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

дело с предсказанием p-структур — для них почти не видно ни­ каких закономерностей*. Наверно, это объясняется тем, что, вопервых, экспериментальных данных для хорошей статистики еще мало и, во-вторых, во все расчеты, по которым вырабатываются критерии, с большим весом входят гомологичные белки — гло­ бины, для которых установлена пространственная структура.

Взаимодействие ближайших структурных единиц и их роль в формировании пространственной структуры белка

Кроме статистического подхода, для тех же целей нахождения спиральных и неспиральных участков может быть применен под­ ход, основанный на атом-атом потенциалах. Для этого естествен­ но рассмотреть взаимодействия ближайших структурных единиц: эти взаимодействия проявляются либо в дипептидах, либо в дру­ гих фрагментах, из которых строятся белки.

Котельчук и Шерага [131] рассмотрели «нестандартные» фраг­ менты полипептидной цепи

в которых существенными параметрами являются углы вращения Ф и ф. Расчеты таких фрагментов дают важную информацию о взаимодействии боковых радикалов R' и R" и их взаимодействии с пептидной цепью. Основной вывод, который был сделан из рас­ четов с разными R' и R ", состоит в том, что конформация этого фрагмента зависит только от природы R' и не зависит от R".

Расчеты проводились следующим образом. Для разных ком­ бинаций R' и R" вычислялась потенциальная функция, в которую входили невалентные и электростатические взаимодействия, тор­ сионные потенциалы (взаимодействия С“ ... СД, для экономии

машинного времени включались в торсионный потенциал) и энер­

цепи. Оказалось, что если R" заменить или отбросить совсем, то характер оптимальной конформации фрагмента не изменится.

По тому, которая из трех конформаций этого фрагмента — R, В или L — соответствует самому глубокому минимуму, все ами­ нокислотные остатки можно разбить на две группы — спиральные

* Критерии образования ^-структурных участков сформулированы недавно А. В. Финкельштейном и О. Б. Птицыным [141].

390

(h) и антиспиральные (с). Группу h составляют остатки Ala, Val, Leu, lie, Met, Gly, Phe, Cys, His, Arg; группу c — соответственно Ser, Asp, Asp—NH2, Try, Туг, Lys. Для всех остатков, кроме Arg, Lys, разность энергий глобального минимума и второго по глуби­ не локального минимума превышает 0,5 ккал/моль. Разбиение, найденное в цитируемой работе, соответствует тому, которое было получено из статистической обработки белков, однако последнее не могло быть столь детальным из-за недостатка статистического

материала.

Особое положение занимают остатки Gly (соответственно R' = H)

здесь мы имеем четыре минимума, причем четвертый находится в области Н (конформация Хаггинса).

Отличие указанного фрагмента с R' и R" от рассмотренных вы­ ше дипептидных фрагментов состоит в том, что в первые вклю­ чены взаимодействия двух амидных групп, и именно это взаимо­ действие делает невыгодной конформацию Н для развернутых форм, искажает энергетические контуры и смещает минимумы.

Вероятно, те же выводы относительно стабильности спираль­ ных и неспиральных конформаций, которые получили Котельчук и Шерага из рассмотрения дипептидного (с боковыми группа­

39

ми R' и R") фрагмента, можно было бы получить и из метилами - дов N-ацетиламинокислот, минимизируя их потенциальные функ­ ции. Действительно, выбор конформации R или В определяется двугранным углом ф, который входит в оба фрагмента, и только конформация типа L, встречающаяся реже, чем R или В, зависит от обоих углов.

Итак, основной вывод, который следует сделать из рассмотре­ ния двух типов фрагментов, состоит в том, что конформации со­ седних мономерных звеньев практически независимы, и нерегу­ лярный пептид с некоторой степенью точности можно считать со­ стоящим из фрагментов, имеющих независимые конформации. Ес­ ли бы это было так, то мы могли бы сразу решить проблему многих минимумов для белков или по крайней мере для олигопептидов. Тогда нулевое приближение для таких молекул, как грамицидин С, можно было бы найти однозначно, а минимизация потенциаль­ ной функции по нескольким переменным не представляла бы серь­ езных трудностей.

Упрощенная модель, в которой играют роль только локальные конформации рассмотренного дипептидного фрагмента, дает бо­ лее 75 % правильных предсказаний конформаций аминокислот­ ных единиц в четырех белках [131, 132]. Однако слабые далекие взаимодействия вдоль цепи все же имеются, и они резко увеличи­ вают трудность предсказаний.

Общие принципы формирования структуры белка

Рассматривая конформации сравнительно простых олигопептидов, мы уже сталкивались с проблемой многих минимумов, осложняю­ щей отыскание оптимальной структуры. Применительно к потен­ циальным функциям глобулярных белков эта проблема становится еще более острой. В самом деле, потенциальная функция лизо­ цима— белка, состоящего из 129 остатков,— должна иметь не меньше, чем З129 локальных минимумов, а скорее всего еще боль­ ше из-за влияния дальних взаимодействий. Следовательно, глав­ ная цель должна заключаться не просто в поиске минимума, а в предсказании той небольшой области 258-мерного пространства (ф, ф), которая соответствует глобальному минимуму (строго го­ воря, следует искать минимум свободной энергии).

Если область (ф, ф) с некоторой точностью известна, то мини­ мизация по всем ф, ф и даже х уже не представляет принципи­ альных трудностей. Подобную задачу для лизоцима решили Левитт и Лифсон [133], минимизировавшие методом градиента сле­ дующую функцию

по всем атомам

где U — энергия напряжения в том виде, который уже неодно­ кратно рассматривался, х0 — координаты атомов, найденные в

392

результате рентгеноструктурного анализа, х — вычисленные ко­ ординаты, g — весовой фактор.

При слишком больших значениях весового фактора структура мало уточняется, поскольку нет возможности далеко уйти от ну­ левого приближения; при слишком малых значениях появляется реальная опасность выйти за пределы локального минимума, со­ ответствующего экспериментальной структуре. Однако интересно, что варьирование g в достаточно широких пределах приводит к примерно одинаковым результатам. Это означает, что коиформационный анализ дает вполне надежные сведения о пространствен­ ной структуре и является важным вспомогательным инструментом при уточнении. Действительно, в уточненной структуре лизоцима значения всех валентных связей и углов близки к стандартным, тогда как в структуре, рассчитанной по координатам атомов, не­ редко встречаются слишком короткие или слишком длинные свя­ зи и необычные значения валентных углов.

Конечно, описанная здесь процедура уточнения очень важна, и надо полагать, что в дальнейшем она будет проводиться одно­ временно с расшифровкой новых белков. Но если мы желаем пред­ видеть пространственную структуру белка, не проводя никаких экспериментов, кроме чисто умозрительных или машинных, то ос­ новной трудностью остается выделение небольшой области притя­ жения глобального минимума в пространстве (ср, ф).

Конформационные расчеты небольших фрагментов могут дать очень многое, но далеко не все для предсказания структуры бел­ ка. Располагая информацией относительно оптимальной геомет­ рии каждого пептидного фрагмента или их трипептидных комби­ наций, мы могли бы в идеале предсказать конформацию нерегу­ лярного полипептида по его аминокислотной последовательности. Однако это не просто по нескольким причинам: во-первых, для некоторых остатков две конформации дипептидного фрагмента или соответствующего метиламида N-ациламинокислоты почти оди­ наково выгодны (по расчетам [131] — это Arg и Lys); во-вторых, довольно большие неопределенности, вследствие своей конформационной свободы, вносит Gly; в-третьих, даже небольшие разбро­ сы в углах вращения (3—5°) и валентных углах (1—2°) приводят к сильному «расплыванию» на больших расстояниях; в-четвертых, при некоторых оптимальных комбинациях углов вращения уда­ ленные вдоль цепи остатки могут оказаться в одной области про­ странства. Всего этого, вероятно, уже достаточно, чтобы простран­ ственная структура белка формировалась в результате дальних взаимодействий за счет гидрофобных эффектов.

Соответствует ли нативная структура белка глобальному ми­ нимуму потенциальной функции или одному из локальных, ко­ торый отделен от глобального большим потенциальным барьером? Это важный вопрос для предсказания пространственной структу­ ры белка. Шерага [134] принимает в качестве рабочей гипотезы, что нативной структуре отвечает узкое распределение конформа­

393