химический каталог




Практическая химия белка

Автор А.Дарбре

и, определяющее радиус инерции, а также гидродинамические и светорассеива-ющие характеристики (в случае длинных полимеров их обычно преобразуют к виду, не зависящему от размера цепи). Расчетное значение характеристического расстояния для полимера без разветвления при Ср-атоме составляет 19, тогда как эксперимент даже по самым осторожным оценкам дает интервал от 5 до 12 [3, 4, 23, 40].

Трудности, однако, не ограничиваются интерпретацией экспериментальных данных о физических свойствах клубкообразных биополимеров [23]. Действительно, точность расчета характеристических свойств с помощью потенциальных функций зависит от целого ряда приближений. В связи с этим нами с привлечением точных методов расчета, включая метод Монте-Карло, был изучен эффект ионного экранирования на примере полиглутаминовой кислоты. Эти исследования привели к ряду интересных результатов, но с их помощью не удалось устранить отмеченные противоречия, что свидетельствует об ограниченных возможностях потенциальных функций при описании внутримолекулярных взаимодействий.

Были выполнены также численные эксперименты по выявлению тех свойств потенциальных поверхностей и потенциальных функций, которые могут все виды физических величин привести в соответствии с их экспериментальными значениями. В предварительном исследовании Хаглера и Робсона [66] было найдено, что понижение высоты барьеров на потенциальной поверхности облегчает достижение указанной цели. Уменьшение размеров некоторых атомов оказывает тот же эффект, что

21.6. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТОВ

593

и уменьшение высоты потенциальных барьеров. Однако уменьшение размеров или «жесткости» атомов оказывается применимым не всегда. Например, в лаборатории Хаглера было показано, что подобный методический прием противоречит структурным данным, исходя из которых были параметризованы потенциальные функции (пересчет кристаллографических размеров выполнялся с применением не только измененных параметров, но и новых «мягких» экспоненциальных функций). Кроме того, было показано [24, 66], что профиль потенциальной поверхности, полученный с помощью потенциальных функций типа 9-6-1, находится в отличном согласии с данными расчета квантовомеханическим методом ab initio с расширенным базисом. В минимумах потенциальной поверхности абсолютные значения функций отличались в этих расчетах на не более 25 ккал/моль, и не было обнаружено никаких оснований для «сжатия» или «смягчения» атомов.

Таким образом, возникла новая дилемма: каким образом, используя одни и те же потенциальные функции, добиться, чтобы все расчетные физические величины попадали в допустимый интервал экспериментальных значений?

21.6.2. Проверка потенциальных функций, полученных из структурных данных, с помощью более точных методов

Проще всего при ответе на сформулированный выше вопрос считать, что расчет физических свойств с использованием данных потенциальных функций неправомочен. Однако правильнее все же проанализировать, не связано ли завышение барьеров с каким-нибудь неоправданным упрощением даже при правильных потенциальных функциях? И действительно, такое упрощение имеет место: это использование жесткой геометрии. Хорошо известно, что длины связей и валентные углы в молекулах не постоянны, причем изменения валентных углов могут быть очень важны для предотвращения столкновения атомов. Например, в четырехатомной системе с конфигурацией связей A-B-C-D для ослабления взаимодействия A...D важно несколько увеличить углы А-В-С и B-C-D.

Подходящим методом, допускающим ослабление взаимодействия частиц рассмотренным образом, является приближение валентного силового поля, т. е. такой набор потенциальных функций, при использовании которого энергия зависит и от длин связей и от валентных углов при соответствующем типе химических связей. Одно из первых валентных силовых полей рассчитано Хаглером и Штерном (неопубликованная работа) с привлечением данных по колебательным частотам и гео-

38 -7СЗ

594

21. ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

метрии N-метилацетамида. Решение обратной задачи показало, что валентные углы обладают достаточной подвижностью для требуемого понижения энергетических барьеров. Введение валентного силового поля позволило сообщить значительную подвижность пептидным молекулам [67]. Например, характеристические расстояния в полипептидах могут быть понижены с 19 до 5, что соответствует нижнему значению экспериментального интервала. Тем самым было показано, что концепция гибкой геометрии играет весьма важную роль при уточнении расчетов и должна обязательно приниматься во внимание. При дальнейшем изучении и улучшении свойств валентного силового поля квантовомеханическим методом с расширенным базисом были определены оптимальные значения всех необходимых параметров [24]. Полученное при этом валентное силовое поле соответствовало несколько меньшей подвижности пептидной группы по сравнению с эмпирическим силовым полем. Поэтому валентные углы могли меняться только в пределах ±5°, что тем не менее было достаточно для сохранения основных преимуществ нового приближения.

При введении концепции гибкой геометрии не требуется особых усилий для расчета свободной энергии как функции расширенного набора внутренних степеней свободы. Для оценки дополнительного вклада, обусловленного гибкой геометрией, выполнены расчеты молекул гексапептидов [20], содержащих остатки алаиииа, метионина и глицина (для этих соединений имеются экспериментальные данные). Оказалось, что энтропийный вклад в свободную энергию сопоставим по величине с потенциальной энергией и этим вкладом нельзя пренебрегать при точных вычислениях.

Если колебательные степени свободы биологических молекул обеспечивают такой значительный вклад в коиформациоп-ную свободную энергию, то не менее важную роль играет также оценка влияния, вносимого растворителем. В самом деле, хорошо известно, что стабильность глобулярных белков во многом обусловливается гидрофобными взаимодействиями, энтропийный вклад которых зависит от природы растворителя. Кроме того, большую роль играет также вклад, вносимый энергией сольватации, образованием водородных связей с участием молекул растворителя и влиянием полярных групп растворителя на электростатические взаимодействия внутри молекулы белка.

С помощью метода Монте-Карло было рассчитано положение молекул воды в гидратированных кристаллах лизоцима и ряда циклических пептидов [16]. Конформация молекул белкл и пептидов в этих расчетах принималась такой же, как и в кристаллах. Было показано, что наблюдается удовлетворитель-

21.6. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТОВ

595

ное согласие в расположении молекул воды, полученном расчетным и экспериментальным путем. Поэтому заслуживают доверия полученные тем же методом результаты по изучению растворов других пептидов [22], для которых не было соответствующих экспериментальных данных. Во всяком случае, наиболее существенные выводы последней работы не должны зависеть от вида потенциальных функций или характера приближения, используемого в методе Монте-Карло. Например, оказалось, что влияние растворителя на конформационную энергию малых пептидов коррелирует с потенциальной энергией изолированной молекулы. Таким образом, исследования, выполненные на более высоком уровне приближения, дали несколько неожиданный результат, согласно которому более ранние «количественные» расчеты не представляют теперь большой ценности. Очевидно также, что вклад потенциальной энергии, рассчитанной обычным образом, сравним по величине с другими; вкладами в свободную энергию системы. Конечно, важное значение имеют и конкретные характеристики изучаемой системы. Например, в случае пеполярпого растворителя пренебрежение его влиянием не ведет к искажению результатов. Следует заметить также, что всегда возможны и более точные расчеты, требующие в настоящее время непомерно много машинного времени, но быстрое развитие вычислительной техники все больше будет способствовать выполнению подобных исследований. И наконец, совершенствование теоретических представлений должно содействовать выработке более подходящих расчетных приближений. Так, предположение о решающей роли «реакционного поля» при взаимодействии растворителя и растворенного вещества представляется весьма перспективным, тем более что при этом возможно аналитическое представление соответствующих зависимостей. Кроме того, такие взаимодействия можно ограничить масштабами первой сольватной оболочки, как это было показано при моделировании процесса самоорганизации белков [33, 62].

21.6.3. Попытки предсказания третичной структуры глобулярных белков

Идея предсказания третичной структуры глобулярных белков, исходя из аминокислотной последовательности, давно привлекала внимание исследователей. Ранние попытки в этой области носили в основном случайный характер, и только в последнее время появились работы, в которых разрабатываются подходы к решению упомянутой проблемы. Некоторые ученые, однако, продолжают придерживаться мнения, что подготовительный этап здесь еще не завершен и для выполнения серь-

38*

596

21. ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

езных, глубоких исследований время еще не наступило.

В настоящий момент уже ясно, что главные трудности связаны не с размером белковой молекулы, а с наличием па энергетической потенциальной поверхности такой молекулы минимумов. Поэтому первые работы были направлены на сглаживание потенциальных поверхностей, чтобы отчетливо выделялась траектория, ведущая к глобальному минимуму. При таком сглаживании, естественно, необходимо пожертвовать рядом деталей структурного представления белка. Основополагающей в методическом отношении здесь является работа Левитта и Варшела [33], но в качестве пионерской следует признать работу Птицина и Рашина [54] по предсказанию структуры мио-глобипа, исходя из существования отдельных а-спиралей. Моделирование самосборки белка осуществляли без применения ЭВМ, и поэтому спирали представляли в виде цилиндров. На поверхности этих цилиндров выделяли гидрофобные участки, которым разрешалось взаимодействовать друг с другом с образованием оптимальных структур. В результате оказалось, что одна из возможных упаковок спиралей соответствует наблюдаемой пативной структуре.

Более общий подход Левитта и Варшела допускает упрощенное представление не только спиральной, но и других кон-формаций. Предложенный алгоритм был запрограммирован для ЭВМ, что, однако, не делает метод свободным от ряда серьезных недостатков. Так, в основной цепи белка отсутствовала пептидная группа атомов CO-NH, Са-углеродные атомы соединялись виртуальной связью, а боковые цепи заменялись «укрупненными атомами» (большими искусственными атомами, заменяющими целые атомные группировки). Эта модель была впервые применена к небольшому белку — панкреатическому трипсиновому ингибитору [33]. В работе [33] был достигнут определенный успех, который с позиций сегодняшнего дня имеет в основном историческое значение. Следует отметить, что это исследование получило высокую оценку и вызвало оживленную дискуссию [14, 44]. Благодаря широкому обсуждению были выработаны общие подходы, применяемые при предсказании структуры белка, согласно которым любая соответствующая процедура должна: 1) быть полностью автоматической; 2) иметь входные параметры, применимые к любым белкам; 3) быть количественно воспроизводимой и 4) быть свободной от неоправданных приспособлений к конкретным объектам. Кроме того, единственной переменной входной информацией о белке должна служить его аминокислотная последовательность. Впоследствии именно Левитт внес большой вклад в развитие методов предсказания третичной структуры белков.

21.6. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТОВ

597

Изложенный выше метод резко отличается от предложенного ранее [30], согласно которому укладка белковой цепи в пространстве выполняется с помощью компьютерного видеотерминала. В частности, интерактивная графика применяется как мощный инструмент белковой инженерии в лаборатории Бландела, который, однако, считает, что подобные технические новшества следует использовать достаточно осторожно. Действительно, многие решения, принимаемые человеком, несколько медленнее может выполнить и неинтерактивная программа, что делает получаемый результат достаточно объективным и воспроизводимым. Поэтому при экономии машинного времени за счет интеллектуальных возможностей важно быть уверенным, что есть и объективный (автоматический) путь решения.

Каким образом можно судить о качестве предсказания третичной структуры белка? В случае вторичной структуры белка для наглядной оценки результата (хотя и не всегда безупречной) служит число аминокислотных остатков с правильно предсказанным типом конформации. В случае третичной структуры сравнивают положения остатков в расчетной и экспериментальной структурах. Например, Левитт и Варшел использовали среднеквадратичное отклонение межостаточных расстояний в расчетной структуре и межостаточных расстояний в экспериментальной структуре. В кристаллографии белков эта величина не тождественна среднеквадратичному отклонению между расчетными и наблюдаемыми положениями атомов при сравнении похожих структур. Такое сравнение предполагает суперпозицию структур с использованием операций переноса и вращения какой-либо из структур по отношению к другой с целью минимизации среднеквадратичного отклонения. Главная трудность при сравнении состоит в том, что позиция ни одного из аминокислотных остатков не может считаться безусловно правильной или ошибочной. Кроме того, при усреднении отклонения («оценки») по всей молекуле белка маскируется разница между хорошо и неудачно предсказанными участками молекулы. В связи с этим среднеквадратичную оценку полезно дополнять таблицей остаток-остаточных расстояний [47, 49] и стереоизображениями молекул.

Одна из модельных укладок молекулы панкреатического ингибитора, полученная Левиттом и Варшелом, имела среднеквадратичную оценку в 6 А, что по сравнению с нативной структурой считалось обнадеживающим результатом. Оказалось, однако, что величина среднеквадратичной оценки в 6 А необязательно соответствует структуре, близкой к нативной [14]. Для того чтобы теоретическая укладка с оценкой в 6 А была близка к нативной, необходимо соблюдение ряда допол-

598

21. ПРЕДСКАЗАНИЕ КОНФОРМАЦИИ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

нительных критериев, чего не было выполнено в работе по сворачиванию панкреатического ингибитора. В последние годы в ряде работ высказано мнение, что среднеквадратичное отклонение само по себе мало о чем говорит, а величине в 6 А может соответствовать любая компактная случайная структура. Если же при моделировании процесса самоорганизации белка среднеквадратичная оценка с каждой итерацией все больше стремится к нулю, то можно сделать вывод, что укладка белка осуществляется успешно. Согласно данным, полученным в лаборатории автора при сравнении структур гомологичных белков, оценка сходства, равная <3 А, является признаком значимого сходства. В то же время оценка в 4 А может уже соответствовать существенно различным структурам. Учитывая этот факт, а также то обстоятельство, что пет какой-ли б

страница 92
< 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
ремонт холодильников в можайске
как убрать вмятину на крышке багажника
спортивная одежда чемпион в москве
курсы автоматика

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
(24.08.2017)