Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 115
Текст из файла (страница 115)
щих пространственную структуру белка. Глава 16 АПРИОРНЫИ РАСЧЕТ ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРЫ МОЛЕКУЛЫ ПАНКРЕАТИЧЕСКОГО ТРИПСИНОВОГО ИНГИБИТОРА Успех в решении принципиально новой, носящей мировоззренческий характер научной проблемы во многом определяется следующими тремя обстоятельствами. Во-первых, творческой потенцией ученого, его неудовлетворенностью достигнутым, обостренным чувством нового, пониманием, поначалу, быть может, не в полной мере осознанным, необходимости в своевременности постановки данной проблемы, представлением, что именно она является следующим звеном в цепи познания.
По-видимому, 426 ~кими качествами обладали и подобные чувства испытывали У. Астбэри ~,дж, Бернал (1930-е годы) при постановке рензтеноструктурных исслебваннй фибриллярных и глобулярных белков, Ф. Сентер (1940-1950-е гоы) при определении аминокислотной последовательности инсулина, дж, Уотсон н Ф.
Крик (1953 г,) при расшифровке структуры молекулы дИК и другие исследователи — основоположники молекулярной биологии. Во-вторых, исследование проблемы зависит от умения представить ее в виде последовательного и постепенно усложняющегося ряда задач, в котором решение каждой предшествующей задачи делает реальным рассмотрение последующей. Классическими примерами здесь являются программы и методологические принципы Э. Фишера и Э. Вальдшмидт-Лейтца, которыми они руководствовались при разработке пептидной теории (первые годы ХХ в.) и ферментативном изучении строения белков (1930-е годы).
В-третьих, решающим во многих случаях является удачный выбор объекта исследования, максимально простого и в то же время правильно отражающего суть изучаемого явления. Можно ли для решения рассматриваемой нами проблемы структурной организации белка иметь свою "мушку-дрозофилу" или штамм Е, со!Л Для этого, прежде всего, необходимо представлять, что в данном случае следует понимать под простейшим и одновременно типичным объектом, каким требованиям он должен удовлетворять. Выбранный для первого в научной практике априорного расчета белковой трехмерной структуры объект, безусловно, должен быть низко- молекулярным, однодоменным, состоять из одной полипептидной цепи и являться прямым продуктом биосинтеза.
Далее, его натнвная конформация должна включать систему дисульфидных связей, поскольку в дастоящее время зти связи служат, если и не единственным, то, во всяком случае, самым надежным источником информации о структуре промежуточных метастабильных состояний. Кроме того, для выяснения принципов пространственной организации белков существенный интерес представляют количественные оценки основных факторов стабилизации двух сравнительно часто встречающихся регулярных форм пептидной цепи — а-спирали и 13-структурьь Поэтому желательно, чтобы пространственная структура выбранного для расчета белка содержала наряду с неупорядоченными участками также вторичные, регулярные структуры обоих видов.
Понимание структурной организации белковых молекул не является конечной целью, а необходимо для последующего изучения их биологического действия, т.е. решения проблемы стр>ктурно-функциональной организации белков. Поэтому важно, чтобы белок, выбранный в качестве простейшего для изучения его структурной организации, оказался бы и удачным модельным объектом для установления принципов взаимосвязи между структурой и функцией. Он должен обладать простой и хорошо изученной экспериментально функцией. Всем отмеченным требованиям удовлетворяет белковая молекула бычьего панкреатического трипсинового ингибитара (БПТИ).
Решающее значение в выборе этого белка как тест-объекта сыграло то обстоятельство, что молекула БПТИ экспериментально и теоретически изучена почти во всех отношениях более глубоко и всесторонне, чем другие белки. 427 Не будет преувеличением сказать, что уровень исследования БПТИ вв многом отражает сегодняшние экспериментальные и теоретические воз. можности естествознания в изучении белковых молекул.
В частности, осе бенно важным оказалось то, что изучение механизма свертывания и раз. вертывания полипептидной цепи БПТИ, предпринятое Т.Крейтоном [7] безусловно, опережает все аналогичные работы по денатурации других белков. Аминокнслотная последовательность БПТИ из 58 аминокислог. ных остатков была установлена Б. Касселем и М. Ласковским [8]. Трех мерная структура БПТИ с разрешением 1,9 А получена Р.
Хубером я соавт. [9] и уточнена до 1,5 А Дж. Дайзенхофером и У. Стейгемаином [10]. Белок включает шесть остатков Суз, которые образуют трн дисульфидные связи Суз'-Сузз', Суз'4-Сузза и Суззв-Сузз'. Конформациониыв анализ БПТИ [1Ц, результаты которого рассматриваются в этой главе, проводился для линейной последовательности белка, так как априорныв расчет должен автоматически привести к сближенности соответствующие остатки Суз в наиболее предпочтительной конформации. 16.1. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА Расчету трехмерной структуры БПТИ [рис. 1Ч.5) предшествовал детальный анализ конформационных возможностей большого числа фрагментов, среди которых простейшими были дипептиды. В основу рассмотрения пространственного строения дипептндов положены низкоэнергетические конформации монопептидов [см.
табл. 11.17), полученные ранее из расчета соответствующих молекул метиламидов Х-ацетил-а-аминокислот. Таким образом, выбор исходных конформационных состояний аминокислотных остатков ие был связан с их геометрией в известной структуре БПТИ. Использованные в расчете наборы низкоэнергетических вариантов структур монопептидов являются универсальными при рассмотрении любых последовательностей.
Количество конформационных состояний, учитываемых в начале расчета для каждого аминокислотного остатка, превышало число его конформаций, обнаруженных в белках известного строения. Фрагмент Агйз-Ргоэ. Начнем рассмотрение с результатов анализа Х-концевого нонапептидного участка молекулы. На основе ннзкоэнергстических конформаций перекрывающихся дипептидов были исследованы структуры трипептидов Агй'-Азрз, Ргоз-Р[зе4, Рйед-Ьеп" и тетрапептида Ьеп~ — Рго". Данные о конформационных состояниях первых двух трипелтидов послужили исходными для расчета тетрапептида Агй'-Р[зе4, который вместе с трипептидом Р[зе"-Ьеп~ стал базовым для анализа гексапептида Агйг-Ьепа, Знание конформационных возможностей гексапептида Агй'-1.еп" и тетрапептида 1 епь-Ргоэ сделало реальным структурное исследование фрагмента Агй'-Ргоэ.
На основе полученных данных был составлен набор структур Агй'-Рго~ для минимизации энергии при варьировании 43 двугранных углов д, у, оз, у, включающий 299 конформационных вариантов, которые распадаются на 24 шейпа. Энергетическое распределение полученных данных представлено в табл. 1У.З. Результаты расчета свидетельсгвуют о резкой энергетической дифференциации 428 яма е, 1зг.5. Т РекмеРнаа стРУктУРа БИТИ, ~ученика методом рентгеноогруктурного ализа с разрешенном 1,5 А 19, 1О] )тастмаааиа СтрУКтУРа ОЕГОаа МОЛЕКУЛЫ Конформаций Агяз-Ргое. В интервал 0-5,0 ккал/моль попадают лишь три конформации шейла ез/еез, а в интервал 0- 10,0 ккал/моль — 12, причем пять вз них принадлежат одному шейку. В чем же заключается причина столь четко проявившейся при состыковке двух лабильных фрагментов детерминации структуры нонапептида? Рассмотрим, прежде всего, особенности глобальной конформации фрагмента Вмм-В— г -В31 В11 Вг Взц — Вцп —  — В, 3 4 5 6 6 8 9 58 шейп которой ез/4ез представлен на рис.
1Ч.б. Основная цепь этой конформации на начальном трипептидном участке развернута, затем образует примерно два витка неправильной спирали н удаляется в сторону, приобретая опять развернутый характер. При такой упаковке цепи имеет место сближенность почти всех аминокислотных остатков фрагмента и реализация тетра-, пента- и т.д. вплоть до октапептидных взаимодействий. Возникновение у глобальной конформации новых стабилизирующих контактов не нарушает взаимодействий, присущих соответствующим состояниям участков Агя1 — (.евое и (.епа — Рго", которые отвечают наиболее низкоэнергетическим конформациям свободных гекса- ((/,6 = 0,2 ккал/моль) и тетрапептида ((/,6 = 1,7 ккал/моль).
Общий стабилизирующий эффект взаимодействий между удаленными по Цепи остатками (тетра- и октапептидные взаимодействия) приблизительно такой же (-19,3 ккал/моль), как и эффекты взаимодействий на всех йерекрывающихся ди- (-16,3 ккал/моль) и трипептидных (-21,5 ккал/моль) участках. Значительная стабилизирующая роль принадлежит остаткам 14епа и О!пз. В компактной глобальной конформации нонапептида состоя/зия основных и боковых цепей остатков в условиях ограниченной свободы отвечают своим наиболее предпочтительным состояниям у соотствующих коротких фрагментов, где они обладают значительно ьшей конформационной свободой. 1 2 3 4 5 6 Уделим теперь внимание конформации Вззм -  — В;, — Вп — Вз- В331- В'„,—  — В ((/,а,л — - 17,3 ккал/моль), являющейся наиболее выгодной среди структур с полностью развернутым шейпом основной цепи еа (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
