Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 125
Текст из файла (страница 125)
Расчет подтвердил одно из основных положений теории о наличии в плотно упакованной трехмерной структуре белка согласованности между всеми ближними, средними и дальними взаимодействиями. Именно это свойство эволюционно отобранной аминокислотной последовательности ответственно за резкую энергетическую дифференциацию и выделение нз множества возможных структурных вариантов стабильной и уникальной в каждом случае глобулярной конформации.
В найденной структуре молекулы БПТИ геометрия всех 58 остатков отвечает наиболее предпочтительным конформациям соответствующих свободных монопептидов 1СНз-СОХН-С"КН-СОХИ-СНз) Ближние взаимодействия определяют конформацнонные возможности каждого аминокислотного остатка, т.е набор дозволенных для него конформационных состояний.
Средние взаимодействия — взаимодействия остатка с четырьмя предшествующими и четырьмя последующими в цепи остатками — только из этих наборов выбирают конформации, сочетание которых оказывается наиболее выгодным. Суммарный стабилизирующий эффект средних взаимодействий в расчетной конформации молекулы БПТИ составил — -180 ккал/моль (в среднем -3,1 ккал/моль на остаток). На некоторых участках последовательности белка выбор конформационного состояния остатков только за счет средних взаимодействий практически однозначен (особенно в отношении формы основной цепи).
В этих случаях соответствующие фрагмен. ты образуют конформационно стабильные нуклеации. В БПТИ к таким участкам можно отнести Аг8' — Рго", РЬезз-О1пз' и А!аха — О)уз". В других местах последовательности средние взаимодействия сокращают число возможных конформационных состояний остатков и определяют для соответствующих фрагментов ограниченные наборы приблизительно равновероятных структурных вариантов. Влияние дальних взаимодействий на конформационно жесткие по средним взаимодействиям фрагменты сводится к их дополнительной стабилизации, а также к еще большему ограничению свободы боковых цепей и возможно, незначительной корректировке формы основной цепи. У нуклеации фрагмента Аг8' — Ргоз энергия средних взаимодействий составляет — -35 ккал/моль, а дальних — около -39 ккал/молзк у РЬе -О)п.
соответ- 22 3! ствующие величины равны -33 и -34 ккал/моль, а у А!а'а-О!уга — -36 и 741 ккал/моль. Таким образом, имеет место согласованность между прак«йческн равными по своей эффективности невалентными взаимодейст«йями атомов.
По отношению к конформационно лабильным участкам 44!ЭТИ функция дальних взаимодействий заключается в выборе из равно° йроятных по средним взаимодействиям состояний единичных конфор«йций, обеспечивающих образование между ними и нуклеациями эффекзй3вных контактов, а также сближенность комплементарных друг другу (й~кроглобул.
Так, расчет показал, что значительно большей подвижмзстью по сравнению с нуклеациями обладают, например, свободные «!загменты Суз74-Тугз' и Т)гг'3-Сузза, Но когда онн присоединяются к заветному по средним взаимодействиям участку РЬез -О!и, их состояние Пплностью детермииируется при встраивании в антипапаллельную рауруктуру и между остатками фрагментов Суз'4-Тугз н Т(7437-Сузза абразуются эффективные стабилизирующие контакты. Это происходит явпько в том случае, если каждый из них принимает развернутую форму йеновной цепи, которая у обоих фрагментов является одной из наиболее ха/годных по средним взаимодействиям.
Предпочтительность такой формы «Сузы — Тугп и Т)7гз~-Сузз на белковом участке Суз'4 — Суз33 по сравнению йрядом других, изоэнергетнчных у свободных фрагментов форм обуслов43еиа дальними взаимодействиями. В !5-структуре энергия межостаточных М3анмодействий Суз" — Туга' с Т)7г~~-Сузах составляет — -21 ккал/моль, при «х собственной энергии в развернутых конформацнях соответственно -17 я 15 ккал/моль.
Кроме того, они образуют стабилизирующие контакты с предшествующим участком белка Агд -Рго (- -15 ккал/моль~, про- 73 Мвжуточным Рйе -0)п (--5 ккал/моль) и последующим Агя -А1а и и 3, 58 ( -12 ккал/моль). Лабилен по средним взаимодействиям также фрагмент Агдзз-Бег4 Но 47 нз большого числа возможных низкоэнергетнческих конформаций лишь одно его состояние обеспечивает сближенность и образование многочисленймх стабилизирующих контактов между жесткими !)-структурнь7М (Суз"- 4ьуззз) и а-спиральным (А1а" — А)а53) участками белка, суммарный энергстинеский эффект таких контактов составляет около -22 ккал/моль.
Кроме того, в этом конформационном состоянии (энергня его сзпедних взаимодействий равна — -25 ккал/моль) сам фрагмент Агя -бег осуществляет 39 4 йдновременно дальние взаимодействия с Агу'-Ргоз (-20 ккал/моль), 44уз~~-Сузза (-30,0 ккал/моль) и А1а43-А1а53 (-25 ккал/моль).
Общая яиергия дальних взаимодействий в найденной натнвной конформации АПТИ равна — -120 ккал/моль (в среднем — 2,1 ккал/моль на остаток). Хонформационный анализ молекулы БПТИ показал, что согласованные Между собой ближние, средние и дальние взаимодействия отличаются по 4Моей природе и выполняют на разных стадиях самоорганизации белковой Фруктуры определенные функции.
Поскольку роль этих взаимодействий Различна н в равной мере необходима для осуществления быстрой н йезошнбочной сборки белка, представляется неоправданным обсуждаемый а литературе вопрос о том, какие взаимодействия (ближние, средние йпи дальние) имеют определяющее значение в таком процессе. О высокой степени согласованности всех межостаточных взаимодействий йаидетельствует тот факт, что у рассмотренных фрагментов БИТИ 467 независимо от их длины конформационные состояния, входящие в ната, ную структуру белка, оказывались или глобальными, или самыми предло . тительными; их энергия всегда была много меньше энергии подавля, щего большинства конформационных вариантов, отобранных для посл дующего анализа. В расчете БПТИ учитывались внутрнмолекулярные ван-дер-ваальсоам электростатические н торсионные взаимодействия, а также водородны связи.
Каковы же вклады этих взаимодействий в энергию нативноа конформации белка? Аминокислотная последовательность БПТИ вклкь чает 18 остатков, несущих 12 положительных и 13 отрицательных цело численных зарядов. Стабилизирующий вклад электростатических взаимо. действий заряженных остатков составляет около -50 ккал/моль, а деста. билизирующий — +35 ккал/моль. Следовательно, хотя электростатические взаимодействия н понижают конформационную энергию приблизительно на 15 ккал/моль, их интегральный вклад в стабилизацию структуры БПТц невелик (5%). Суммарный стабилизирующий эффект водородных связей составил около — 14 ккал/моль, т.е.
< 5%. Обнаруженные в расчете водо. родные связи обусловлены сложным комплексом многих межостаточиых взаимодействий, среди которых собственно водородные связи играют незначительную роль. Общая энергия торсионных взаимодействий в найденной конформации БПТИ равна около +58 ккал/моль, те -10 ккал/моль на остаток.
Из этого следует, что взаимные расположении практически всех атомных групп основных и боковых цепей амино. кислотных остатков отвечают минимумам торсионных потенциалов. Таким образом, доминирующий вклад (75%) в конформационную энергию межостаточных взаимодействий белка вносят ван-дер-ваальсовы, точнее, дисперсиоиные контакты. Одним из наиболее интересных и обнадеживающих результатов априорного расчета двух низкомолекулярных белков явилось совпадение почти с экспериментальной точностью значений двугранных углов яь ц~, и и )( (или координат атомов), рассчитанных н найденных опытным путем Безусловно, это достойный и эффективный финал длительного исследования.
Допуская достаточность н справедливость всех положений ис. пользованной структурной теории, применимость для белков механической модели и эффективность разработанного для пептидов расчетного метода, трудно было все-таки надеяться на количественную близость теоретических и экспериментальных данных. Предполагалось, что на окончательных результатах существенным образом скажется ряд условностей в описании невалентных взаимодействий, в учете влияния среды и, повидимому, главное, параметризации эмпирических функций. Неизбежным, особенно вначале, представлялось быстро прогрессирующее с увеличением длины цепи накопление ошибок, которое в конечном счете должно было сделать расчет природных полипептидов (даже при правильности всех исходных теоретических посылок) малоперспективным, подобно тому, как пока еще оказывается малоэффективным синтез белков на основа методов органической химии по сравнению с биосинтезом и методами генной инженерии.
Почему же этого не произошло в расчете пространственных структур двух рассмотренных белков? Случайно лн получено В' шее совпадение теории и опыта или высказанное опасение не явоправданным и пример с искусственным синтезом белков к данному ~~~~~аю не имеет никакого отношения? 4В Г'.омнение в увеличении погрешности расчета по мере усложнения пьекза, особенно до размеров белковой макромолекулы, противоречит не йвяько общепринятому мнению, но, казалось бы, здравому смыслу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
