Файл: Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул.pdf

шены, хотя надежды на полное их решение еще не окончательно потеряны.

В этой главе рассмотрены пути подхода к решению задачи пред­ сказания пространственной структуры белка. Поскольку наи­ большие успехи были достигнуты в изучении конформаций низко­ молекулярных пептидов и их моделей, т. е. по существу в изуче­ нии ближайших взаимодействий в белках, мы детально остановим­ ся именно на этих исследованиях. В то же время определенное внимание будет уделено интерпретации конформаций реальных белков в свете теории ближайших взаимодействий и возможности обобщения полученных результатов на структуру белка в целом.

Расчетами конформаций пептидов занимались четыре группы исследователей — группы Рамачандрана, Ликвори, Флори и Шерага. В дальнейшем к этому направлению подключился еще ряд теоретиков, в том числе Е. М. Попов с сотр. и В. Г. Туманян в Москве, С. Г. Галактионов с сотр. в Минске. Достижения каждого из исследователей можно кратко охарактеризовать следующим об­ разом. Рамачандран и сотр. первыми начали конформационные расчеты пептидов [1] и нашли разрешенные и запрещенные обла­ сти на конформационных картах [2]; Ликвори [3] первым приме­ нил атом-атом потенциалы для построения конформационных карт. Брант и Флори [4] показали важность учета электростатических взаимодействий для предсказания относительной стабильности различных конформаций и разработали метод расчета гибкости модельных пептидов и сополимерой; наконец, Шерага интенсивно исследовал конформации дипептидов методом жестких сфер [5—9] и с потенциальными функциями [10—12], а также пытался раз­ работать пути поиска оптимальной структуры циклических пеп­ тидов и нерегулярных пептидных фрагментов [13; 14, v. 1, р. 43; 15].

Детальные описания указанных работ имеются в обзоре Ра­ мачандрана и Сасисекхарана [16], посвященном рассмотрению конформаций пептидов и белков. Один из обзоров Шерага [17] охватывает расчеты конформаций олиго- и полипептидов, другой его обзор [18] посвящен анализу термодинамических свойств пеп­ тидов и белков в растворах и исследованию роли ближайших вза­ имодействий в определении нативной конформации белка. В об­ зоре автора [19, с. 93] рассмотрены более поздние достижения в расчетах конформаций пептидов и, в частности, работы,проведен­ ные у нас в стране.

Полипептидная цепь, как известно, представляет собой после­ довательность аминокислотных остатков. Соединенные друг с дру­

данном способе написания полипептид слева имеет аминный, или N-конец, справа — карбоксильный, или С-конец. Природные бел­ ки являются неразветвленными нерегулярными полипептидами. Разветвления в природных полипептидах невозможны, поскольку

360

при синтезе белка на рибосоме пептидил-тРНК пристраивает каж­ дый последующий остаток строго за предыдущим.

Еще в начале пятидесятых годов Кори и Полинг [20], деталь­ но проанализировав многочисленные рентгеноструктурные дан­ ные для полипептидов и аминокислот, нашли средние геометри­ ческие параметры мономерной единицы:

Эти параметры были подтверждены и более поздними струк­ турными исследованиями [21, 22]. Разумеется, указанные данные нельзя принимать за абсолютные — в реальных молекулах длины связей и валентные углы могут меняться, однако изменения эти невелики.

Главными конформационными параметрами являются углы вращения вокруг связей полипептидной цепи. Согласно номенкла­ туре конформаций полипептидов, принятой в 1966 г. [23], углы вращения вокруг связей N—Са, Са—С' и С'—N обозначаются со­ ответственно ф , ф и со и отсчитываются от полностью растянутой т/ш«с-конформации связей основной цепи. Однако недавно ко­ миссия IUPAC по биохимической номенклатуре предложила иной способ обозначения конформаций [24]: за нуль отсчета принимают­ ся уже 1|ЫС-конформации, т. е. для случая, показанного ниже,

ф = ф = и = 180°.

- с “

361

Увеличение углов вращения соответствует движению по часо­ вой стрелке, если смотреть от N-конца к С-концу пептидной цепи вдоль соответствующей связи. Именно такой способ отсчета углов вращения был принят нами и при обсуждении конформаций стереорегулярных макромолекул (см. гл. 7). Разумеется, введение новой номенклатуры не обязывает нас перестраивать полученные прежде конформационные карты: достаточно лишь нуль отсчета (ф, ф) перенести из левого нижнего угла в центр карты. Тогда, если старые обозначения углов считать со штрихами, а новые нет,

то ф = 180° — ф', ф = 180° — ф' и со = 180° — со'.

Поскольку связь С'—N имеет свойства, промежуточные меж­ ду свойствами одинарной и двойной связей, вращение вокруг нее (со-деформации) стоит большой затраты энергии. Следовательно, конформации, например, дипептидного фрагмента, изображенно­ го выше, можно с удовлетворительной точностью описать двумя существенными параметрами — ф и ф — углами вращения вок­

руг связей N — С“ и С“ — С'. Отметим еще, что транс-конформа­

Несколько слов о номенклатуре конформаций, принятой для боковых групп R. Атомы углерода, идущие вдоль боковой цепи

вслед за Са, обозначаются греческими буквами р, у..........связи

—NH—С“Н—СО—

СРН2—CYHa+C eO—NH2

углы /л / 2 и х3 соответствуют вращениям вокруг связей 1, 2, 3. Физико-химические свойства аминокислот описаны в различ­

ных монографиях, например [25, с. 56; 26, с. 101; 27, с. 45]; в кни­ ге [25] приведены стюарт-бриглебовские модели аминокислотных

остатков.

Зная структуру мономерной единицы, можно, основываясь на рассмотренном в разделе 5 гл. 2 матричном методе, выразить ко­ ординаты всех атомов через геометрические параметры — длины связей, валентные углы и углы вращения. Для пептидных цепей это впервые было сделано Рамакришнаном [28]. Преобразование координат атомов стало уже стандартной процедурой машинных расчетов; некоторые полезные детали этого преобразования при­ менительно к пептидным системам приведены в работах [4, 5, 12, 29, 30].

362

Потенциальную энергию полипептида можно представить в ви­ де суммы нескольких слагаемых, а именно

согласия расчета и опыта); и эл— энергия электростатических вза­ имодействий; UBC— энергия водородной связи; Uc и (Уугл — соот­ ветственно энергии деформации связей и валентных углов и, на­ конец, £Угидр0ф— энергия, учитывающая гидрофобные взаимодей­ ствия — взаимодействия молекул растворенного вещества с моле­

кулами растворителя.

Как видим, составляющих довольно много, и прежде чем пере­ ходить к обсуждению каждой из них, отметим, какие свойства пеп­ тидов в большей или меньшей степени зависят от той или иной сос­

тавляющей.

Энергия взаимодействия валентно не связанных атомов дает очень важные сведения о возможных конформациях полипептидной цепи, а именно о «разрешенных» и «запрещенных» областях в про­ странстве геометрических параметров. Более того, точное поло­ жение минимумов также обычно дается этой составляющей, и по­ тому ее можно назвать составляющей номер один. Что же касается относительной стабильности различных конформаций, то, исполь­ зуя только потенциалы невалентных взаимодействий, мы рискуем допустить серьезные погрешности.

Электростатические взаимодействия, как правило, не способны изменить положения минимумов, поскольку они являются функ­ циями, медленно меняющимися при изменении расстояний между атомами, однако они могут резко увеличить или уменьшить энер­ гию, соответствующую тому или иному локальному минимуму. В определении относительной стабильности различных конформа­ ций невалентные и электростатические взаимодействия играют приблизительно одинаковую роль.

Водородные связи — взаимодействия более сильные, чем при­ тяжения и отталкивания несвязанных атомов. Их энергия в боль­ шой степени зависит от природы растворителя, поскольку водо­ родные связи могут возникать между молекулами растворенного вещества и растворителя.

Торсионная энергия невелика, но влияет (хотя и слабо) как на положение минимумов, так и на относительную стабильность конформеров.

Угловые деформации в полипептидах не играют такой важной роли, как в более перегруженных макромолекулах (например, в поливинилиденхлориде). Все же надо иметь в виду, что, пренебре­ гая угловыми деформациями, мы можем неправильно оценить энергию невалентных взаимодействий, соответствующую локаль­ ному минимуму потенциальной поверхности, и уже наверное полу­

363