Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Достижение этих целей сделает возможным переход к следующему этапу работ, посвященному изучению средних межостаточных взаимодействий. 5.1 МЕТИЛАМИДЫ Х-АЦЕТИЛ-а-АМИНОКИСЛОТ Первыми нашими объектами теоретического конформационного анализа явились метиламиды Х-ацетилглицина, Х-ацетнл-Ь-аланина, Х-ацетил-Ь-валина и Х-ацетил-Ь-пролина (20, 67). Выбор был продиктован предположением о том, что изучение пространственного строения молекул этой серии выявит верхний и нижний пределы конформационных возможностей основных цепей монопептидов всех стандартных аминокислот. В работах Шараги и соавт.
(63 — 65) было показано, что свобода вращения вокруг связей Х вЂ” Св и Сь-С' существенно различается только в следующих случаях: при отсутствии заместителя у атома Св (монопептид О!у), при наличии не более одного заместителя при атоме СД(А1а), при наличии двух заместителей при атоме СД(Ча1) и при замыкании углеводородной цепочкой ( — СНз — )з атомов Х и С'" (Рго).
Конформацнонная потенциальная энергия монопептидов 01у, А! а, Ча! и Рго была представлена в виде суммы независимых вкладов ван-дер-ваальйивых (/,м, электРосгатических (/,я и тоРсионных (/„г, взаимодействий, а также водородных связей (/„, н деформаций валентных углов (/„„„. ЭнерГдя ван-дер-ваальсовых взаимодействий описывалась потенциалом Букинхвма с параметрами Дашевского. Учет электростатических взанмодейстйвй произведен в монопольном приближении по закону Кулона с парйиальными зарядами атомов, предложенными Скоттом н Шсрагой [65) в Юбб г, и диэлектрической проницаемостью в, меняющейся в пределах от 4 до 10. Торсионная энергия рассчитывалась при использовании величин баРьеРов внУтРеннего вРащениЯ (/чв = 0,2, (/ав = 0,6 н (/хв = 2,8 ккал/моль.
энергия внутримолекулярной водородной связи Х-Н...О-С оценивалась по Ьгенциалу, аппроксимированному кривой Морзе, с параметрами ге(Н...О) = "1,8А, и = 3А ' и/) = 4,0, 2,0 и 0,5 ккал/моль. Энергия деформации вадентных углов определялась по формуле Гука с использованием следуюЩих значений коэффициентов упругости К„: 30, 70 и 50 ккал/(моль рад) Соответственно для центральных атомов углерода в гибридизации зрз(Св, ьд), зрз(С3 н атома азота основной цепи. Значения длин связей, а в начале 157 а уво' уво' -уво' -уво о' -уво' уво' -уво' о' Р и с 11 )О Конформиционные карты метиллмилов Р)-ацетилглицинв )п) и Р)-пцстил4:свинина (В) Энском ггхыс отмечены пг лолспи» монн»льны» конформхпий Зс нуль отсчстх в пбси» «х)пах прн«ох энергия в точке е = и = -бо Контуры эквнпотеипислы ых ссчспнй про»слоны прн хнлчснн»х гнсрпм -2,0. -),О, 05, ).0 н 2Д «ксл/мхтль К лнаа/арал в Р и с И 11 Кривая потенциальной энергии мети)гни)ща 1»-г)кетил ь-пронине расчета и значения валентных углов, соответствовали параметрам Полинга-Кори.
Конформациоиный анализ каждой молекулы метиламида Х-ацетил-а- аминокислоты начинался с построения при изменении углов гр и ))г конформационной карты, которая давала ориентировочное представление о поверхности потенциальной энергии молекулы и расположении областей самой низкой энергии. Последние выбирались в качестве нулевых приближений для поиска энергетических минимумов при вариации как двугранных углов ф, ))г, у, так и валентных углов пептидных групп и углов при атоме С . Затем, используя длины связей Полинга-Кори и найденные теоретические значения валентных углов, усредненные по оптимальным конформациям каждой молекулы, вновь строились конформацнонные карты гр — )1г.
Рассмотрение полученных результатов начнем в обратном порядке, т.е. с уточненных конформационных карт Представление о потенциальной поверхности глнцннового и алани. нового монопсптидов дают карты ф — )В, приведенные на рис П.10 Карта производного валина подобна аланиновой карте, однако имеет несколько 158 еньшую площадь низкой энергии Так, области, ограниченные контуром 10 ккал/моль, занимают 6% всей площади конформационной карты д! — ~у „онопептида Ча!, в то время как на карте производного А!а зти области оставляют 13%, а на карте 01у — 60%.
У молекулы метиламида Х-ацетил- 1 пролнна вращение вокруг связи !ч — Се запрещено [~р — — 60'), и поэтому ее конформационные возможности определяются лишь одним параметом — ж. Потенциальная кривая пролинового монопептнда представлена ва рнс. Н.11, Несмотря на бросающиеся в глаза различия приведенных на рис. .10, 11 11 карт, потенциальные поверхности монопептидов О!у, А!а, Ча! и Рго обладают рядом общих черт, отражающих наличие определенного единства в химическом строении этих молекул и имеющих, как увидим позднее, большое значение в решении рассматриваемой задачи. Наиболее существенная общая черта — одинаковое расположение на всех конформацноняых картах низкоэнергетических областей.
У глнцинового производного таких областей четыре, точнее, две дважды вырожденных — К([ ) н В[Н). У аланинового и валинового производных вследствие появления асимметрня у атома С" вырождение снимается и низкоэнергетнческне области, оставаясь на тех же местах конформацнонной карты, существенно меняются по своей площади и относительной энергии, Наиболее предпочтительными в отношении энтропии н внутренней энергии остаются конформации, значения углов у, у которых попадают в самые широкие н низко- энергетические области В н В. Нто же касается областей 1.
и Н, то их относительная энергия возрастает, а площади резко сокращаются. Потенцяальная кривая пролннового монопептида, по существу, предсгавляет собой сечение потенциальной поверхносги производного аланина при ор = -60'. Она также содержит две уже знакомые области низкой энергии В и К. На конформацнонных картах монопептндов, помимо отмеченных низко- энергетических областей, наблюдаются еще две узкие и самые глубокие потенциальные ямы с центрами при д — -60', ~у -60' и д!-60', ~у- .60'. Отвечающая первому минимуму конформацня М была впервые Мостулирована С.
Мидзусимой и Т. Шиманучи в!961 г [68), а отвечающая второму минимуму конформация Н вЂ” М. Хаггинсом для структуры адератина [69[. Конформации М н Н представляют собой два возможных дяя метиламндов Х-ацетил-а-аминокислот состояния с внутрнмолекулярМыми водородными связями [рнс. 11,12). Они отличаются друг от друга Рриентацией боковой цепи аминокнслотного остатка относительно явмнчленного цикла, замыкаемого водородной связью типа 3 -+1 [между Фруппой )х-Н третьего остатка и О=С первого, если рассматривать чюнопептид как звено полипептидной цспн).
Позднее экспериментальному йьследованню этих форм были посвящены работы [70-82]. Хорошо известно, что конформацнонное состояние молекул, особенно Заких лабильных, как молекулы пептидов, существенно зависит от прийоды растворителя. Естественен вопрос — какой же смысл в этом слухае имеют результаты теоретического рассмотрения пространственного строения изолированной молекулы, или, как часто принято говорить, !аолекулы в вакууме? Очевидно, результаты такого анализа были бы пол[КЮгью лишены физического смысла, если бы окружающая среда опре- !59 н к м н о=с / о=с Х н сн, р= 61', ф -67' СНа Чз 7Ро 1[з 70о Р и с П 12.
Конформации М и Н метиламидов Н-ацетил-а-аминокислот с внутрин„. лекулярнмми водородными связями Ъ деляла пространственное строение находящейся в ней молекулы подобно тому, как скульптор определяет форму своего произведения. Однако механизм воздействия среды совершенно иной. Она не создает у растворенных молекул новой пространственной формы, а влияет лишь на положение равновесия конформаций, обусловленных только внутреннии строением самих молекул, смещая его в сторону тех структур, которые лучше всего взаимодействуют с молекулами растворителя.
Следовательно, теоретический конформационный анализ изолированной молекулы выявляет весь набор присущих ей пространственных форм и определяет порядок их расположения в энергетической шкале согласно внутримолекулярным взаимодействиям. Влияние растворителя сказывается в перераспределении этого порядка, что вполне возможно из-за небольшого различна в энергии оптимальных форм лабильных молекул. В рамках механической модели молекулы автором данной монографии и соавт. [83] была рассмотрена возможность учета влияния растворителя иа конформационное равновесие пептидов соединений, Мы попытались это сделать путем различной параметризации потенциальных функций некоторых видов взаимодействий валентно-несвязанных атомов.
Из энергетических вкладов различных видов взаимодействий в общую конформационную энергию молекулы составляющие с/,а„(/у„„и [/,„рс, по-видимому, не будут претерпевать существенных изменений под влиянием растворителя. Они описывают такие взаимодействия между атомами и связями, которые являются значительными лишь при малых расстояниях [<2,5-3,0 А), Энергия же водородной связи сильно зависит от растворителя.
Предложенный яами потенциал водородной связи [201 легко учитывает это влияние путем вариации параметра 0 энергии диссоциации водородной связи. По экспериментальным оценкам Дж. Шеллмана [841 Т. Клотца и И. Франзена [85] энергия димеризации Х-метилацетамида а СС!4 составляет около 4,0, в СНС[, — 2,0 и в воде — 0 — 1,0 ккал/моль Исходя из этого в конформационном анализе монопептидов в неполярной среде была принята величина О = 4,0 ккал/моль, а в слабо- и снльнопо.
парной [водной) средах — 2,0 и 0,5 ккал/моль соответственно. Влияние растворителя на электростатические взаимодействия учиты. валось использованием в расчетах разных значений диэлектрической иро айви» Рв с и. ! 3 Конформациониаи карта метиламила !Ч-ацетил-ь-аланина, рассчитаннаа с параиатрами полариоа прелы Ф емости в. Для неполярного растворителя наиболее приемлемо е = 4, ветсгвующее значению высокочастотной диэлектрической прони' мости алкиламидов. В водных средах величина е должна быть больше. дуя С. Кримму и Дж.
Марку [86), в расчетах, отвечающих условиям ной среды, нами принималась величина в = 1О. Несомненно, учет влия- растворителя только путем модификации потенциалов, описывающих ктростатические взаимодействия и водородные связи, не представ- ся достаточно обоснованным и не отличается глубиной. Однако оказаь, что даже такой способ правильно улавливает тенденцию смещения формационного равновесия и приводит к разумным количественным ультатам. Описанные данные теоретического конформационного анализа монотидов и приведенные на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
