содержит а-спирали и[а-складчатые листы, но обладает совершенно иной супервторичной структурой. По такой же схеме Ф.
Коэн и соавт. [276) исследовали пространственное строение интерлейкина 2, спектры КД которого указывают на принадлежность белка к а-группе. Всего ! Ь проблема белка. т. 2 321 было рассмотрено 3,9 - 104 вариантов супервторичной структуры из а- спиралей. Из них 27 конформаций удовлетворяли стереохимическим правилам и условию образования дисульфидной связи между Суз-58 и Суз-105.
Они были разделены на пять различных структурных категорий, содержащих пучки из четырех а-спиралей, закрученные вправо. Согласно крнсталлографической структуре интерлейкина 2, полученной вскоре Б. Брандхубером и соавт. [277] с разрешением 3,0 А, белок, действительно, состоит из антипараллельных а-спиральных узлов, упаковка которых, однако, существенно отличается от предсказанной [276) и наблюдаемой ранее у нескольких других белков [253). Ф. Коэн н И. Кунтц [278) предприняли попытку предсказать трехмерную структуру белкового гормона роста человека, не прибегая к данным рентгеноструктурного анализа н максимально используя на всех этапах исследования корреляционные статистические соотношения, а также расчет структурных вариантов гипотетических супер- вторичных структур.Из спектров КД было установлено наличие 45— 50% а-спиралей и отсутствие [1-структурьь Поэтому белок, состоящий из двух доменов, был отнесен к группе [а).
Далее анализируется фактически не пространственное строение молекулы, а только ее регулярная часть. Вторая же половина гормона, которая включает 50 — 55% остатков, остается вне внимания авторов. Считается, что часть нерегулярных участков предназначена для образования сближающих а-спирали [3-изгибов, последовательности которых, но не их конкретная геометрия, идентифицируются с помощью алгоритма, разработанного при изучении взаимодействий в глобулярных белках а-спиралей с 3-складчатым листом [263].
Сами спирали и их границы предсказываются, используя алгоритмы, в которых особое значение в инициации, формировании и обрыве спиралей придается гидрофобным остаткам [263, 266, 278, 279]. Поскольку точность использованных алгоритмов предсказания невелика, разбиение последовательности на регулярные и нерегулярные участки является ориентировочным.
Однако в дальнейшем анализе оно остается неизменным. Затем рассматриваются спираль-спиральные взаимодействия с помощью так называемого спираль-упаковочного алгоритма [271]. В результате выделяются трн вида еупервторнчных структур, области контактов а-спиралей в которых локализуются методом Р. Ричмонда и Ф.
Рихардса [266) с привлечением стереохимических правил. Этот перечень последовательных манипуляций завершается повторным обращением к спираль-упаковочному алгоритму [271), контролем межатомных расстояний [!96, 273, 280, 281), использованием эмпирического отношения площади поверхности глобулы к ее объему [282) и оценкой стабилизирующих дипольных взаимодействий спиралей в супервторичных структурах [283). Было рассчитано всего 1О" структурных вариантов супервторичной сгруктуры белкового гормона [278]. Из них финиша достигли пять структур, представляющих собой правоскрученные пучки из четырех а-спиралей, Проверить результаты работы путем непосредственного сопоставления с данными опытной структуры гормона роста человека пока не представ- 322 Старт Аминокислотная последовательность Кристаллогрвфичаская структура Ма]'-сомвтотропинв Вариации углов х х-.
а-спиралай Конструирования и расчет изолированныка-спиралай Вариации углов ги ч». сх х', х»,... а-спиралай Ствраохимичаокив принципы Генерация иди-спиралай набора супарвторичных структур Вариация углов Х', х',... супврвторичной структуры Вариации углов Х, Х»,... и полонений а-спирвлвй в супврвторичной структуре Упаковка а-спиралай в супарвторичную структуру путем минимизации энергии Генерация петель Вариация углов Х', Х',... молекулы Вариация углов тя м с» петель Минимизация знаргии молакулы белка Вариация углов е ч» о» х', х»,... молекулы трахмврная структура соматотропина Р и с.
!1.1О, Схема комбнннровакного подхода к предсказанию трсхмсриоа структуры бычьего Мадсоматс»родина [285] 323 ляется возможным. Однако известна крнсталлографическая трехмерная структура молекулы гомологичного белка — гормона роста свиньи 1284]. Она существенно отличается от всех найденных Козлом и Кунтцем структурных вариантов тем, что содержит суперспираль из четырех антипараллельных а-спиралей, закрученных не вправо, а влево.
Наиболее строго комбинированному или иерархическому подходу следуизт Л. Карласси и соавт. [285], использующие его возможности для предсказания трехмерной структуры бычьего соматотропина— белка из 191 остатка, известного также как гормон роста. Схема исследования, представленная на рис. П.10, включает пять этапов: 1) конструирование и расчет изолированных вторичных структур; 2) генерация возможных наборов супервторичных структур; 3) упаковка вторичных структур в супервторичные путем минимизации энергии; 4) генерация промежуточных нерегулярных участков; 5) минимизация конформационной энергии всей молекулы белка.
Для оценки реальных возможностей комбинированного подхода кратко остановимся на содержании этих этапов. Решающую роль в исследовании пространственного строения бычьего соматотропина сыграла информация о кристаллографической структуре Меб-соматотропина свиньи [285]. Оба белка имеют чрезвычайно высокую гомологию (> 90%), выполняют одну функцию, и поэтому нет сомнения в совпадении их трехмерных структур. Хотя авторам, как они пишут, не были известны координаты атомов молекулы Меб-соматотропина, но они обладали полным представлением обо всех а-спиралях, способе их упаковки в суперспираль и шейпах основных цепей всех нерегулярных участков (рис. П.11) [285].
Таким образом, в этой работе не было проблем с локализацией в аминокислотной последовательности регулярных и нерегулярных структур, их взаимной ориентации и многими другими аспектами пространственного строения белка.На первом этапе проблемы возникли с количественным анализом конформационных состояний остатков в четырех а-спиралях. Потребовалось формирование нулевых приближений для минимизации энергии при вариации двухгранных углов <р, ф, ы основной цепи и углов )(', )(~,... боковых цепей остатков.
Для основных цепей спиралей выбираются значения д, ф, ы, рассчитанные Чоу и соавт. [286] для а-спирали поли-Ь-аланина (-б8, -38, 180'), а для боковых цепей — значения самых низкоэнергетических конформаций в К-форме соответствующих метиламидов 1чацетил-а-аминокислот [287].
Задача решается в две стадии. Сначала минимизируется энергия при вариации только углов боковых цепей, а затем — всех двухгранных углов каждой а-спирали. Можно утвержать, что использованные авторами процедуры выбора нулевых приближений и способ минимизации энергии не ведут к реальным значениям двухгранных углов основных и боковых цепей [285]. Приведем лишь один аргумент в пользу такого заключения, Известно, что один стандартный аминокислотный остаток имеет в среднем около 1О низкоэнергетических конформационных состояний, отвечающих оптимальным формам соответствующих монопептидов и наблюдающихся в структурах белковых молекул.
При фиксации углов д, ф в области а-спирали (К) число таких состояний уменьшается не менее чем до 4. В а-спиралн соматотропина входят 28, 22, 23 и 31 аминокислотных остатков. Следовательно, количество структурных вариантов для минимизации энергии, составленных только из предпочтительных для а-спиралей ориентаций белковых цепей, будет 324 Р и с. П.1Ь Схематическое представление трехмерной структуры Мер -соматстропина свиньи [2841 Петля 2 КсКонцевой участок С-Концевой участок не меньше, чем соответственно 4за, 4ах, 4ху и 4З'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
