Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Важным представляется вопрос о критерии отбора перспективных структурных вариантов. Коль скоро метод энергетической оценки пептидных конформаций является не строго теоретическим, а полуэмпири-ческим, 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 Gly) с Н-формой основной цепи и редко встречаются остатки с L-формой; величины энергий этих форм уступают R- и В-формам всего лишь -2,0 и
1,5 ккал/моль соответственно. Почти не встречаются в белках остатки, стоящие перед Pro, с R-формой основной цепи, энергия которой в этом случае составляет 4,5-5,0 ккал/моль. Можно привести еще несколько аналогичных фактов, указывающих на порядок величины пороговой энергии. Тем не менее подобные оценки не формализуют метод и не освобождают его полностью от интуиции исследователя.
Рассмотренная классификация пептидных структур по конформациям.
домам и шейпам в значительной мере снимает вопрос о критерии отбора, Цо всяком случае, делает его несравненно менее актуальным. Данные •яогочисленных расчетов свидетельствуют о том, что при отборе кон-Ж»рмаций нельзя руководствоваться одним или рядом критериев для фрагментов разной длины. Отбор должен не носить формальный характер, а являться результатом анализа структур в соответствии с их Иерархической классификацией, природой остатков и размером фрагмента. 0ри переходе от простого этапа расчета к более сложному, особенно g случае коротких фрагментов, следует оставлять для дальнейшего счета щонформационные состояния всех типов независимо от величин их относительной энергии. При рассмотрении конкретных примеров в по-еяедующих главах этот вопрос будет рассмотрен более детально Сейчас лишь 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 количественной объективной проверке.
5 В последующих главах рассматриваются результаты конформацион-ного анализа большой серии природных олигопептидов. Их пространст-|енное строение практически полностью определяется взаимодействиями дежду 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 ярно позднее, самым ответственным и сложным, но в то же время наиболее интересным этапом на пути к априорному расчету трехмерных структур белков. Очевидно, понимание пространственного строения и механизма спонтанной, быстрой и безошибочной укладки белковой последовательности в нативную конформацию невозможно без установления принципов пространственной организации эволюционно отобранных низко-Цолекулярных пептидов. Между природными олиго- и полипептидами нет Четко очерченных границ, и количественная конформационная теория более простых молекул является естественной составной частью конформационной теории более сложных соединений той же природы. Во-вторых, Ййние пространственной организации и динамических конформационных свойств природных олигопептидов - гормонов, антибиотиков, токсинов и т.д. - необходимо также для изучения молекулярных механизмов узнавания, действия и регуляции биосистем, выявления структурно-функциональных особенностей пептидов и белков.
7.2. АЛГОРИТМ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА КОНФОРМАЦИЙ
В основе теоретического конформационного анализа лежит поиск оптимальных пространственных форм молекул при варьировании переменных Геометрических параметров и учете энергетических вкладов от взаимодействия валентно-несвязанных атомов. Для определения энергии каждой Оптимальной конформации необходимо расстояние между атомами выра-
Рис. 11.36. Локальные системы прямоугольных координат атомов пептидной цепи Рис. 11.37. Направляющие вектора связей
зить 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. Мидзу-симой при расчете геометрии стереорегулярных кристаллических полимеров [126]. В анализе пептидов и белков локальные системы координат целесообразно связывать с атомами основной цепи. В правой прямоугольной системе координат ось х направляется от атома по связи его с последующим атомом, ось у располагается в плоскости пептидной группы, а ось z определяется выбором правой системы (рис. 11.36). Координаты атомов боковых цепей задаются в локальных системах соответствующих атомов С“. Переход от одной системы координат к другой сопровождается поворотом сначала на угол а вокруг оси z, а затем на угол ф вокруг оси х (а — валентный угол, ф - угол вращения вокруг связи N-C“). В матричном выражении эта операция выглядит так:
