Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 142
Текст из файла (страница 142)
Принимаемые иногда новыми остатками иные положения боковых цепей также отвечают низкоэнергетическим областям 2~ — т заменяемых остатков белка, которые у гомологов оказываются более предпочтительнымн. Таким образом, в эволюционно отобранных последовательностях нейротоксинов 11 одна и та же геометрия пептндного остова предоставляет возможность мутированным аминокислотныи остаткам реализовать различные конформацнонные состояния боковых цепей. У всех гомологов рассчитанные трехмерные структуры фрагмента 1-23 являются глобальными, т.е. при изменении последовательности остаются энергетически самыми выгодными. Дж. Грир предложил конструировать экспериментальные модели, используя семейство гомологичных белков и выделяя в их последовательностях общие участки, которым приписываются конформационные состояния белка, изученного рентгеноструктурно [237, 238). Такой способ был опробован им при формировании расчетной модели белка комплемента С5а с привлечением структуры С3а [239] и ренина человека на основе структур нескольких последовательностей аспартатных протеиназ [240].
Аналогичный подход с использованием консервативных участков гомологов для создания у исследуемого белка структурного кора полипептидной цепи был предложен также Т. Бланделлом и соавт. [241- 244]. Недавние исследования модельных структур протеиназ, применяемых в медицине, показали, что при использовании информации о семействе белков для выявления активного центра полезными могут оказаться гомологи даже с невысоким содержанием идентичных участков [- 30%) [245-248). В настоящее время стал достаточно очевиден порядок проведения структурного моделирования белков на основе экспериментальных данных о конформациях и аминокислотных последовательностях гомологов Первый шаг, естественно, состоит в поиске одного или более гомо- логичных белков с известными н близкими друг другу трехмерными структурами. Это самый ответственный и далеко не всегда простой и однозначный этап исследования.
Хорошей иллюстрацией может служить пример с установлением структур )9-концевых доменов белков СР- антигенов, а именно, белка СР4 [249, 250). Сравнение последовательностей подсказало, что О34 может иметь структурное подобие с другими 522 представителями семейства нммуноглобулинов [251, 252). Они выбраны а качестве исходных приближений расчетной модели белка С[34, которая яатем была проанализирована несколькими группами исследователей [253- '$56].
Полученная вскоре кристаллическая структура белка подтвердила, рто С)34 действительно имеет иммуноглобулиновый тип свертывания Иолипептидной цепи [249, 25()]. После проверки белков на гомологичность в исследовании наступает новый этап — установление у отобранного набора аминокислотных последовательностей вариабельных и константных участков полипепаидных цепей и конструирование модели консервативного кора целевого релка. Опыт, легко объясняющийся бифуркационной теорией свертывания д физической теорией структурной организации белковых молекул (см.
гл. ~), показывает, что ббльшая часть изменений в порядках аминокислот у йомологов касается остатков поверхностного слоя белковых глобул, состоящего, как правило, из неупорядоченной полипептидной цепи между фиксированными точками константных областей. В литературе они долучили название петельных сегментов.
Их конформационные состояния в ряду гомологичных белков более всего несходны, и поэтому предска))ываются с помощью соответствующего алгоритма или теоретического ализа с меньшей надежностью. Один из методов определения простанственного строения петель, предложенный Т. Джонсом и С. Тирупом 257] и нашедший широкое применение [241, 244, 258 — 260), основан на опущении, которое не только нельзя признать очевидным, а напротив, едует считать сомнительным. Авторы метода предполагают, что у всех )3елков, независимо от их состава и порядка аминокислотной последовайельности, внешние петельные сегменты обладают близким пространст]Зенным строением, если они состоят нз одинакового числа аминокислотных ]встатков и имеют сопоставимые расстояния между М- и С-концами в арехмерных структурах.
К. Чотиа и А. Леск разработали подобный метод моделирования структуры петель, ориентированный, однако, на специальную группу белковых структур, а именно, содержащих вариабельные домены иммуноглобулинов 261). В его основу положена так называемая каноническая гипотеза, согласно которой длина цепи и наличие в ней небольшого числа ключевых дминокислот являются конформационными детерминантами петельного пегмента. Для узкого круга исследованных объектов гипотеза выдержала 'йкспериментальную проверку [262, 263). Т.
Бланделл и соавт. [241, 244, )260) использовали идею ключевых остатков и создали вариант метода жонса — Тнрупа, который можно использовать в отсутствие сравни- льных петельных форм в наборе гомологичных структур. М. Левитг и 'йоавт. [264, 265) автоматизировали способ моделирования К. Чотна и А. Леска, и в таком виде он был использован в конструировании и Структурном анализе петель в молекулах антител, синтезированных тодами генной инженерии [266 — 268]. Аналогичный подход реализован кже в работах [269 — 272), подробно рассмотренных в обзорах [273-275).
Шерага и соавт. [276 — 278] усовершенствовали алгоритм поиска конфорционных состояний петельных сегментов, включив в него процедуру кальной минимизации энергии. 523 Метод исследования геометрии петель, разработанный Дж. Маултом и М Джеймсом [279], основан на известных кристаллических структурах белков, которые служат исходными для селекции представительного набора значений двугранных углов <р, у каждого остатка в низкоэнерге. тических областях конформационной карты (р — чз. Из этих наборов генерируются различные структурные варианты петель. Для после.
дующего расчета оставляются те из них, которые удовлетворяют систем~ эмпирических правил. Отобранные варианты подвергаются минимизации энергии при вариации двугранных углов в потенциальном поле остальноя части белка. К. Левинталем и соавт. [280. 281] был предложен метод беспорядочного поиска ("гепдош-пгеа[с") конформации петельного сегмента От других методов он отличается отсутствием систематического исследо вания геометрии петли. Ее полипептидная цепь (при игнорировании боковых цепей остатков) составляется путем комбинации случайных пространственных форм фрагментов. приводящих к замыканию петли 8 сочетании с процедурой Чотиа и Леска метод Левинталя был недавно использован для создания моделей антител, представляющих терапевтический интерес [282]. Информация об одном нз последних методов расчета конформаций петельных сегментов, включающем для замыкания цела алгоритм регулирования расстояния между концами цепи ("Ьопфзса!ш8") и процедуру Монте Карло. содержится в работах [283-28б].
Несколько новых способов укладки нерегулярных участков белковой цепи на поверхности глобулы с использованием трехмерных структур гомологов, а также приложения их к решению конкретных задач можно найти в работах [227, 287-295]. Задача реконструкции белковой молекулы при отсутствии полной прямой информации о ее трехмерной структуре возникает не только в исследованиях гомологичных белков. Она актуальна при конструировании пространственной модели по известным координатам атомов Се полипептидной цели, а также уточнении кристаллической структуры белка низко~о разрешения [296, 297].
Решение задачи определения координат всех атомов основной цепи при известных координатах атомов С" подразделяется обычно на две части. Сначала ведется поиск в имеющемся банке данных ориентировочной геометрии отдельных сегментов [258] с использованием описанных выше методов "запасных частей" ("враге-рапз"), подобных методу Джонса-Тирупа [257], а затем привлекаются компьютерные процедуры Монте Карло и минимизации энергии. Наиболее совершенный на сегодняшний день метод реставрации структуры белка, допускающий встраивание боковых цепей (см.
ниже), разработан Левиттои [230]. При его апробации на 8 белках, изученных рентгеноструктурно с высоким разрешением, среднестатистическое отклонение атомов С" а исследованиях Л. Холма и К, Сандера [298], Дж. Уендолоского и Ф Сэ. лемма [259] составило 0,3-0,5 А. Компьютерная процедура согласования выбранных значений дв>- гранных углов д, у со стандартной валентной геометрией основной цели впервые была предложена Е. Пурисимой и Г.
Шерагой [299] и позднее усовершенствована К. Палмером и Г. Шерагой [277]. Альтернативный способ расчета с введением дополнительных переменных 24 и ) ь харак- 524 херизуюп1их взаимную ориентацию смежных пептидных групп и преддоженных в свое время К. Нишикавой, Ф. Момани и Г. Шерагой [300], одновременно был разработан Н. Луо и соавт. [301, 302). Для проверки надежности так называемого Х-алгоритма авторы [302] осуществили реконструкцию трехмерной структуры трипсинового ингибнтора при случайных отклонениях атомов С" от своих экспериментальных положений, Среднестатистическая ошибка составила - 0,4 А при использовании точных координат атомов С , - 0,5 А — при произвольном отклодении в 0,2 А и - 0,8 А — при 0,5 А.
В методе, предложенном П. Пейном [303], допущено вращение вокруг пептидной связи, которое рассчитывается с помощью потенциала средней силы, определяющего выбор ориентации пептидных групп при данных координатах атомов С . А. Рей и Дж. Сколник предложили процедуру реставрации атомов основной цепи, ключевым моментом которой явилась вмпнрическая корреляция между ориентацией связи С" — Са и локальной геометрией виртуальной пептидной цепи нз атомов Сч, координаты которых известны [304). После установления положений атомов Са знание далентной схемы оказывается достаточным для расчета координат атомов и), С' и О.
При проверке метода на шести тестовых белках среднестатистическое отклонение рассчитанных координат атомов основной цепи от экспериментальных составило — 0,7 А. Методы реконструкции трехмерной структуры белка, основанные на )аолекулярной динамике, описаны П. Корреа [305) и М. Нилгесом и А. Брюнгером [306, 307). В обоих методах атомы основной и боковых цепей, первоначально находящиеся в беспорядочном или произвольном состоянии, по ходу оптимизации энергии принимали определенные поло)нения в пределах тех ограничений, которые накладываются процедурой )иолекулярной динамики. Структура а-латикпротеазы была получена с ззебольшой среднестатистической ошибкой (0,19 А), за что, однако, пришлось заплатить многими часами компьютерного времени [305]. В последние годы все большее внимание начинает уделяться созданию методов расчета конформационных состояний боковых цепей аминокиспотных остатков.
Пробуждающийся интерес к этой задаче оправдан, поскольку именно боковые цепи, в которые входят две трети атомов белковой молекулы, в значительной мере определяют форму основной цепи и нативную конформацию белка в целом, а следовательно, его бнофизические и биохимические свойства.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
