Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
17.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Первая попытка воспроизвести свертывание белковой цепи с помощью упрощенной модели аминокислотной последовательности была предпринята в 1975 г. М. Левиттом и А. Уоршелом [29, 30]. Авторы представили белковую цепь в виде последовательности, в которой каждый остаток аппроксимирован двумя центрами: атомом С“ и боковой цепью в виде сферы с радиусом, равным среднему радиусу вращения соответствующей атомной группы. Предполагалось, что взаимодействия возможны только между сферами боковых цепей, а атомы С“ определяют лишь контур пептидного остова. В такой бусиничной с шаровыми подвесками модели остаток имеет только одну степень свободы - торсионный угол вращения относительно виртуальной связи, соединяющей два соседних атома Са(а;). Со столь упрощенным описанием геометрии белковой цепи соизмерим и учет внутримолекулярных невалентных взаимодействий. При расчете энергии предполагалось, что белковая цепь состоит не из 20 различных аминокислотных остатков, а всего только из трех: Ala, Gly и Pro. Потенциалы вращения вокруг виртуальных связей Са-С“ были получены путем усреднения энергии по всем конфигурациям дипептидов Ala-Ala, Ala-Gly, Ala-Pro. Gly-Gly, Gly-Ala и Pro-Ala, предполагая их зависимость исключительно от природы второй аминокислоты. Для остатков Asp и Asn использован потенциал, найденный для Gly, а для других остатков, кроме Pro, - потенциал Ala. Выбор одинаковых потенциалов для Asp, Asn и Gly обоснован тем обстоятельством, что эти остатки часто встречаются в (3-изгибах основной цепи. Таков же уровень обоснования других приближений.
Эффективные потенциалы взаимодействия между двумя одноименными боковыми цепями Ala и Pro рассчитывались по функции типа Леннарда-
jjjjcoHca как сумма энергии взаимодействий всех атомов в одной сфере с цтомами в другой. Потенциалы взаимодействий между разноименными раковыми цепями получены с помощью среднегеометрического комбинационного правила. Свертывание модели определялось путем решения уравнений молекулярной динамики, а влияние на этот процесс окружающей среды учитывалось введением специальной энергетической составляющей гидрофобных взаимодействий. Последние оценивались по данным растворимости аминокислот в воде и этаноле. Описанный подход опробован Левиттом и Уоршелом в расчете трехмерной структуры бычьего панкреатического трипсинового ингибитора [29]. Белок, состоящий из „900 атомов и имеющий 319 конформационных степеней свободы (углы вращения ф, у, со и х) был представлен бусиничной моделью из 110 обобщенных "атомов" с 57 степенями свободы (углы а). Для минимизации энергии такой системы при вариации углов а выбраны следующие три варианта начальных приближений: полностью собранная нативная конформация белка, развернутая цепь с фиксированным С-концевым а-спи-ральным фрагментом (остатки 48-58) и полностью развернутая цепь. Наиболее предпочтительные оптимальные конформации каждого из трех начальных приближений имели среднестатистические отклонения от кристаллической структуры белка - 2,5, 6,2, и 7,8 А. Минимизация энергии полностью развернутой цепи второго и третьего исходных структурных вариантов не привела к появлению каких-либо элементов нативной конформации белка; конечный результат целиком определялся начальным приближением. Выбранная модель, таким образом, не сработала.
В другой работе этих же авторов [31] исследована трехмерная структура миогена карпа (180 аминокислотных остатков). Использовалась та же расчетная модель с максимально упрощенными представлениями полипеп-тидной цепи и силового поля. Вопрос о свертывании белка из полностью резвернутой цепи уже не ставился; все исходные для минимизации Приближения содержали шесть а-спиральных сегментов, наблюдаемых в кристаллической структуре миогена. Компьютерное воспроизведение упаковки заданных вторичных структур выполнено при трех условиях. В Первом случае рассматривалось взаимодействие лишь пары а-спиралей. Было показано, что они предрасположены к достижению оптимального взаимодействия. Во втором случае аналогичная задача ставилась для четырех а-спиралей (69 остатков). Однако она оказалась практически Верешаемой; было получено пять конформаций со среднестатистической ошибкой -7,0 А. В третьем случае моделировалось свертывание белковой ?|рпи миогена из шести жестких цилиндров. После длительных поисков ?ьши найдены три структуры с ошибкой в 8,5 А.
Много общего с методом М. Левитта и А. Уоршела имеет метод расчета укладки трехмерной структуры белка, предложенный И. Кунтцем f соавт. [32]. В данном случае белковая цепь представлялась последовательностью сфер, центры которых совмещены в атомами С“. Радиус Каждой сферы грубо эквивалентен ван-дер-ваальсову радиусу боковой Цепи. В качестве независимых переменных выбраны 3п декартовых координат центров сфер (л-число аминокислотных остатков в белке). На свободу остатков в такой бусиничной (без подвесок) модели наложена
система ограничений. Остатки могут подходить друг к другу только д0 определенного расстояния. Между ними имеются взаимодействия, повышающие или понижающие энергию. Гидрофобные остатки должны находиться не более чем на S(A) от центра тяжести белка, где S - функция размера молекулы и гидрофобного ядра. Метод был использован для описания свертывания белковых цепей трипсинового ингибитора (58 остатков) и рубредоксина (54 остатка). При среднем расстоянии остатка от центра тяжести первого белка 10,3 А и второго 9,7 А среднестатистические отклонения опытных и рассчитанных структур составили сооответственно 4,7-6,0 и 4,0-6,0 А. Авторы отметили, что для белков большей молекулярной массы расчет приводит к менее удовлетворительным результатам.
