Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Более тщательный теоретический анализ Меьзнкефалина выполнен У. Изогаи и совет. [181). Найденная глобальная конформация молекулы имеет свернутую форму с [)з-изгибом и центральными остатками О!у — РЬе, Она стабилизирована невалентными взаимодействиями элез л ментов основной цепи и водородной связью между группами ОН тиро- яновой боковой цепи и СО О!у или Р)зе~.
Боковые цепи остатков метиоиина и фенилаланина ориентированы в среду н конформационно свободны. аналогичную форму имеют еще шесть конформаций с энергией 0,2- й,0 ккал/моль, отличающихся положением боковых цепей. Расчет авторов гвботы [181] в основном согласуется со спектральными данными ЯМР !149, 153, 165, 168], подтверждая предположение о предпочтительности ]!ля молекулы Меьэнкефалина в разбавленном растворе конформаций цдиой формы основной цепи, Геометрия глобальной структуры, полученной в исследовании (181], 'полностью совпадает с найденной нами независимо самой выгодной конформацией молекулы [табл. 111.21) не только по шейпу пептидного скелета Щ), но и по форме и ориентациям боковых цепей (ВзмВНВззВзм). Более того, имеется удовлетворительное количественное совпадение двугранных углов Ф, у, ш и)( всех остатков [средний разброс не превышает 8'). Рассчитанные в этой работе структурные варианты иных типов имеют существенно более высокую энергию.
Так, относительная энергия лучшей конформации типа ефе (в нашей классификации), непосредственно следующей за глобальной, составляет 5,4 ккал/моль. Найденная нами количественно точно такая же в отношении всех деталей конформацня имеет энергию 3,5 ккал/моль. Различие не так существенно, однако важно другое. Согласно нашему расчету, между конформациями шейпов еЩн е/]е [//,е = 0 и 3,5 ккал/моль) находятся конформации еще двух типов Ще иЩ лучшие из которых имеют энергию 1,5 и 2,4 ккал/моль. По данным расчета У. Изогаи и соавт.
[181]„самые низкоэнергетические структуры этих типов характеризуются значениями //,а,а соответственно около 6,0 и 11,0 ккал/моль. Причина состоит в ошибочной стратегии анализа. Полностью свернутая структура (/у//) представлена в рассмотренном наборе лишь а-спиральной формой, которая и по нашим данным действительно невыгодна для последовательности Меьэнкефалина. Другие же формы спирального типа, оказавшиеся в данном случае более предпочтительными, не проанализированы.
Из всех возможных вариантов шейпа/2/е рассмотрены структуры только с формой основной цели ВНБВВ, а самые низкоэнергетическне структуры этого типа, имеющие, по нашим данным, форму В[.НВВ, во внимание не были приняты. Таким образом, вывод авторов (181] о доминирующем содержании в растворе конформаций еф' Меьэнкефалина не отражает реальную ситуацию, а является следствием значительных пропусков в наборе исходных конформационных состояний.
К интересному заключению, противоречащему начинающему складываться представлению об актуальной для проявления опиоидной активности конформации Меьэнкефалина, пришел в результате теоретического анализа природной молекулы и ее аналогов Ф. Момани [182].
Биологические испытания (/)-А!а ]- и [/)-А!а ]-аналогов Меьэнкефалина показали, что активность первого соединения в несколько раз выше, чем у природного нейропептида, а у второго — практически отсутствует (183- 185]. Если установленная экспериментально [129, 133, 145, 168] н рассчитанная априорно [181] глобальная конформация шейна е/21'действительно 3 ответственна за взаимодействие с опиатным рецептором, то замена О!у- на 0-А!а, учитъ>вая данные биологических испытаний, не должна приве г сти к существенному изменению ее геометрии и величины относительнов энергии. Расчет Момани, однако, показал, что это не так.
Глобальной у [О-А!а~]-Ме1-энкефалина является конформация другого типа, а именно Ще, а конформация еЩ, самая выгодная для природного пеитапептида, обладает заметно большей энергией. В свете таких данных, казалось бы оправданным выглядит предположение о том, что конформация типа еГгг не имеет отношения к активному центру опиатного рецептора. Но это только на первый взгляд. Поскольку в работе У. Изогаи и соавт.
[181], на основе результатов которой было проведено исследование [182], не рассматривались все возможные типы структур, а у каждого типа — все возможные формы основной цепи, то вывод Момани лишен строгого обоснования. Самая предпочтительная конформаций шейпа е777 могла иметь не ВВНВВ-форму, а, например, не рассмотренную в [181] форму В[.НкВ, также не противоречащую известным опытным данным. При замене О!у> на 0-А!а она осталась бы глобальной у [0-А!а ] — Ме1-энкефалина, а при той же замене О1у стала бы нереальной для [0-А1аз]-аналога, В этом случае для объяснения результатов биологических испытаний пришлось бы сделать вывод, прямо противоположный уже сделанному в [182]. Что же касается конкретных результатов расчета Момани, то они очевидны.
В рассматриваемой конформации Ме>-энкефалина остаток С>1у находится в состоянии В. Для остатка 0-А!а оно крайне невыгодно, поскольку энсргетически эквивалентно состоянию Н для 0-А!а, которое, как известно. практически не обнаруживается в структурах пептидов и белков у аминокислотных остатков, за исключением глицина. В структуре же шейпа)>>[е, следующей за еЯ и имеющей, согласно нашим данным, форму В1 НВ8 [см. табл. 1Н.21), замена б!уз на 0-А!аз не ведет к повышению энергии, в поэтому она становится глобальной. Упрощенный подход к конформационному анализу Ме>-энкефалина характерен также для работы Ю.
Балодиса и соавт. [186]. В ней рассмотрены структурные варианты лишь 21 формы основной цепи молекулы, что составляет менее четверти вероятных и, следовательно, подлежащих анализу форм пентапептида. Кроме того, каждая из рассмотренных форм представлена ограниченным набором конформационнь>х состояний.
В результате вне анализа оказались все варианты с формой основной цепи ВВНВВ, которую имеет, согласно расчету Изогаи и соавт. [181] и нашим данным [табл. 111.21), глобальная конформация Меь энкефалина; не учтены и многие другие низкоэнергетические состояния. Ш. Еонеда и соавт. [187] применили метод молекулярной динамики к мономерной и димерной структурам Ме1-энкефалина. Полностью вытянутая мономерная конформация, выбранная в качестве исходной, переходила по ходу расчетной процедуры в стационарное состояние, представляющее собой свернутые формы с [[-изгибом, а вытянутая антипараллельная димерная структура оставалась неизменной, Сделан вывод, что найденные формы мономера и димера являются основными конформациями энкефалина, сосуществуя>шими в водном растворе. Расчет просз- фанственного строения молекулы Меьэнкефалина провели также 3.
Ли и ~. Шерага [188[. Однако цель этой работы выходит далеко за рамки ис18яедования конформационных возможностей пептидного гормона, сравнив)ельно простого по своему размеру и аминокислотному составу. Энке,фалин использован лишь в качестве примера, который должен продемонянрировать возможности предложенного авторами метода поиска самых глубоких, отвечающих нативным глобальным конформациям молекул, энергетических минимумов среди множества так называемых локальных минимумов на многомерных потенциальных поверхностях пептидов и белков. В связи с этим затрагиваются некоторые аспекты проблемы свертывания и структурной организации природных полипептидов, что представляет общий интерес, в связи с чем остановимся на публикации Ли и Шераги, уже упоминавшейся в разделе 7.3, более подробно.
Подход к идентификации глобального минимума, названного авторами [188[ методом Монте Карло-минимизации, состоит из следующих трех этапов: а) процедуры Монте Карло, заключающейся в беспорядочном выборе начальной конформации из огромного количества потенциально равновероятных, б) оптимизации этой конформации при произвольном изменении от -180 до 180'С случайно отобранного двугранного угла вращения (у, ~д, оз или у) и в) сопоставлении энергии проминимизированной конформации с результатами предшествующего расчета данной серии. Далее совершается переход к следующей итерации с повторной минимизацией той же начальной конформации, но при флуктуации в аналогичных пределах новой переменной, также случайно выбранной.
В расчете Ме1-энкефалина серия заканчивалась после !0000 итераций, занимавших от 4 до 10 ч машинного времени 1ВМ-3090. Всего было проведено 17 беспорядочно-поисковых процедур, стартовавших с разных конформационных состояний. В каждом случае выбор самой низкоэнергетической структуры производился после сопоставления результатов анализа 10000 локальных минимумов.
Из 17 генераций в 12 предпочтительной по энергии оказывалась одна и та же конформация, которая и была признана глобальной для Меьэнкефалина. В пяти генерациях, т.е. в -30% рассмотренных вариантов, лучшими оказались другие конформации, энергия которых, по крайней мере, на 2 ккал/моль превышала энергию глобальной формы. Можно ли выводы Ли и Шераги в отношении найденной структуры Меь апкефалина считать объективными? Является ли метод Монте Карло- Минимизации перспективным для расчета нативных конформаций белков и механизмов их сборки? Адекватен ли он в принципе реальному процессу свертывания белковой цепи? У самих авторов на этот счет нет сомнений, Оценивая в заключении статьи возможности предложенной процедуры, они отмечают: "Применение метода Монте Карло-минимизации к свертыванию олигопептидов не только способствует пониманию физической сущности процесса свертывания белковой цепи, но также может являться эффективным алгоритмом предсказания нативных структур белка....Более того, поскольку метод Монте Карло-минимизации позволяет проводить исследования крупномасштабных изменений [и белковое свертывание является лишь одним таким примером), то он может быть весьма полез- ным в изучении свойств и структурно-функциональных зависимостея белков" (188.
С. бб15]. Перед тем,как ответить на поставленные вопросы и оценить в каков мере оправдан оптимизм Ли и Шерагн в отношении перспективности предложенного имн метода, обратимся к результатам конформационного анализа Меьэнкефалина. Как полагают авторы, общее количество ло. кальных минимумов на потенциальной поверхности пентапептида и, следовательно, число потенциально равновероятных структурных вариантов молекулы, составленных только из низкоэнергетических коифо~змационных состояний свободных аминокислотных остатков, равно 10, Из 1 них было проанализировано 17.10 структурных вариантов, т.е.
0,0002% от общего количества, на что затрачено -100 ч машинного времени, т.е -4 суток. Непрерывный расчет всех минимумов занял бы -2 10 суток или б -5,5.10 лет. Из столь простых выкладок, основанных на приведенных а з работе данных, нельзя не прийти к следующим заклнзчениям Во-первых, трудно признать оправданным отнесение к глобальной одной нз конформаций, полученной при рассмотрении крайне малой части исходных приближений (0,0002%) и фактическом игонорировании результатов 5 из 17 проведенных серий итераций с изменением при каждой итерации только одной переменной.
Таким образом, исследование пространственного строения Меьэнкефалина не выявило энергетически самой выгодной структуры молекулы и не привело к достижению поставленной авторами конкретной цели. В этом, однако, нет большой беды. Знание у лабильного пентапептида лишь единственной структуры, пусть даже обладающей наименьшей энергией, вряд ли может представить значительный интерес. Несравненно большую ценность как в чисто научном, так и прикладном отношении имела бы количественная информация о всем наборе низко- энергетических конформаций гормона. Во-вторых, метод Монте Карло- минимизации не может быть использован в конформационном анализе даже коротких олигопептидов, по крайней мере, по двум причинам: из-за множества исходных для минимизации приближений (у Меьэнкефалина их 1О ) и неудовлетворительности самой процедуры оптимизации (вариация одной переменной при фиксированных значениях остальных).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
