химический каталог




Практическая химия белка

Автор А.Дарбре

ильтр графия

реконструирующая линза

РИС. 20.15. Оптический дифрактометр, в котором микрофотография освещается параллельным пучком света, в результате чего формируется дифракционная картина. Фильтр и линза, расположенные после дифракционной картины, реконструируют профильтрованное изображение.

РИС. 20.16. Оптическая фильтрация изображения двухслойной структуры, а — микрофотография актиновой трубки; б — дифракционная картина от микрофотографии, содержащая максимумы от обоих слоев и представляющая собой суперпозицию двух обратных решеток; в—решетка дифракционных максимумов, выбранная для реконструкции и обозначенная пунктирными линиями; г — профильтрованное изображение, реконструированное по выбранной решетке.

20.2. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 657

РИС. 20.17. Трехмерная реконструкция элементарной ячейки кристалла рибосомы, сделанная на основе серии микрофотографий, снятых под разными углами. Рибосомы были обнаружены в ооцитах ящерицы Lacerta sicula в кристаллическом состоянии. L и S — большая и малая субъединицы рибосомы.

карта, рассчитанная для кристаллов рибосомы [14]. Подобные карты аналогичны рентгеноструктурным картам низкого разрешения (5 нм).

20.2.8. Молекулярная микроскопия

Технические средства, используемые в трехмерной электронной микроскопии «окрашенных» образцов, могут быть применены и к «неокрашенным» объектам для исследования с более высоким разрешением. Теоретически это предполагает возможность прямого визуального наблюдения образующих молекулу атомов. Такое исследование «неокрашенных» образцов было проведено [7, 15], однако для этого пришлось разработать специальные методы микроскопирования и значительно более сложные методы обработки изображений на ЭВМ. Это обусловлено рядом причин. Во-первых, образец должен быть предохранен от дегидратации в вакууме микроскопа заливкой в топкую пленку сахарозы. Во-вторых, «неокрашенный» образец не защищен от по-

558

20. рентгеновская кристаллография и эм

вреждений контрастирующим веществом и, следовательно, время его облучения электронами должно быть столь коротким, чтобы радиационное разрушение было минимальным. в действительности это время настолько мало, что получаемые изображения обладают чрезвычайно низким контрастом. Поэтому информация о структуре может быть получена только для упорядоченных двумерных кристаллов.

Необходимость специальных методов обработки изображений обусловлена тем, что объект состоит из легких атомов, не окрашенных солями тяжелых металлов «красителя». в этом случае основной вклад в формирование изображения вносит не поглощение электронов атомами образца, а их торможение, изменяющее фазы электронов. Поэтому точно сфокусированное изображение в случае «неокрашенных» образцов не содержит структурной информации. Для визуального наблюдения легких атомов необходимо сделать серию снимков с различной фокусировкой, для того чтобы с помощью анализа на эвм можно было выбрать фазово-контрастные изображения, отображающие взаимное расположение легких атомов.

Для реконструкции трехмерной структуры приходится объединять информацию из многих микрофотографий. Необходимо, чтобы в каждой из них отношение величин полезного сигнала и шума было достаточно велико, что возможно только в случае высокоупорядоченных периодических структур. Именно поэтому исследование с высоким разрешением может быть выполнено только для таких объектов.

Литература

1. Blundelt Т. L., Johnson F. Ar, Protein Crystallography, Academic Press. London, New York, San Francisco, 1976,

2. Boit R. R., Navia Al A., Smith J. L, Biol. Chem, 257, 9883—9886 (1982).

3. Dover S. D.r Elliott A, J. Mol. Biol, 132, 323—341 (1979).

4. Dover S. D, Elliott A, Kemaghan A. A, J. Microsc. 122, 23—33 (1981).

5. Duniiz J. D, X-ray Analysis and Structure of Organic Molecules, Cornell

University Press, Ithaca and London, 1979.

6. Faberge A. C, Oliver R. Af, J. de Microscopic 20, 241—246 (1974).

7. Henderson R., Unwin P. N. 7\, Nature (London), 257, 28—32 (1975).

8. Huxley IF, Zubay G., Mol. BioL, 2, 10—18 (1960).

9. McPherson A.t in: Methods of Biochemical Analysis, vol. 23, Glic D. (Ed h Wiley, New York, pp. 249—345, 1976.

10. McPherson A, Preparation and Analysis of Protein Crystals, Wiley, Nc"-York, 1982.

11. Richards F. Af, J. Mol. Biol, 37, 225—230 (1908)

12. Richardson IV. AT, Davies H. G, J. Cell Science, 46, 253—278 (1980).

13. Smith P. R.t Kistler /, J. Ultrastr. Res., 61, 124—133 (1977)

14. Unwin P. N. 7\, Nature (London), 269, 118—122 (1977)

15. Unwin P. N. Т., Henderson R„ J. Mol. Biol, 94, 425—440 (1975).

Глава 21

ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ

И БЕЛКОВ

Б. РОБСОН (В. ROBSON, Department of Biochemistry, The Medical School, University of Manchester, Oxford Road, Manchester M13 3PL, U.K.)

21.1. Введение

Первые опыты успешного предсказания конформации биомакромолекул имеют уже более чем 30-летнюю историю. Каков главный урок, полученный за это время? По-видимому, будет справедливо сказать, что на основе одних только теоретических представлений невозможно выполнить предсказание с абсолютной уверенностью. Требуется множество допущений для получения результата за разумное время при вычислениях, невозможных без применения ЭВМ. В связи с этим возникает своеобразная неопределенность: структура А предпочтительнее структуры Б, которая, однако, также считается вполне вероятной до тех пор, пока не появится серьезное возражение. Поэтому весь смысл применения теоретического подхода состоит в том, чтобы при учете экспериментальных данных можно было сделать конкретный вывод о предпочтении той или иной конформации. Именно благодаря привлечению экспериментальных данных в молекулярной биологии были сделаны важнейшие открытия: доказано существование сх-спиралей и ^-структуры в белках и двойной спирали в ДНК. В последнее время успешно решены и некоторые другие проблемы: направленный синтез лекарств и определение пространственного строения полисахаридов— это только два примера таких удач. В некоторых случаях, например при уточнении кристаллографических данных о белках с помощью энергетических расчетов, теоретический подход стал обычной процедурой. Образно можно сказать, что опыты по предсказанию структур биомолекул уже вышли из младенчества, хотя и не покинули еще юношеский возраст.

Исследователи, занимающиеся предсказанием молекулярных конформации, предпочитают говорить, что конформация была рассчитана с помощью метода коиформационного анализа. Данный метод позволяет как предсказывать, так и объяснять экспериментальные данные. Расчет молекулярных свойств соединений, для которых продпочтительная конформация является

560 21. ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ и БЕЛКОВ

далеко не единственным способом ее структурной организации, составляет основную задачу конформационного анализа. Многие молекулы не имеют фиксированной конформации, которая, строго говоря, возможна только при температуре абсолютного нуля. Молекулы ряда олигопептидов, например нейропептидов, имеют линейную довольно подвижную структуру, что делает расчет только одной конформации явно недостаточным. В этом случае целесообразно выполнить расчет усредненных свойств, например усредненной константы спин-спинового взаимодействия, величину которой можно найти из данных ЯМР-спектроскоппи. Сравнение расчетных и опытных величин позволяет интерпретировать экспериментальные данные в терминах конформационных возможностей данного соединения.

Предсказание структуры белков вызывает всеобщий интерес; успехи в данной области могут иметь и социально-экономическое значение [59, 60]. Предсказательные методы в белковой инженерии считаются теперь частью обширных научных программ, затрагивающих фармацевтические, сельскохозяйственные и социальные области. Это обстоятельство стимулировало успехи специальных математических направлений, на которых останавливаться в настоящем обзоре нецелесообразно. В дальнейшем изложении главное внимание уделяется физическим основам и особенностям выполняемых вычислений. Обсуждаются также некоторые важные проблемы, связанные с аппаратурным и техническим оснащением [51, 61, 70].

21.2. Традиционные методы

Любому научному прогрессу всегда сопутствует противостояние позиций экспериментаторов, осторожно относящихся к новым концепциям, и теоретиков, которые устоявшиеся представления почти всегда рассматривают как приближенные и ограниченные. В настоящем разделе в самом общем виде излагаются некоторые предсказательные приемы, которые экспериментаторы считают достаточно хорошими и охотно используют в своих работах. А затем уже обсуждаются некоторые теоретические возражения против применения этих приемов, а также дается описание улучшенных методов.

Согласно модели твердых сфер, атомы представляют собой шары, размер которых определяется вандерваальсовыми радиусами. Допустимыми считаются конформации, в которых атомы не перекрываются. Если это условие не выполняется хотя бы для одной пары атомов, то такая конформация отвергается. Метод имеет ограниченное применение, поскольку допускает набор слишком многих конформации и выбор какой-либо из них осуществляется чисто интуитивно. В этом подходе все взаимодействия между атомами игнорируются, за исключением ван-

21.2. ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

561

дерваальсовых сил отталкивания, которым соответствует бесконечная энергия при перекрывании атомов и нулевая энергия в остальных случаях. Однако при усложнении такого подхода путем количественного учета других хорошо изученных взаимодействий, например водородных связей, оказывается удобно изучать конформации стереорегулярных молекул. Именно благодаря такому комбинированному подходу Полинг и Кори предсказали существование а-спирали и ^-структуры в белках, а Уотсон и Крик — двойную спираль ДНК.

Модель твердых сфер встречается на практике при построении объемных моделей молекул. В ЭВМ (компьютер) вводят следующее выражение:

где энергия Е конформации X равна сумме парных взаимодействий всех атомов молекулы; с помощью индексов i и / учитываются все атомы от первого до последнего, а ец зависит от типа атомов I и /. Энергия взаимодействия ец между атомами i и / может быть представлена разными способами, и один из них отвечает модели твердых сфер:

Здесь ец — функция расстояния Гц между центрами атомов; она имеет разрыв при rij = Rij (Rij— сумма вандерваальсовых радиусов атомов i и /). Радиусы i и / определяются только типом атомов (алифатический углерод, кетонный кислород и т.д.). Для простых молекул обычно радиусы атомов находят из величин расстояний между атомами в кристаллической решетке. В общем случае ец представляет собой функцию потенциальной энергии, зависящую только от набора значений Rij.

Уравнение (21.2) легко распространить па случай наличия водородных связей, тогда разрешенными конформациями считаются те, в которых: а) нет перекрывающихся атомов и б) присутствует максимальное число водородных связей.

Ограничения модели твердых сфер связаны с тем^ что реальные атомы не являются ни жесткими, ни сферическими. Более того, в молекулах действуют также иные силы, а не только сте-рическое отталкивание. Как отмечалось выше, учет водородных связей совершенно необходим, чтобы модель твердых сфер реже применялась в самом примитивном виде. В молекулах существенную роль играют электростатические взаимодействия, возникающие между атомами, несущими единичный или дробный заряд, обусловленный различием злектроотрицательности ато-

(21.1)

1 = 2 1=1

со, если Гц< О, если rij>Rij

(21.2)

об -703

562

21 ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

мов. Эти взаимодействия нельзя, однако, описать с помощью простой функции от Гц, имеющей разрыв. Уместно отметить также, что модель твердых сфер вообще может применяться только потому, что области с наибольшей электронной плотностью не изменяются радикальным образом при объединении изолированных атомов в молекулу. Однако отклонение формы атомов от сферической, возможность образования водородных связей, а также дробные заряды, локализованные на атомах,— все это и есть те заметные изменения, которые происходят с атомами при их объединении в молекулы.

Модель деформируемых (мягких) сфер также основана на уравнении (21.2), но здесь ец— непрерывная функция от Гц. Вообще говоря, непрерывные потенциальные функции выполняют роль не более чем аналитических соотношений, выражающих примерную зависимость изменения энергии от гцу и совсем не обязательно вкладывать какой-либо физический смысл в отдельные составляющие функции.

Тем не менее в известной степени удобно и оправданно представлять непрерывную потенциальную функцию в виде суммы вкладов, каждый из которых отвечает либо энергии вандерва-альсова отталкивания, либо энергии электростатического взаимодействия, либо энергии водородной связи и т. д. Используемые потенциальные функции могут быть записаны в виде различных математических выражений; с учетом современных обозначений наиболее простое выражение для энергии ец можно записать в следующем общем виде:

Лц В,-} С,-;

е»=- -рг- + тг-'а >ь >с <21 -3>

Здесь Ацл Вц, Сц — параметры, зависящие от типов двух взаимодействующих атомов (алифатический углерод, кетонный углерод и т. п.). Вклад А в основном определяет потенциальную энергию модели твердых сфер [уравнение (21.2)], поскольку с увеличением показателя а зависимость от расстояния Гц первого слагаемого в уравнении (21.3) быстро растет. Однако, чтобы значение функции ец с ростом Гц быстрее сходилось к нулю, требуется дополнительная составляющая В, которую обычно истолковывают как вклад, отвечающий за слабые вапдервааль-совы силы притяжения между взаимодействующими атомами (дисперсионные силы Лондона, вызываемые возникновением наведенных дипольпых моментов). Величина этого вклада по сравнению с общей ошибкой вычислений достаточно мала, и основная роль второй составляющей — обеспечить равенство близкодействующих сил на коротких расстояниях. Третья составляющая энергии С отвечает за кулоповское электростатическое взаимодействие, обусловленное наличием дробных заря-

21.2. ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

563

дов, помещаемых для простоты в центры атомов. Энергия водородной связи не представлена в виде отдельной составляющей, так как в биологических молекулах этот вид взаимодействий можно отнести к электростатическим. Поэтому при использовании уравнения (21.3) энергия и ориентация водородной связи не учитываются.

Две первые составляющие (А и В) всегда вместе присутствуют в уравнении (21.3), и вторая из них обеспечивает наличие минимума функции потенциальной энергии. Пусть ецут — энергия межатомного вандерваальсова взаимодействия [т. е. уравнение (21.3) без третьего слагаемого — электростатического вклада]. Способ определения значений Ац и Вц для различных пар атомов более удобен, если эти параметры представлены в виде функции ец° (минимальное значение eijvw) и гц° (расстояние, при котором имеет место этот минимум). Существование минимума обусловлено тем, что а>Ь, и соответствует равновесному расположению пары атомов i и /, т. е. случаю, когда значительные силы отталкивания и слабые силы притяжения уравновешивают друг д

страница 86
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Практическая химия белка" (19.5Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
оборудование для такси шашки
лампы g4 12v
описание шкафов для школы
бирка ответственного за противопожарное состояние кабинета

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(23.03.2017)