химический каталог




Практическая химия белка

Автор А.Дарбре

х остатков). Более того, изучение перехода спираль — клубок в синтетических полипептидах показало, что представление аминокислотных остатков в виде только спиралеобразующих либо спиралеразрушающих звеньев является слишком грубым. В связи с этим для всех 20 аминокислотных остатков была предложена шкала спиральной предпочтительности [48]. В поисках удовлетворительной предсказательной процедуры, которая бы использовала минимум допущений и основывалась на наиболее объективных свойствах исходной базы данных, были

21.5. ПРЕДСКАЗАНИЕ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ 587

привлечены также методы теории информации. Целью этой попытки было желание устранить неоправданное влияние физических факторов и обрабатывать сведения о последовательности и конформации белков как два текста, связанных неизвестным кодом. Для повышения объективности заключений представления теории информации дополнили оцениванием по Байесу. Такой подход подразумевает выявление в конечных данных субъективной составляющей и уменьшение или устранение ее влияния. Формальное обоснование такого подхода, л также его различные приложения рассмотрены в работе [58].

Относительная простота реализации методов предсказания вторичной структуры обусловили появление в разных лабораториях многих алгоритмов. Безусловного предпочтения, однако, заслуживают методы, использующие информационные представления. Эти представления направлены не на разработку конкретных предсказательных алгоритмов, а на выработку необходимого общего формализма при поиске оптимальных алгоритмов. Например, было показано [64], что распространенный метод Чоу и Фасмана [6, 7] вг.олпе соответствует теории информации [631. если пренебречь вкладом, вносимым межостаточным взаимодействием. Более того, на примере указанного метода можно продемонстрировать особенности информационных подходов в данной области. Используется следующее основное соотношение:

KS; R) = #[f(Xt /?)] — R)] — *[е(Х9 R)] + R)]

(21.17)

Смысл функции # [ ] объяснен ниже в соотношении (21.18). Выражс-1 ие (21.17) определяет количество информации в остатке типа R (например, .•¦лапине), находящимся в конформационной состоянии S (например, «-спираль). При этом f(X, R) — наблюдаемая частота встречаемости (число со бытии) остатка R в состоянии S = X в базе данных, a f{XJR)— частота, с которое остаток R принимает остальные конформации S=X. Частоты e(Xt R) и е(Х, R) соответствуют «ожидаемым частотам», определяемым по критерию «/-квадрат», например е(Х, Р) =f (X) -f(P) If общ. Функция # [ ] выражает «содержание информации» в этих частотах:

#[0]=0

(21.18)

Значение функции для нецелых аргументов могут быть получены с помощью интерполяции.

В работе [58] в качестве значений i при /> 1 использованы наблюдаемые частоты, уменьшенные на единицу, но такая возможность, хотя* она используется весьма широко, связана со спорной теоретической * предпосылкой. В соответствии с вышеприведенной формулой неизменное значение частоты может непосредственно служить аргументом функции. Это не приводит к существенному изменению результата. Суммирование или вычитание небольших чисел отражает доверие к результату в зависимости от способа сбора данных, но эффект такого учета должен быть небольшим.

Любое конкретное применение метода информации зависит от того, каким из вкладов пренебрегают в выражении /(5/; Rh Rn). Здесь у —индекс остатка, состояние которого предсказывают, a Ri, Rn — полная последовательность белка, для которой ведется предсказание вторичной струк-

588

21. ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

туры путем рассмотрения всех индексов /. В простейшем варианте метода, позволяющем получать результаты не хуже, чем в случае других алгоритмов [12], используется приближение следующего типа:

т= +8

I(Sj; /?„ .... Rn)= 2 US Г, Rj+m) (21-19)

m= —8

Здесь у — индекс остатка, для которого ведется предсказание конформации, Sj — тип конформации, a Ri+m — тип остатка, отстоящего на т позиций вдоль аминокислотной последовательности белка. Положительные т соответствуют аминокислотным остаткам в направлении С-конца, а отрицательные—в направлении N-конца полипептидной цепи, считая от остатка с индексом у.

Влияние остатков за пределами т±8 на вторичную структуру белка принято несущественным, хотя эти границы в известной степени условны. Значение т = 0 отвечает вкладу остатка, занимающего центральное положение в сегменте. Аналогичное предсказание выполняют для каждого остатка в последовательности от у = 1 до j=n, после чего при необходимости расчеты повторяют для любого конформационного состояния S. В результате каждому из остатков приписывают то из конформационных состояний S, для которого уровень информации имеет наивысшее значение. На практике из результатов, полученных для каждого из состояний, вычитают некоторую условную константу, зависящую от типа конформации S. Эту константу можно рассматривать как дополнительную информацию, полученную из данных по круговому дихроизму. Необязательно знать точное содержание вторичной структуры, а достаточно отнести белок к одному из типов, например спиральному, ^-складчатому и т. д. Физический смысл такого приема очевиден, поскольку белок, содержащий много р-участков, будет иметь тенденцию к дальнейшей стабилизации путем кооперативного образования водородных связей в складчатой структуре. Не менее важно также, что длинные а-спирали более стабильны, чем короткие.

Работу [12] можно рассматривать как типичную для подобных исследований; были приняты во внимание четыре конформационных состояния: правая а-сиираль, вытянутая цепь (потенциальный элемент складчатой структуры), р-изгибы и нерегулярная структура. При отнесении к четырем конфор-мационным типам ~60% остатков были правильно предсказаны как принадлежащие (или не принадлежащие) данному типу. Такое качество предсказания наблюдалось для многих белков, но для нескольких объектов имелись серьезные отклонения.

Примененный алгоритм реализован в виде программы на языке высокого уровня, но короткие последовательности можно было легко просчитать вручную. Было показано, что полученные таким образом результаты предсказания возможно использовать для формирования стартовой конформации белков при моделировании процессов самоорганизации с помощью энергетической минимизации.

21.6. Исходные предпосылки расчетов

До настоящего момента обсуждалась сущность методов, но ничего не говорилось о практическом применении этих методов. Следует заметить, что любое из применений (например, поиск конформации с минимальной энергией, учет влияния растворителя, расчет колебательной энтропии) может быть успешным, если был удачно выполнен расчет потенциальной поверхности.

21.6. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТОВ

589

Естественно, что для получения хорошей потенциальной поверхности важно иметь удачные потенциальные функции. Можно, конечно, каждую точку конформационного пространства просчитать с помощью квантовохимических методов. Однако для качественных расчетов ab initio потребуется примерно около часа машинного времени па одну только конформацию для системы из 20 атомов. Кроме того, чтобы добиться достоверного значения свободной энергии, метод вычисления потенциальной поверхности, например метод Моите-Карло, может требовать расчета 6—7 миллионов конформации для системы из нескольких тысяч атомов. Ясно поэтому, что квантовомеханичес-кий метод расчета непригоден для подобной цели. Основные надежды здесь, естественно, связаны с получением хороших потенциальных функций.

Вопрос о том, насколько удачны применяемые потенциальные функции, представляет собой в известной степени дилемму. С одной стороны полагают, что набор потенциальных функций тем лучше, чем больше с его помощью можно предсказать экспериментальных величин с допустимой точностью. Однако, с другой стороны, использование потенциальных функций предполагает применение методов, связанных с наличием ряда серьезных приближений. В случае если совпадение с экспериментом плохое, трудно понять, ответственны ли за это потенциальные функции или применяемый метод.

Названная дилемма изучалась в лабораториях Хаглера и Робсона, и для ее решения были предложены некоторые приемы. Рассмотрим в общих чертах основные выводы, полученные при этом [15, 17, 21, 24, 62, 66]. Конечно, другие исследователи сделали также существенный вклад в данной области (см. данные табл. 21.2 и обзор [44]). Можно, однако, сказать, что вопрос об улучшении качества потенциальных функций и их адекватности применяемым методам не обсуждался в работах, упомянутых в табл. 21.2.

Хотя одновременное изучение потенциальных функций и методов их применения представляется весьма важным, необходимо помнить, что раздельное изучение каждого из аспектов весьма затруднительно. Тем не менее Хаглер и Лифсон [15] и Хаглер с сотр. [17] сделали важный первый шаг при параметризации потенциальных функций, исходя из свойств кристаллов пептидоподобных молекул (например, структурных данных и теплот сублимации). Путем автоматического варьирования параметров и оптимизации методом наименьших квадратов данных расчета и эксперимента удалось добиться удовлетворительного качества функций и предсказания физических свойств молекул. Поскольку колебательные движения частиц рассматриваемой системы незначительны, положение каждого-

590

21. ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

Таблица 21.2. Некоторые результаты практических расчетов структур пептидов и белков (без данных о моделировании укладки белков)

Изучаемая система Литература

Исследование пептидной группы и ее цис-транс- 18, 57, 77 переходы

Исследование конформационных возможностей 24, 34, 35, 45, 66, 67,

аминокислотных остатков в полипептидах 78

Исследование р-изгибов 25, 26, 37, 45

Меланотропин H-Pro-i -Lcn-Gly-NH2 56

Тиреотропии Pyroglu-His-Pro-NH2 б

Энкефалипы T\r-Gly-Gly-Phe-AUn и 1, 13, 27, 43, 69

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

Дскапептид лютсинизирующего гормона люлибе- 41, 42 рина

Циклические пептиды 10, 69

Коллаген 39, 46

Уточнение структуры глобулярных белков 32, 72, 74

Внутренняя динамика белков 36

Предсказание структуры по данным для гомоло- 65, 72, 75 гичных белков

Укладка полипептидной цепи, исходя из вторич- 8, 55, 71 ной структуры белка

атома в молекуле можно определить вполне точно. Это не совсем верно для молекул в растворе, когда отсутствуют экспериментальные сведения о положении и ориентации молекул воды. Тем не менее и в этом случае использование потенциальных* функций для предсказания свойств системы приводит к реалистическим результатам, что служит свидетельством обоснованности принятых приближений. Разумеется, потенциальные функции необходимо постоянно выверять на все новых примерах, поскольку их вывод основан на рассмотрении межмолекулярных взаимодействий в кристаллах, тогда как применение, как правило, касается внутримолекулярных взаимодействий в окружении, близком к природе биосистем.

Метод расчета физических свойств с применением потенциальных функций следует признать вполне удовлетворительным даже и в наиболее распространенном простом приближении. В этом приближении (разд. 21.2) используют жесткую геометрию и не принимают во внимание величину кинетической энергии. Влиянием растворителя также пренебрегают (учитывают только диэлектрическую проницаемость). Расчет физических свойств выполняют в соответствии с принципами статистической механики. Однако, если подбор диэлектрической проницаемости или типа потенциальных функций, базирующихся на структурных данных, не может обеспечить резуль-

21.6. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТОВ

татов, отвечающих конформационным возможностям системы, простейший подход в таком случае считают неприменимым. В подобной ситуации при необходимости переходят на другой уровень физического приближения.

21.6.1. Проверка потенциальных функций, полученных на основе кристаллографических данных, с помощью простых приближенных методов

В работе [62] с помощью потенциальных функций, полученных Хаглером, был удовлетворительно предсказан ряд физических свойств, зависящих от конформации молекул. Среди таких свойств можно отметить константы спин-спинового взаимодействия фрагмента NH-CH, рассчитанные по спектрам ЯМР N'-метиламидов N-ацетиламинокислот, а также дипольные моменты ряда олигопептидов. В особенности интересно применение данных ЯМР, так как спектры ЯМР полиостью зависят от конформации объекта и теория и методы расчета для такого случая развиты достаточно хорошо. Действительно, согласие теоретических и экспериментальных данных для многих N-метил- и Г\[,1\Г-диметиламидов выглядит достаточно убедительно. Например, расчетное значение константы спин-спинового взаимодействия для классической модельной молекулы Г\Г-метиламида N-ацетилаланина составляет 7,8 Гц, что попадает в середину экспериментального интервала 7,8±0,5 Гц.

Тем не менее численные эксперименты па ЭВМ недавно показали, что расчеты спин-спиновых констант нельзя считать наиболее удачными примерами для подтверждения применяемой теории. В самом деле, потенциальные функции в известной степени зависимы от предсказываемых свойств, и неудивительно, что многие из этих функций приводят к удовлетворительному согласию с экспериментальными константами. Следовательно, даже в случае хорошего соответствия этот факт не следует переоценивать. В то же время оказалось возможным отказаться от некоторых ранних наборов потенциальных функций, предложенных Хаглером с сотр. [17]. Известно, что функции типов 9-6-1 и 12-6-1, для которых проводилась независимая параметризация, находились в хорошем согласии с кристаллографическими данными. Тем самым 'структурные данные не позволяли отдать предпочтение какому-либо из па-боров, хотя между ними и существует заметное различие во вкладе составляющей отталкивания. Однако расчет величин вицинальпых констант ЯМР и некоторых других свойств однозначно свидетельствует в пользу более плавных («мягких») функций типа 9-6-1. Этот выбор был позднее подтвержден при изучении кристаллов карбоновых кислот [19] и при кван-

592

21. ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

товомеханической оценке вклада составляющей стерического перекрывания [24]. Следует иметь в виду, что этот вклад в действительности зависит от типа атома, но в целом функции типа 9-6-1 более приложимы к биологическим молекулам, чем популярные функции типа 12-6-1.

В известной степени представляют практический интерес и случаи, в которых наблюдается расхождение теории и эксперимента. При этом, конечно, следует быть уверенным, что действительно имеет место неприменимость данного расчетного метода. Многие так называемые «экспериментальные свойства» оказываются на деле суммой параметров, выведенных из неточных данных с помощью каких-либо теоретических приемов. Если учесть неопределенность, вносимую подобным образом, то вообще окажется трудным найти случай, когда расчет и эксперимент дают противоречивую картину. Наиболее четко несоответствие наблюдаемых и расчетных величин проявляется при изучении характеристичеоских свойств клубкообразных полипептидов. К таким свойствам относятся характеристическое расстояние между концами полимерной цеп

страница 91
< 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
заказ автобуса в москве
стеклянные полки в икеа
письменный стол кварт купить
концерт арфы в спб апрель 2017

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
(28.03.2017)