Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 83

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

Текст из файла (страница 83)

Из этого огромного количества возможных конформационных состояний Карласси и соавт. [285! выбирают для каждой спирали лишь одно состояние. Аргументы в пользу такого выбора несостоятельны, так как углы ср, ф поли-[.- аланина могут на многие десятки, вплоть до сотни, градусов отличаться от углов спиральных остатков в белковой цепи (рис. 11.3), а углы д', )(а,, аминокислотных остатков белка могут не иметь ничего общего с углами )(',)(~,...

самых лучших конформаций изолированных моно- пептидов. Причем минимизация энергии при одновременной вариации большого числа переменных (например, у спирали 4 соматотропина их больше 160) не является эффективной даже для одного варианта. Таким образом, после первого этапа исследования пространственного строения бычьего соматотропина (рис. 11.10) были получены конформации четырех спиралей со случайными ориентациями боковых цепей и произвольными значениями углов основных цепей, попадающих в спиральную область (В), Второй этап исследования, посвященный выяснению взаимного расположения спиралей, несложно пройти, зная крисгаллографическую структуру Меб-соматотропнна (рис.

11.11). Естественно, из многочисленного набора всевозможных вариантов супервторичных структур предпочтение было отдано опытной структуре, представляющей собой левую суперспираль из четырех а-спиралей, контактирующих друг с другом боковыми целями гидрофобных остатков. Уточнение выбранной супервторичной структуры составило содержание третьего этапа, Оно заключалось в минимизации энергии с помощью методов, изложенных в работах [288, 289]. Расчет, как и на первом этапе, проводился в две стадии. Сначала варьировались двухгранные углы только боковых цепей всех спиралей, что преследовало цель исклнучить наталкивание остатков сближенных вторичных структур. На второй стадии минимизации энергии углы основных цепей спиралей по-прежнему оставались фиксированными, а 325 изменялись углы боковых цепей и дополнительно введенные шесть переменных, координирующих положение спирали как твердого тела.

Три новые переменные определяли координаты центра оси каждой спирали, а три другие, эйлеровские углы, — ее ориентацию, Как бы ни производился последующий расчет и какие бы при этом ни использовались совершенные методы минимизации, то, что уже было заложено в исходные модельные приближения, исключает получение об.ьективных результатов.

К упаковке белковой цени в супер- вторичную структуру белка авторы подошли с четырьмя а-спиралями, имеющими, как оказалось, случайные ориентации боковых цепей н также случайные, но только в пределах одной области К, значения двухгранных углов основной цепи [285!. Последние при минимизации на третьем и последующих этапах закрепляются и, следовательно, остаются в окончательной структуре белка. Что касается боковых цепей, то расчет пакета а-спиралей с вариацией углов д', )(з,.... ничего существенного во взаимном расположении остатков взаимодействующих спиралей изменить не может, поскольку при минимизации энергии углы меняются только в пределах своих локальных минимумов, заданных исходными приближениями.

Поэтому двухгранные углы боковых цепей спиральных остатков в супервторичной структуре остаются такими же случайными, какими они были в изолированных спиралях. Столь же достоверны результаты исследования конформаций нерегулярных участков (этап 4), которые включают 40 (петля 1), 9 (петля 2) и 24 (петля 3) аминокислотных остатков. Кроме того, нерегулярными участками являются Х-концевая последовательность из шести остатков и С-концевая — из восьми (рнс. П.11). Итого, около 45% остатков не входит во вторичные структуры. Исходные для минимизации конформационные варианты нерегулярных фрагментов генерировались таким образом, чтобы их геометрические мотивы приближались к пептидному скелету кристаллической структуры Ме!С соматотропина и при этом выдерживались определенные расстояния, присущие супервторичной структуре, в частности, расстояние между двумя ларами остатков Суз, образующих днсульфидные связи.

Предпринятая авторами попытка пойти далыпе наблюдаемой структуры и рассчитать конформационные состояния остатков нерегулярной части белка заканчивается, как и в аналогичных случаях с конкретизацией до атомного уровня геометрии спиралей и суперспирали, неудачей 1285]. При комбинированном подходе и,прежде всего, при использовании методики формирования нулевых приближений иного результата быть не может. Количество исходных для минимизации конформаций пяти нерегулярных участков (трех петель и двух концевых фрагментов), составленных только из низкоэнергетических состояний свободных остатков, ориентировочно имеет порядок 10"', 10", 10з4, 10" и ! 0".

Если даже предположить, что только десятые илн сотые доли процента такого астрономического количества смогут удовлетворять условиям их встройкч в кристаллографическую структуру белка, то н в этом случас 32б расчет нереален и нереально получение объективных количественных данных о пространственном строении нерегулярных участков с использованием экспериментальной информации. Рассмотренные на четвертом этапе 10з структурных вариантов петель являются практически бесконечно малой долей возможных конформационных состояний трех нерегулярных участков соматотропина.

Шесть конформаций из этой тысячи стали объектами дальнейшего исследования на уровне всего белка, которое заключалось в минимизации энергии. Расчет проведен в три стадии с последовательным варьированием сначала двухгранных углов боковых цепей молекулы, затем углов основных цепей петель и, наконец, всех углов одновременно. Самая низко- энергетическая конформация из шести рассчитанных была признана трехмерной структурой соматотропина. По мнению авторов, найденная ими структура является предсказанной [285). Такое мнение, очевидно, не соответствует действительности и может вызвать недоумение.

Чтобы предсказать структуру теоретически, необходимо дать ее независимое описание (если она известна) или заранее предвидеть ее особенности (если она еще неизвестна). Иными словами, исследование, претендующее на предсказание результатов, должно непременно содержать элементы априорности и приоритетности их получения.

Ни того, ни другого в рассматриваемой работе нет. Найденная конформация белковой молекулы случайна во всех своих составных частях: а-спнралях, супервторичной структуре и нсрегулярных участках последовательности. Сближает ее с натнвной конформацией белка лишь внешнее сходство, достигнутое исключительно благодаря использованию данных рентгеноструктурного анализа. Однако оно имеет сугубо формальный характер н отнюдь не свидетельствует о достоверности "предсказанной" конформации, так как сравниваются структуры разных уровней организации, связь между которыми не однозначна. Ситуация здесь в принципе такая же, как при сопоставлении двух структур одного белка, полученных, в первом случае, из анализа сотен дифракционных рефлексов, а во-втором, — десятков тысяч, т.е. с существенно разным разрешением, например, 6,0 и 1,5 А. Первой структуре может соответствовать множество гипотетических структур атомного разрешения порядка 1,5 А, имеющих одну топологию белковой цепи, но отличающихся конформационными состояниями всех остатков.

Для выявления из этого множества единственной структуры, совпадающей с экспериментальной структурой того же порядка разрешения (- 1,5 А), требуется не комбинированный (нерархический) подход, а строгая физическая теория структурной организации белка и совершенно иной метод расчета.

327 Глава 10 ПЕРСПЕКТИВЫ ЭМПИРИЧЕСКОГО ПОДХОДА Для всех эмпирических методов предсказания регулярных форм основной цепи на локальных участках аминокислотной последовательнскти, образования из этих форм супервторичных структур, доменов и трехмерных структур белковых молекул (с момента их появления и по сегодняшний день) характерны следу1ощие черты принципиального порядка. Прежде всего, в основе всех исследований этого направления лежит конформационная концепция Полиига и Кори, согласно которой трехмерная структура белка представляет собой ансамбль регулярных. вторичных структур, Единство эмпирических методов предсказания по отношению к этой концепции неизбежно, поскольку в противном случае становится бесперспективным поиск эмпирических корреляций. Очевидно, если пространственное строение сложных макромолекул состоит не из отдельных немногочисленных стандартных блоков, а включает неограниченное количество разнообразных нерегулярных структурных сегментов, то нельзя рассчитывать на его описание с помощью простых правил, выведенных путем статистической обработки экспериментального материала, всегда крайне ограниченного в решении данной задачи.

В первых работах предполагалось, что пространственное строение глобулярных белков почти сплошь состоит из вторичной структуры одного типа — а-спирали. Позднее к вторичным структурам был отнесен б-складчатый лист, а затем В-изгиб н недавно П-петли. Привлечение последних двух означало принципиальный отход от строгого определения понятия вторичной структуры, так как 0-изгиб и О-петли не являются регулярными формами. Кроме того, их идентификация отличается от идентификации а-спиралей и рструктур по получаемой при этом информации о структуре белка. Если предсказание регулярной структуры в идеале означает определенне на отдельном участке белковой цепи конформационных состояний составляющих его остатков, точнее, геометрии основной цепи участка, то предсказание изгибов и петель даже в идеале означает лишь утверждение об изменении направления цепи, причем, если это касается бизгибов, даже не на !80', а лишь на угол больше 90', для петель и такое ограничение отсутствует.

Это связано с тем, что 0-изгибы и П- петли могут быть реализованы путем практически неограниченного количества различных форм основной цепи, а каждая форма — набором больпюго числа конформациониых состояний остатков, Излишне говорить, что между Д-изгибами и й-петлями нет четких границ. Обратим внимание еще раз на отсутствие соответствия принимасмой в работах концепции о пространственной организации белковых молекул имеющимся опытным данным об их трехмерных структурах. По оценкам различных авторов, общее среднее содержание в третичных структурах а-сниралей и р-структур не превышает 50%.

Характеристики

Список файлов книги