Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Но это не единственная нх слабость. На конформационных картах ~р-у монопептидов (см. рис. 11.10, б) область Ь не только на -1,5 ккал/моль выше областей В и В, но и значительно уже. Следовательно, однотипные основные цепи с К- и В-формами остатков всегда эитропийно предпочтительнее основных цепей с Ь-формамн остатков. Последние имеют более узкий диапазон разрешенных значений углов (у, зу) и, следовательно, меньшую возможность для образования компактных структур.
Отмеченные соображения объясняют редкую встречаемость )=форм у остатков (за исключением О)у) в белках (см. рис. 11.23). Эти же соображения служат обоснованием одного методического приема, существенно упрощающего поиск низкоэнергетических оптимальных конформаций пептидов.
У каждого шейпа имеется лишь одна форма основной цепи с остатками в В- и В-областях (точнее, их две, но они отличаются лишь формой С-концевого остатка, и поэтому, как уже отмечалось, практически изоэнергетичны). На первом этапе конформационного анализа пептнда при выяснения энергетических соотношений между оптимальными структурами разных типов пептидного скелета достаточно рассмотреть все возможные структурные варианты только с В- и В-формами остатков.
Варианты с 1.-формами остатков следует анализировать только у тех шейпов, которые обладают наиболее низкоэнергетическими структурами с й- и В-формами остатков. Если у свободного фрагмента все принадлежащие одному шейпу конформации с К- и В-формами остатков имеют высокую относительную энергию, то варианты с 1.-формами остатков того же шейла будут еше более высокоэнергетичнымн. Шейлы е и/ дипептндных фрагментов встречаются одинаково часто в трехмерных структурах белков (у 50 базовых белков, использованных горо угоо ууоо гооо , воо " доо й ооо ь ооо уоо р а с.
1!.35. Распределение структур пснтапептнднмх фрагментов по гееннам а нннпннмтн асанах, н«польэоеаннм х дл» посгроеннх эаанснмостн, прнаеденнаа на рнс. ПЗ2 йвя построения кривых рис. В.32, дипептидные структуры типа е встречаготся 3005 раз, а типа г' — 3002). Неравномерно распределение диФептидных форм в пределах каждого шейна; доминирующими формами йипептидных фрагментов в белках являются й — К ф и В-В (е). Рассмотрим теперь распределение в трехмерных структурах белковых молекул двптидных участков болыпего размера по шейпам.
Выберем пентапептидИый фрагмент, основная цепь которого теоретически может принимать ФОрмы 16 шейпов. Представление об их распределении дает гиспп рамма, Вриведенная на рнс. 11.35. Она построена на основе рентгеноструктурных данных для тех же 50 базовых белков, которые были использованы дл рис. 11.32. Как свидетельствует гистограмма, все 1б типов возможных для пентапептидного фрагмента структурных образований, действительн~ обнаруживаются в белках.
Наиболее часто встречаются структурь, шейпову)уг(-30%) и ееее (-20%), которые в основном представлены и-спа. ральной (К-К-К-К-К) и (з-структурной (В-В- — В-В) формами основноя цепи, однако не только. В заключение раздела остановимся на двух вопросах, которые пря обсуждении поэтапного метода конформационного анализа пептидов я белков. казалось бы, должны иметь первостепенное значение. Речь идет о принципах разбиения пептидной цепи на фрагменты и критерии огне сепия конформационных состояний каждого рассчитываемого фрагмента к низкоэнергетическим, т.е. перспективным в последующем расчете более сложного участка пептидной цепи, н к высокоэнергетическим — ясперс. пективным, исключаемым из расчета.
Что касается первого вопроса, то постулируемая в теории структурной организации пептидов и белков согласованность ближних„средних и дальних взаимодействий не делает его принципиальным. Конечный результат в этом случае должен быть одним и тем же при любой схеме разбиения последовательности на фрагменты. Тем не менее разделение пептида на отдельные участки— ответственный момент конформационного анализа, поскольку от выбранной схемы существенным образом зависит объем вычислительных работ. Более того, заметный прогресс в расчете трехмерных структур высокомолекулярных белков можно ожидать при разработке метода априорной идентификации конформационно жестких и лабильных фрагментов аминокислотной последовательности. Обсуждение этого вопроса будет продолжено в конце книги после рассмотрения результатов расчета пептидов и белков.
Важным представляется вопрос о критерии отбора перспективных структурных вариантов. Коль скоро метод энергетической оценки пептидных конформацнй является не строго теоретическим, а полуэмпирнческим, то пороговое значение энергии при селекции структурных вариантов должно устанавливаться опытным путем. Однако этот путь фактически закрыт из-за отсутствия соответствующих экспериментальных количественных данных о конформационных возможностях линейных низкомолекулярных пептидов.
Позднее эта тема будет рассмотрена подробнее. Сейчас лишь отметим некоторые факты, с помощью которых можно сделать ориентировочную оценку пороговой величины энергий. Так, в структурах белков практически отсутствуют остатки (кроме б!у) с Н-формой основной цепи и редко встречаются остатки с 1.-формой; величины энергий этих форм уступают К- и В-формам всего лишь -2,0 а 1,5 ккал/моль соответственно. Почти не встречаются в белках остатки, стоящие перед Рго, с К-формой основной цепи, энергия которой в этом случае составляет 4,5-5,0 клал/моль.
Можно привести еще несколько аналогичных фактов, указывающих на порядок величины пороговой энергии. Тем не менее подобные оценки не формалнзуют метод н Я' освобождают его полностью от интуиции исследователя. Рассмотренная классификация пептидных структур по конформацияя 232 рмам и шейпам в значительной мере снимает вопрос о критерии отбора, всяком случае, делает его несравненно менее актуальным. Данные огочисленных расчетов свидетельствуют о том, что при отборе конрмаций нельзя руководствоваться одним или рядом критериев для агментов разной длины.
Отбор должен не носить формальный хатер, а являться результатом анализа структур в соответствии с их архической классификацией, природой остатков и размером фрагмента. Юри переходе от простого этапа расчета к более сложному, особенно д случае коротких фрагментов, следует оставлять для дальнейшего счета дпнформационные состояния всех типов независимо от величии их относительной энергии.
При рассмотрении конкретных примеров в по- медующих главах этот вопрос будет рассмотрен более детально Сейчас вишь отметим, что общим правилом при отборе структурных вариантов является отказ сначала от отдельных конформационных состояний, затем от форм основной цепи и в последнюю очередь от шейпов пептидного скелета. Обоснованность каждого из этих трех шагов поддается количевгвенной объективной проверке.
В последующих главах рассматриваются результаты конформационяазго анализа большой серии природных олигопептидов. Их пространственное строение практически полностью определяется взаимодействиями «ежду близко расположенными в цепи остатками, и поэтому они представляют собой естественные объекты исследования средних взаимодействий. Здесь нельзя было ограничиться анализом единичных примеров в силу по крайней мере двух обстоятельств.
Во-первых, изучение конформационных возможностей природных олигопептидов является, как станет арно позднее, самым ответственным и сложным, но в то же время яаиболее интересным этапом на пути к априорному расчету трехмерных структур белков.
Очевидно, понимание пространственного строения н «еханизма спонтанной, быстрой и безошибочной укладки белковой последовательности в нативную конформацию невозможно без установления вуинципов пространственной организации эволюционно отобранных низкояюлекулярных пептидов. Между природными олиго- и полипептидами нет Четко очерченных границ, и количественная конформационная теория лее простых молекул является естественной составной частью конформационной теории более сложных соединений той же природы.
Во-вторых, Жанне пространственной ор~анизации и динамических конформационных свойств природных олигопептидов — гормонов, антибиотиков, токсинов и т.д. — необходимо эаюке для изучения молекулярных механизмов узнавания, действия и регуляции биосистем, выявления структурно-функциоявльных особенностей пептидов и белков. 7.2. АЛГОРИТМ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА КОНФОРМАЦИИ В основе теоретического конформационного анализа лежит поиск оптиМальных пространственных форм молекул при варьировании переменных Геометрических параметров и учете энергетических вкладов от взаимоДяйствия валентно-несвязанных атомов. Для определения энергии каждой бптимальной конформации необходимо расстояние между атомами выра- 233 Р и с.
П.зб. Локальные системы прямоугольных координат атомов пепгилной цени Р н с. П.37. Направляющие вектора связей х„, Уа-> йа > -сова -япа О хг хо †с>р.сова сов>р сова яп >р . У> и уо яп>р вша яп>р.сов>х -сов>р где хо, уо, хо — координать> начала А-той системы координат в системе 1> — 1.
Для перевода координат атомов из 1-й системы в й-ую >>г — число атомов основной цепи) необходимо выполнить 1> — 1 последовательных преобразований. Координаты атомов в боковой цепи подобным образом переводятся в систему, связанную с атомом С~; ось х направляется вдоль вить в виде функции выбранных переменных. С этой целью координаты атомов сначала выражают в локальных системах координат, связанных с независимыми от конформационного состояния молекулы структурными элементами, а затем локальные системы переводят посредством переменных двугранных и валентных углов в единую для молекулы систему.
Координаты атомов в процессе итерационного спуска могут рассчитываться с помощью одного из двух методов — матричного или векторного, приводящих, естественно, к одним и тем же результатам. Матричный метод впервые был предложен Т, Шиманучи и С. Мидзусимой при расчете геометрии сгереорегулярных кристаллических полимеров 1126).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
