Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 160
Текст из файла (страница 160)
разд. 2.1). 4. Бифуркационная термодинамическая теория и обобщение известных опытных данных о нативных конформациях белковых молекул послужили основой для разработки физической теории структурной организации белка. Физическая теория позволила представить громоздкую задачу структурной организации белка в виде менее сложных задач, поддающихся последовательному рассмотрению.
Поэтапный подход к решению осуществлен путем разбиения всех внутримолекулярных невалентных взаимодействий на ближние, средние и дальние. Количественная оценка энергии всех видов взаимодействий производилась с помощью метода атом-атомных потенциалов ван-дер-ваальсовых, электростатических н торсионных взаимодействий и водородных связей (см разд 2.2). 5 Ближние взаимодействия изучены путем конформационного анализа мстиламндов Х-ацетил-а-аминокислот. В результате для всех 20 стан- дартиых амииокислотных остатков стали известны полные наборы низко- энергетических оптимальных конформаций. Результаты расчета конформационных возможностей и положения конформационного равновесия свободных метиламидов М-ацетнл-а-аминокислот в полярных и не полярных средах подтверждены экспериментальными данными, полученными для большого числа этих соединений с помощью методов инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, а также дипольных моментов н газожидкостной осмометрни.
Доказано, что используемые в теоретическом анализе потенциальные функции адекватно отражают реальные взаимодействия атомов в пределах одного аминокислотного остатка, Результаты расчетов метиламидов Х-ацетил-а-аминокислот были сопоставлены с пространственным строением основных и боковых цепей остатков в белках известной трехмерной структуры.
Обнаружена четкая корреляция между конформационными состояниями основных и боковых цепей остатков в белках и геометрией энергетически наиболее выгодных конформаций свободных метиламидов Х-ацетил-а-аминокислот. Таким образом, было доказано, что средние и дальние взаимодействия в белках ни в одном случае не вступают в противоречие с требованиями, диктуемыми ближними взаимодействиями.
Найденные из анализа метиламидов Х-ацетнл-ссаминокислот наборы предпочтительных по энергии конформационных состояний являются универсальными и могут служить исходными в расчете трехмерных структур любых природных аминокислотных последовательностей (см. гл, 4, 5). 6. Изучена специфика средних, межостаточных взаимодействий. Показано, что взаимодействия между соседними аминокислотными остатками приводят к заметной энергетической дифференциации пространственных форм даже простейших олнгопептидов. Лучшие конформации трипептидов представляют собой комбинации низкоэнергетических структурных вариантов перекрывающихся дипептидов, а лучшие конформации последних являются выборочными сочетаниями только предпочтительных состояний монопептидов (см.
гл. 6). 7.Физическая теория н результаты расчета моно-, ди- и трипептидов, подтвержденные сопоставлением с экспериментальным материалом, позволили разработать количественный фрагментарный метод конформационного анализа олигопептидов. Метод основывается на предположении о возможности исследования конформационного состояния сложной аминокислотной последовательности путем предварительного анализа пространственного строения ее простых перекрывающихся фрагментов, конформационные возможности которых рассчитываются с использованием в качестве нулевых приближений всех комбинаций ннзкоэнергетических оптимальных конформаций свободных аминокислотных остатков (молекул метиламидов Х-ацетил-а-аминокислот).
Наборы лучших по энергии оптимальных состояний простых фрагментов служат исходными для формирования нулевых структурных вариантов более сложных фрагментов и т.д. В основе метода лежит построенная по принципу "дерева" классификация пептидных структур на конформации, формы и шейлы, Предложенная классификация полностью отвечает известным эксперимен- тальным данным, обоснована с физической точки зрения и охватывает вс„ возможные пространственные структуры амннокислотной последователь.
ности (см. гл. 7). 8.Метод теоретического анализа использован для расчета простраи ственного строения природных пептидных антибиотиков, гормонов и нх синтетических аналогов, содержащих от 5 до 30 аминокислотных остат ков. На основе сопоставления теоретических и опытных данных изучены конформационные возможности олнгопептидов. Для апробации физическои теории структурной организации пептидов и метода расчета их конформационных возможностей использованы три способа. Первый из них связан с прямым сравнением теоретических и опытных значений геометрических параметров молекул. Во всех случаях, где такое сопоставление оказалось возможным, наблюдалось хорошее количественное согласие результатов теории и опыта.
Второй способ имеет вероятностный характер и не требует для оценки достоверности результатов расчета знания экспериментальных фактов. Он основан на выборе для теоретического исследования объектов, расчет которых содержит внутренний, автономный контроль. Такими объектами могут служить пептиды, содержащие остатки цистеина, далеко расположенные друг от др>га в цепи и образующие между собой дисульфидные связи. Априорное исследование ряда цистеинсодержащих пептидов, аминокислотные последовательности которых включали от 18 до 36 остатков, автоматически привело к выяснению пространственной сближенности остатков Суь, отвечающей правильной системе дисульфидных связей.
Наконец, третий способ проверки заключался в сопоставлении данных конформационного анализа белковых фрагментов с геометрией соответствующих участков трехмерной структуры белка, установленной с помощью рентгеноструктурного анализа. И здесь были подтверждены достоверность и высокая точность результатов априорного расчета (см. гл, 8 — 13).
9. Знание конформационных возможностей природных олигопептидов позволило сформулировать общие для их структурной организации черты. Получено представление о важной роли в структурной организации молекул средних взаимодействий. Оказалось, что в каждой последовательности имеются участки, конформационные состояния которых определяются взаимодействиями лишь входящих в них аминокислотных остатков. Наряду с конформационно жесткими есть лабильные участки, в которых средние взаимодействия не детерминируют их состояния полностью, а только сужают круг их возможных структурных вариантов (см.
гл. 14). 10. Детальное изучение конформационных возможностей природных олигопептидов сделало реальным переход к априорному расчету трехмерной структуры белков. Первый шаг в этом направлении заключался в теоретическом исследовании конформационных возможностей свободного фрагмента из 23 аминокислотных остатков белка нейротоксина П. Конформация данного фрагмента нейротоксина П практически полностью совпала с известной геометрией соответствующего участка 1-24 гомологичного белка эрабутоксииа Ь. Таким образом, расчет доказал, что механизм спонтанной и безошибочной сборки белковой цепи заключается в неза- висимом образовании стерически комплементарных друг другу конформационно-жестких нуклеаций и последующем объединении в нативную трехмерную структуру макромолекулы без существенных изменений геометрии.
Исследованы конформационные состояния фрагмента 1-23 у пяти гомологичных нейротоксину П белков, имеющих на этом участке ряд аминокислотных замен. Из расчета выяснено, что различия в последовательностях фрагментов не сказываются на форме пептидного остова и не изменяют условий образования дисульфидного мостика Сузз-Суззз. Все остатки гомологов свободно встраиваются в глобальную для нейротоксина П циклическую трехмерную структуру, не вызывая ее дестабилизацию. Принимаемые в некоторых случаях новыми остатками иные положения боковых цепей при сохранении формы основной цепи также отвечают областям низкой энергии у,-уз заменяемых остатков нейротоксина П, которые в новых условиях оказываются более предпочтительными. Рассчитанная геометрия белкового остова предоставляет возможность реализации у различающихся аминокислот в эволюционно отобранных последовательностях нейротоксинов ряда конформационных состояний.
Для всех гомологов найденная структура фрагмента 1 — 23 нейротоксина 11 является глобальной (см. гл. 15). 11. Решающим доказательством справедливости предложенного подхода к решению задачи о структурной организации белка явились результаты априорного расчета трехмерной структуры бычьего панкреатического трипсинового ингнбитора и количественное представление свертывания белковой цепи как самопроизвольного, быстрого и безошибочного процесса. Рассчитанная при использовании аминокислотной последовательности и стандартной валентной схемы конформация белка совпала с кристаллической структурой молекулы БПТИ. Точность расчета значений всех двугранных углов вращения ср, д, ш и т, расстояний между атомами С всех остатков и длин реализуемых водородных связей оказалась близкой точности рентгеноструктурного анализа белков высокого разрешения.
На основе данных о конформационных возможностях аминокислотной последовательности БПТИ получили свое объяснение все детали ренатурации белка, механизм которой был изучен экспериментально. Тем самым, во-первых, была подтверждена неравновесная термодинамическая модель сборки белка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
