Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В основу интерпретации опытного материалййфыли положены геометрические и энергетические характеристики огр%йиченного набора оптимальных конформаций монопептидов, изученных теоретически. При этом обнаружилось полное соответствие между всеми выводами теоретического анализа, с одной стороны, и зспериментальными данными, с другой. В результате была установлена непосредственная связь между оптимальными формами рассчи. таиных монопептидов и соответствующими опытными данными, полученными с помощью различных физических методов; теоретический и экспериментальный подходы не обнаружилн противоречий в оценке тенденции смещения положений конформационного равновесия у изученных монопептидов при переходе от неполярных к полярным растворам. Тем самым было показано, что использованные в расчете потенциальные функции в параметризация адекватно отражают реальные взаимодействия атомов одного аминокислотного остатка и удовлетворительно имитируют влияние на эти ближайшие взаимодействия окружающей среды.
Расчетный метод конформационного анализа выдержал, таким образом, свое первое испы тание на пути к решению задачи структурной организации белков. Это пожалуй, самый важный вывод нз проведенного нами комплексного теоретического и экспериментального исследования. Он, конечно, не решал еще многих проблем, но послужил надежным обоснованием для следующего шага — анализа конформацнонных возможностей монопеп тидов всех остальных стандартных аминокислот. !72 5.3. БОКОВЫЕ ЦЕПИ АМИНОКИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ рассмотрение пространственного строения метиламндов Х-ацетнлтязщина, (.-аланина, Б-валина, (.-пролива и некоторых их Х-метильных производных позволило получить представление о влиянии на конформа[яаонное состояние основной цепи объема заместителя при атоме Сч н замены атомной группы Х-Н на группу Х-СНп Было выяснено, что изменение боковой цепи аминокислотного остатка и метилированне амидяых групп заметно сказываются на конформационной свободе и стабильяости оптимальных форм, но существенно не влияют на положение локальных минимумов и не ведут к образованию новых ннзкоэнергезических областей.
Последнее заключение чрезвычайно важно, поскольку пио утверждает, что конформационные возможности основных цепей всех стандартных аминокислотных остатков в свободном состоянии описы° аются ограниченным набором одних и тех же оптимальных конформаций. Теперь, придя к такому заключению, можно обратиться к анализу и дру1[ях аспектов ближних взаимодействий, а именно к выявлению оптимальных конформационных состояний боковых цепей и их взаимообусловленности с формой основных цепей собственных аминокислотных остатков.
Это будет сделано на примере анализа результатов расчета простщ[нственного строения двух молекул — метиламидов Х-ацетил-(.-феннла[Занина и Х-ацетил-Ь-глутаминовой кислоты. Поскольку нас теперь будут упересовать конформационные возможности свободных аминокислот й[злько в водной среде, остановимся иа рассмотрении расчетных данных, полученных при использовании параметризации потенциальных функций, яя[гвечающей условиям полярного окружения [83]. Метиламид Х-апетил-Т;фенилалаииня. Пространственное строение мокулы определяется главным образом двумя углами вращения вокруг ей основной цепи — д, ~у — и двумя углами вращения вокруг связей ковой цепи — )(и уз (рис. 11.21). Для получения общего представления о нциальной поверхности феннлаланиновогомонопептида,необходимого я определения положений локальных минимумов и выбора нулевых лижений для минимизации энергии, были построены конформационные рты при значениях углов Х,, )(з, соответствующих минимумам рсионных потенциалов вращения вокруг связей С -Са и СД-Ст [99[.
При чете конформационной энергии учитывались невалентные электростаеские и торсионные взаимодействия и водородные связи. Для нахожния конформаций, реализующихся в полярной среде, использованы ачения диэлектрической проницаемости в = 10 и энергии пептидной дородной связи Р = 0,5 икал/моль. Были построены три семейства чений потенциальной поверхности ~р — дг при ул = 60, 180, -60' и уз = 30, , 150' (положения при (з = +180' изоэнергетнчны). Если из всех сечений брать для каждой пары углов яз-~~ самое низкое значение энергии и ести его на новую карту, в итоге получится конформационная карта язв , в которой энергия в каждой точке будет грубо усреднена по углам (, и . Оказалось, что построенная таким образом карта д — ~у метилами- Х-ацетил-(.-фенилаланина практически совпадает с картой <р-~~метил- 173 Р и е.
0.21. модель молекулы метиламида х-ацетил-1.-феиилалаиииа в конформации и = ч = = 180', ы = 180' Положения, отвечающие Х< = Хз = 0', локаяаны на проеяцняя Ньюмена амида Х-ацетил-Е-аланина (рис. П.13). Следовательно, присутствие в молекуле объемной боковой цепи не сказывается на конформационной свободе основной цени, что, однако, не исключает существования эффективной взаимосвязи между ними, и наличия корреляций между значениями конформационных параметров ф, 1(7 и )(1, )(2.
В отсутствие у феннлаланинового монопептида взаимодействий между основной и боковой цепями молекула должна была бы иметь 27 близких по энергии оптимальных конформаций (трн состояния основной цепи н девять — боковой). Расчет, однако, показал, что лишь 16 из них имеют потенциальные ямы в пространстве ер, у(а и )(„)(2. Проминимизированные значения их геометрических и энергетических характеристик приведены в табл. П.14.
Оптимальные конформации молекулы не эквивалентны. Более предпочтительными являются формы В. В пределах комнатных значений )сТ им почти не уступают варианты типа Вц наиболее высокоэнергетичны конформации 1.. Энергии однотипных по форме конформаций (К, В, 1-) основной цепи при (! = 60, 180 и -60' очень близки, т,е, все ротамеры с углами вращения вокруг связи С -Ср, соответствующими минимумам потенциала ()т„р„возможны для монопептида. Однако их изоэнергетнчность еще не означает равновероятности. Исследование потенциальной поверхности молекулы показало, что области низкой энергии к, В и Б максимальны по своей площади при у! = -60' и минимальны при у! = 60'.
Следовательно, все состояния с )(! = 180 и 60' при прочвф равных условиях энтропийно менее выгодны состояний с (! = — 60'. Величины свободной энергии Гиббса ротамеров были оценены по формуле С = КТ1пс, где: л — статистическая сумма вероятностей состояния Расчет показал, что в равновесной смеси при комнатной температуре содержание ротамеров с углами ум равными 174 Тибллца и 74 Геометричесине параметры (грац) и отиосительнеи днергии оитимельныд «онформеций метилемнле Ввецетнл-В-фенителеннне и„ье иел7 Конформации вером осноеной цени т 'т х~ Х2 7,-60, 180 и 60', составит соответственно -50, 30 и 20%.
Что касается йвугранного угла тз, то наиболее выгодным его значением для всех форм феновной цепи является -90' 1см. табл. 11.14). Результаты расчета хорошо 1)ргласуются с опытными данными, полученными из спектров ЯМР свзоизводных фенилаланина С.Л. Портновой, В.Ф. Быстровым и соавт. Ц00). Из спектров следует, что полоясение бензольного кольца соответй)1вует углу 72 — 90', угол вращения вокруг связи )4 — С~1'ср) находится в 1йаласти -140-100' и, наконец, популяции конформаций с у1 = -60, 180 и цм' составляют 50-70, 15-30 и 5-20% соответственно. Приведенные в Хабл. 11,14 данные получены путем минимизации энергии по четырем временным 1ср, 1р, у1, )12).
Энергия зтих конформаций была затем ирой)ннимизирована также при вариации валентных углов, у которых в центре цйходится атом С . Перед обсуждением полученных результатов следует, цйиако, вернуться к расчету конформаций метиламидов )т)-ацетилглицнна, мааланина, Е-валина и Е-пролива )20, 67) и сказать несколько слов об Фаализе конформационной устойчивости валентных углов пептидных групп йййтлов при атоме С . й. Упомянутые углы в расчете зтих молекул считались наряду с дву- 48)анными углами ср и 3)г переменными. детальный анализ показал, что размеры боковых цепей аминокислот и конформация основной цепи Фактически не влияют на валентные углы пептидных групп.
Этот вывод чйрошо согласуется с рентгеноструктурными данными о соединениях, со- 175 -137 -65 -127 -113 -100 -99 -124 -113 -110 -109 -125 53 48 54 50 40 -60 — 50 -59 — 60 — 62 -33 150 145 152 153 164 60 60 76 76 42 -60 -80 -56 176 174 64 -6! -49 180 180 60 -58 -54 178 178 50 85 28 142 87 33 87 89 130 86 35 87 90 150 70 30 91 О,1 1,1 0,3 1,7 0,4 0 1,1 0 1,4 0 1,3 28 2,7 3,1 2,6 таблица Л 0 Валситиые углкг иеитидиой группы (тра!Г) Среднее зиачеиие угла молопсптидов (зисперимеитальиое) Расчетные зиачеиги угла (9-мстилацезамида Параметры По- линга — Кори Сс(9С' (чс'О (асса Со(ЧН 123,8 122.5 118,6 115,7 ! 23,7 122,3 118,6 115,9 123 125 114 114 176 держащих такие группы [101]. Расчет показал, что величина угла ХСсС' напротив, зависит от природы заместителя при атоме С н чувствительна к конформации основной цепи.
С увеличением размера боковой цепи угол [ч(С С' уменьшается с 111„8' у О!у до 109,7' у А!а и Рго н 105,9' у Ча( Такой характер изменения закономерен и является результатом отталкивания атомов основной и боковой цепей остатка, возрастающего с увеличением размера заместителя. Экспериментальные данные для различных аминокислот подтверждают результаты расчета. Так, в а-глицине угол [к[С~С' равен 111,8'; в гидрате никелевой соли [)-аланина — 109,6'! в солянокислом Е-ваяние — 105' и в гидробромиде 7.-валина — 102' [102]. Зависимость углов при атоме С от конформации проявляется главным образом при переходе от форм В и В к 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
