Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Упрощенный подход к конформационному анализу Met-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 конформационных состояний. В результате вне анализа оказались все варианты с формой основной цепи BBHRB, которую имеет, согласно расчету Изогаи и соавт. [181] и нашим данным (табл. 111.21), глобальная конформация Met-энкефалина; не учтены и многие другие низкоэнергетические состояния.
Ш. Ёонеда и соавт. [187] применили метод молекулярной динамики к мономерной и димерной структурам Met-энкефалина. Полностью вытянутая мономерная конформация, выбранная в качестве исходной, переходила по ходу расчетной процедуры в стационарное состояние, представляющее собой свернутые формы с [i-изгибом, а вытянутая антипарал-лельная димерная структура оставалась неизменной. Сделан вывод, что найденные формы мономера и димера являются основными конформациями энкефалина, сосуществующими в водном растворе. Расчет прост -
фанственного строения молекулы Met-энкефалина провели также 3. Ли и |{\ Шерага [188]. Однако цель этой работы выходит далеко за рамки исследования конформационных возможностей пептидного гормона, сравнительно простого по своему размеру и аминокислотному составу. Энке-фалин использован лишь в качестве примера, который должен продемон-,етрировать 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 В 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 (ср, V|/, (о 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 Met-энкефалина серия заканчивалась после 10000 итераций, занимавших от 4 до 10 ч машинного времени IBM-3090. Всего было проведено 17 беспорядочно-поисковых процедур, стартовавших с разных конформационных состояний. В каждом случае выбор самой низкоэнергетичес-Кой 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 Met-энкефалина. 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 Met-энкефалина 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 зависимостей белков" [188. С. 6615].
Перед тем, как ответить на поставленные вопросы и оценить в какой мере оправдан оптимизм Ли и Шераги в отношении перспективности предложенного ими метода, обратимся к результатам конформационного анализа Met-энкефалина. Как полагают авторы, общее количество локальных минимумов на потенциальной поверхности пентапептида и, следовательно, число потенциально равновероятных структурных вариантов молекулы, составленных только из низкоэнергетических конформационных состояний свободных аминокислотных остатков, равно 10 Из них было проанализировано 17-104 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 -2-106 суток или -5,5-103 лет. Из столь простых выкладок, основанных на приведенных в работе данных, нельзя не прийти к следующим заключениям. Во-первых, трудно признать оправданным отнесение к глобальной одной из 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 Met-энкефалина 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 низкоэнергетических 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 Met-энкефалина их 10й) и неудовлетворительности самой процедуры оптимизации (вариация одной переменной при фиксированных значениях остальных).
