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

ботали с разными параметрами потенциальных функций, можно говорить о большей или меньшей объективности тех или иных ре­ зультатов.

Несколько слов следует сказать и о квантово-механических расчетах конформаций модельных соединений дипептидов. Конформационные карты, полученные расширенным методом Хюккеля 162], методом ППДП/2 [63] и методом PCILO [64—68], в основном подтверждают результаты эмпирических расчетов, хотя в неко­ торых случаях имеются большие или меньшие различия. На рис. 8.10 приведена конформационная карта метиламида N-аце- тил-Е-аланина, полученная Мегре, Пюлльманом и Дрейфусом ме­ тодом PCILO [64]. Наиболее глубокие минимумы этой карты со-

Рис. 8.10. Конформационная карта метиламида N-ацетил- L-аланина, рассчитанная методом PCILO (эквипотенциали проведены с интервалом 1 ккал/моль) [69].

Метильная группа при атоме С' находится в скрещенной форме по от­

ношению к связям при атоме С .

ответствуют свернутым формам, близким к М и Н, впервые обна­ руженным теоретически Е. М. Поповым и д'р. [47]. Действительно, такие конформации являются оптимальными, если проводить рас­ четы с эмпирическими потенциалами водородных связей. Полуэмпирический метод PCILO, очевидно, автоматически учитывает воз­ можность образования водородной связи. Менее глубокий мини­ мум (2 ккал/моль) соответствует полностью растянутой форме.

378

Хотя в целом эта карта согласуется с результатами эмпирических расчетов, отсутствие минимума в области R представляется не вполне удовлетворительным. Кроме того, эта карта несколько «жестче», чем карта, показанная на рис. 8.5, и потому большое чис­ ло точек, отвечающих конформациям дипептидных фрагментов в белках (см. раздел 4) оказывается в не вполне благоприятной об­ ласти. В связи с этим проблема параметризации полуэмпирических методов и, в частности, метода PCILO требует дальнейшего изучения.

3. КОНФОРМАЦИИ ОЛИГО- И ПОЛИПЕПТИДОВ

Регулярные полипептиды

С теоретической точки зрения кристаллические регулярные поли­ пептиды представляют собой весьма простые системы. Действи­ тельно, углы ср и ф должны повторяться при переходе от одной пептидной единицы к последующей, и в этом случае мы имеем де­ ло с задачами, обсуждавшимися в разделе 1 гл. 7. В то же время изучение полипептидов полезно в том отношении, что позволяет объяснить геометрию отдельных участков глобулярных белков — участков, состоящих из спиралей или растянутых (3-структур.

Спирали полипептидов детально изучены экспериментально и на моделях, и теперь уже полностью ясны стереохимические усло­ вия образования водородных связей в них [16, 691. Не останавли­ ваясь на обсуждении этих условий, отметим три достоверно уста­ новленных факта. (1). Водородные связиС =0---Н —N могут воз­ никать только в том случае, если группа СО находится ближе к N-концу пептида, чем группа NH (образование связей в противо­ положном направлении невозможно). (2). Если пронумеровать остатки, то водородные связи могут возникать между остатками типа 1 и 3, 1 и 4 и 1 и 5 (спираль с водородными связями 1 и 6 пред­ сказывалась [16J, но не была обнаружена). (3). Структуры поли­ пептидов могут стабилизироваться межмолекулярными водород­ ными связями, в частности (3-структуры и многотяжевые спирали существуют благодаря межмолекулярным взаимодействиям.

Основные черты конформационных карт дипептидов справед­ ливы и для полимеров; разница состоит только в том, что благода­ ря взаимодействию пептидных единиц, находящихся в соседних витках спирали, разрешенные области несколько уменьшаются, а энергетические контуры сужаются. На рис. 8.11 приведена конформационная карта поли-Е-аланина [16]. Сравнение ее с картой метиламида ЛЕацетил-Е-аланина (см. рис. 8.4) показывает, что границы областей резко сузились, в особенности для форм R и Е; более того, полностью разрешенная область R состоит теперь уже из двух частей, и только область В осталась практически не­ изменной. Последнее легко понять, ибо в области В соседние пеп­ тидные единицы максимально удалены. Как и в случае дипептид­

379

ных фрагментов, закономерности, наблюдающиеся на конформационной карте поли-£-аланина, являются общими для всех по­ липептидов с остатками, содержащими атомы Ср.

Самые глубокие минимумы конформационной карты поли-L- аланина соответствуют правой и левой а-спиралям. По оценкам всех авторов, независимо от того, учитывали они водородные свя­ зи или нет, правая а-спираль стабильнее левой, и это подтверж­ дается данными дисперсии оптического вращения. Шерага [34]

V, град

Рис. 8.11. Конформационная карта поли-£-аланина.

Указаны разрешенные (сплошные линии) и частично разрешенные области (пунктирные линии), контуры потенциальной энергии проведе­ ны с интервалами 1 ккал/моль [16].

Другие полипептиды, очевидно, могут существовать в одной из трех конформаций — правой или левой а-спирали или [3-струк- туре. Выбор той или иной структуры определяется в первую оче­ редь природой бокового радикала R, а в некоторых случаях — температурными условиями и природой растворителя. Большую роль в стабилизации структуры играют электростатические взаи­ модействия, особенно тогда, когда взаимодействия несвязанных атомов не обеспечивают превосходства какой-либо структуры и под влиянием внешних условий может происходить перестройка типа спирали. Так, поли-Б-валин существует в виде p-структуры [70], в которой свобода движений бокового радикала максималь­ на, однако при определенных условиях он может переходить в правую а-спираль [71].

380

Успех предсказания типа спирали того или иного полипепти­ да в значительной степени определяется параметризацией и, в частности, предположениями, принятыми относительно электро­ статических взаимодействий. Шерага и сотр. [12, 72, 73], проведя расчеты конформаций различных полипептидов, в подавляющем большинстве случаев правильно предсказали тип и знак спирали и тем самым продемонстрировали адекватность принятой ими па­ раметризации.

Межмолекулярные взаимодействия в полипептидах и структура фибриллярных белков

Структура полипептидов в кристаллах и растворах может опре­ деляться не только внутримолекулярными взаимодействиями. Межмолекулярные водородные связи между цепями часто при­ водят к стабилизации конформации цепи, которая была бы невы­ годна для изолированной макромолекулы. Классическим приме­ ром является (1-структура полипептидов, которая на многих конформационных картах проигрывает а-спирали, однако в отличие от последней стабилизируется межмолекулярными водородными связями. Помимо этого, межмолекулярные взаимодействия могут приводить и к стабилизаций многотяжевых комплексов, харак­ терных для многих синтетических полипептидов и фибриллярных белков.

Расчет конформации полипептида в кристалле, строго гово­ ря, должен проводиться методом, описанным в разделе 6 гл. 3, т. е. необходимо найти минимум энергии молекулы и кристалли­ ческой решетки по параметрам, описывающим конформацию, и параметры элементарной ячейки. Такая процедура была примене­ на Шерага и сотр. [74] к расчетам кристаллической структуры поли-Т-аланина и поли-(1-бензин-/.-аспартата. Что касается (5- структуры поли-/,-аланина, то расчеты показали, что межмоле­ кулярные взаимодействия практически не сказываются на кон­ формации, т. е. для этой молекулы можно было бы сначала найти оптимальную конформацию, затем упаковать жесткие полипептидные цепи в соответствующем кристалле. Однако для со-спирали поли-(5-бензил-/.-аспартата такой способ действий не привел бы к успеху, поскольку конформация этой макромолекулы зависит от межмолекулярных взаимодействий, главным образом от взаи­ модействий боковых цепей. В этом случае только полное решение задачи конформация — упаковка дает сопоставимые с опытом ре зультаты.

Межмолекулярные взаимодействия играют большую роль в определении структуры фибриллярных белков — белков, состав­ ляющих основу костных и мышечных тканей. В зависимости от конформации фибриллярные белки могут быть разделены на три класса: (1) белки, состоящие из «спиральных спиралей» (а-форма

381

кератина, мышечный белок миозин); (2) белки, содержащие слоис­ тые {J-структуры (Р-кератин, шелк); (3) белки типа коллагена — тройные спирали, не образующие «сверхспиралей» и, следователь­ но, имеющие независимые углы вращения в отличие от белков класса (1). Достаточно очевидно, что существование многотяже­ вых спиралей и слоистых P-структур возможно именно благодаря межмолекулярным взаимодействиям, и конформационный анализ, ставящий цель найти углы <р и ф в фибриллярных белках, непре­ менно должен учитывать это обстоятельство.

Рентгеноструктурный анализ фибриллярных белков [75, р. 3; 76, р. 603; 77] дает картину, весьма бедную рефлексами, вследствие чего прямое определение структуры Фурье-синтезом и постро­ ением карт электронной плотности становится невозможным. Вместо этого из рентгенограмм волокна определяют проекцию мономерной единицы на ось спирали (d) и угол спирального вра­ щения (6). Этих данных, разумеется, недостаточно для нахожде­ ния всех углов ф и ф (а иногда и х). и можно надеяться, что кон­ формационный анализ станет важным вспомогательным инстру­ ментом при расшифровке структуры, подобно тому, как это уже делается для синтетических макромолекул в кристаллах. Действи­ тельно, если из расчета конформаций удастся получить все углы Ф, ф и х. то тогда нетрудно будет вычислить координаты атомов и сравнить теоретическое распределение интенсивности рентгено­ грамм с экспериментальным.

Остановимся на конформациях фибриллярных белков трех указанных выше классов.

Рентгенограммы волокна а-кератина показывают, что этот бе­ лок не может состоять из параллельных а-спиралей, и наилучшее согласие с распределением рефлексов получается, если принять, что а-спирали скручены одна с другой, а возможно, и с третьей и образуют сверхспираль [78, 79]. Сколько а-спиралей скручено друг с другом, пока еще не удалось точно установить. Ряд иссле­ дователей утверждает, что для а-кератина наиболее вероятна тройная сверхспираль [80], тогда как для парамиозина двойная спираль приводит к лучшему согласию с распределением интен­ сивности рентгенограмм 181]. Исследование, проведенное в работе [82], дает основание считать, что миозин, а-кератин и тропомиозин в сухом состоянии, так же как и парамиозин, с наибольшей вероятностью имеют двойную сверхспираль. Интересно, что не­ которые типы шелка имеют четверную сверхспираль, состоящую

из а-спиралей 1831.

Парри и Сузуки [84, 85], рассчитав энергию упаковки однотя­ жевых а-спиралей и энергию сверхспиралей, нашли, что двухтрех- и четырехтяжевые комплексы выгоднее простых а-спиралей (при этом параметры сверхспиралей были заданы в соответствии с данными рентгеноструктурного эксперимента). Полученный ре­ зультат, конечно, очень интересен, поскольку он объясняет ста­ бильность а-спиральных фибриллярных белков, однако более нер-

382

спективным представляется не просто построение многотяжевых спиралей, а поиск минимума энергии по внутри- и межмолекуляр­ ным геометрическим параметрам.

Фиброин шелка, состоящий из остатков глицина, аланина и небольшого количества остатков серина, существует в виде антипараллельных ^-структур, скрепленных между собой водород­ ными связями [86, 87, v. 4, р. 397]; из смеси параллельных и антипараллельных (5-структур состоит (5-кератин [88]. Некоторые виды шелка и кератина содержат «кросс-р-форму» [891, для которой долгое время оставалась непонятной геометрия в складках, и лишь работа [90] прояснила ситуацию.

Коллаген и родственные коллагену полипептиды относятся к третьему классу фибриллярных белков и, как было показано Рамачандраном и Карта [91], имеют структуру тройной спирали. Син­ тетические полипептиды с последовательностями остатков, моде­ лирующими коллаген (один остаток аминона два остатка иминокислот), на протяжении многих лет изучаются в лаборатории Н. С. Андреевой [92, 93; 94, р. 173; 95, v. 1, р. 291]. Н. Г. Есипова и Н. С. Андреева [92, 95] установили, что большую роль в стаби­ лизации структур типа коллагена играют молекулы воды. Так, при понижении влажности молекулы воды, выходя из тройной спирали, заставляют полипептид принять иную конформацию (воз­ можно, именно с этим связаны вопросы старения организмов).

Расчеты конформаций полипептидов, моделирующих коллаген, проводились Хопфингером и Уолтоном [96] и В. Г. Туманяном [97]. Последний, рассмотрев последовательность G1у—Pro—Pro, нашел пять минимумов потенциальной поверхности тройной спирали (составленной из этой трипептидной последователь­ ности), причем большинство из полученных им структур близ­ ки к структурам, предложенным на основании анализа рентгено­ грамм полимеров этого типа [98, 99; 100, v. 1, р. 132; 101]. Сейчас еще трудно сказать, дискретны ли эти конформации, каковы барь­ еры, разделяющие минимумы и удобны ли найденные структуры для посадки молекул воды. Ответ на эти вопросы потребует новых расчетов, для чего необходимы лишь искусство программирова­ ния и машинное время.

Конформации олигопептидов

Многие природные и синтетические гормоны представляют собой молекулы, состоящие из относительно небольшого числа амино­ кислотных остатков (в среднем порядка 10). Естественно предпо­ ложить, что биологические функции, хотя бы некоторых из них, определенным образом связаны с конформациями, и, следователь­ но, конформационный анализ молекул такого типа должен иметь познавательное значение. Однако найти минимум энергии даже сравнительно небольшого олигопептида — задача более сложная чем предсказать структуру многотяжевой спирали. Основной трудностью, лежащей на пути расчетов конформаций нерегуляр­

383