Теоретическое исследование барьеров внутреннего вращения и механизма сворачивания белков
Барьеры внутреннего вращения в белках. Расстояния между валентно несвязанными атомами. Модифицированный метод фрагмент-фрагментных взаимодействий для конформационного анализа и изучения взаимодействия олигопептидов и других биоорганических молекул.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 16.02.2018 |
| Размер файла | 1,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОФИЗИКИ
на правах рукописи
теоретическое исследование барьеров внутреннего вращения и механизма сворачивания белков
03.00.02 - биофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
БАШАРОВ МАХМУД АШЫГ-ОГЛЫ
Пущино - 2009
Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН
Научный консультант: доктор биологических наук Аллахвердиев С.И.
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор Шишков А.В.
доктор физико-математических наук, профессор Сергеев Н.М.
доктор физико-математических наук, профессор Туманян В.Г.
Ведущая организация: Институт биофизики клетки РАН
Защита состоится “___” _____________ 20__ г. в ________ на заседании Диссертационного совета Д 501.001.96 при Московском государственном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1 Воробьевы горы, МГУ, Биологический факультет
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.
Автореферат разослан “___” _____________ 20__ г.
Ученый секретарь Диссертационного совета
доктор биологических наук, профессор _____________ Кренделева Т.Е.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Проблема сворачивания белка, т.е., выяснение того, каким образом формируется нативная конформация белка на основе первичной структуры, признана одной из актуальных в физико-химической биологии. Понимание механизма сворачивания белков необходимо для решения многих фундаментальных и практических задач биологии, медицины и биотехнологии на молекулярном уровне. Важнейшими среди них являются: предсказание и разработка методов предсказания пространственной структуры белков и пептидов, изучение влияния специфических мутационных изменений на структуру белков и активность ферментов, создание мутантных белков со специфическими характеристиками и искусственных белков с заданными свойствами, разработка и создание новых физиологически активных пептидов, изучение механизмов болезней, связанных с неправильным сворачиванием белков, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Кройесфельда-Якобса.
Решением этой проблемы интенсивно занимаются во многих научных коллективах мира исходя из двух концепций. Согласно одной из них белки сворачиваются в процессе биосинтеза, по мере выхода полипептидной цепи из рибосомы, котрансляционно (рис.1). Концепция была обоснована тем, что синтез белковой цепи на рибосоме происходит с N-конца к C-концу направленно и подтверждается результатами многочисленных экспериментов in vivo и на белоксинтезирующих модельных системах. Однако неизвестно, как могут сворачиваться белки котрансляционно.
Рис.1. Ко- (слева) и посттрансляционное (справа) сворачивание белков
Вторая концепция посттрансляционная, согласно которой нативная конформация белка формируется после синтеза и полного выхода полипептидной цепи из рибосомы из состояния случайного клубка (рис.1). Концепция была основана на результатах in vitro двух типов экспериментов. Один тип эксперименты по денатурации-ренатурации белков, по результатам которых некоторые малые глобулярные белки приобретали вид случайного клубка при денатурации и быстро восстанавливали нативную структуру спонтанно после удаления денатурирующего воздействия. Результаты другого типа экспериментов связаны с получением синтетических аналогов ряда нативных белков путем химического синтеза, в частности рибонуклеазы А, лизоцима, инсулина человека. На этих же результатах базируется теоретическая основа концепции в виде двух гипотез и пара утверждений. Одной из них гипотеза случайного клубка, согласно которой полипептидные цепи денатурированных и новосинтезированных на рибосоме белков представляются как случайные клубки. Вторая гипотеза - термодинамическая, которая устанавливает, что нативной конформации белка соответствует наименьшая свободная энергия Гиббса системы полипептидная цепь и физиологическая среда. Общеприняты утверждения, что процесс сворачивания белка может быть представлен как переход «клубок - глобула», и что сворачивание белков in vivo и ренатурация денатурированных белков происходят по одинаковым или схожим механизмам из состояния случайного клубка. Опираясь на эти гипотезы и утверждения, преобладающее большинство исследований по выяснению механизма процесса сворачивания белков ведутся на основе посттрансляционного подхода. При этом широко используют как эксперименты по денатурации и ренатурации белков, так и различные теоретические подходы, в частности, основанные на соображениях статистической механики, как удобные in vitro модели. Однако решить проблему сворачивания белков на этой основе до сих пор не удается.
Важный фундаментальный вопрос на пути решения проблемы сворачивания - объяснение быстрого сворачивания белков, поскольку число доступных полипептидной цепи дискретных конформаций астрономическое, и поэтому потребовалось бы астрономическое время, чтобы цепь приобретала соответствующую нативному белку единственную конформацию путем перебора всевозможных вариантов. Тем не менее, белки сворачиваются и это они делают очень быстро (парадокс Левинталя).
Итак, решение проблемы сворачивания белков требует ответить на обозначенные выше три фундаментальных вопроса: 1) сворачиваются ли белки ко- или посттрансляционно, т.е., в процессе, или после синтеза полипептидной цепи на рибосоме, 2) каков механизм сворачивания белков, 3) каково объяснение быстрого сворачивания белков?
Движущей силой процесса сворачивания белка является спонтанное стремление системы полипептидная цепь - вода (основная компонента физиологической среды) к стабилизации, уменьшению свободной энергии Гиббса. Она может быть записана в виде
?Gстаб. = ?Hцепь - T ?Sцепь + ?Gгидрат. (*)
где ?Hцепь- энтальпия цепи, которая представляет собой внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия полипептидной цепи и растворителя суммарно, ?Sцепь- энтропия цепи, ?Gгидрат.- свободная энергия гидратации (сольватации) цепи, которая включает в себе также свободную энергию растворителя, Т- температура. Предложены различные формулы и рецепты для вычисления каждого из входящих в выражение (*) вкладов. Эти рецепты, однако, далеки от совершенства. В частности, давно известно, что популярные функционалы, построенные на основе потенциалов невалентного взаимодействия типа “6-ехр” или “6-12” и торсионных потенциалов, используемые для оценок потенциальной энергии полипептидов, страдают от очевидных серьезных недостатков. Поэтому является актуальным создание простых и надежных расчетных методов для реалистической оценки потенциальной энергии, внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий полипептидов.
Цель работы
На основании вышеизложенного, основной целью данной диссертационной работы являлось исследование проблемы сворачивания белков с использованием расчетно-теоретических и аналитического подходов. Работа посвящена фундаментальным вопросам проблемы: 1) сворачиваются ли белки котрансляционно в процессе биосинтеза, или после синтеза и выхода из рибосомы посттрансляционно, 2) каков механизм сворачивания белков, а также оценки 3) энтальпийного вклада в свободную энергию сворачивания белков и 4) величины барьеров внутреннего вращения вокруг единичных связей основной цепи полипептидов и их роли в сворачивании белков.
Задачи исследования
В ходе работы были определены и решались следующие фундаментальные задачи.
- Создание надежного расчетного метода для конформационного анализа и изучения взаимодействия полипептидов и других органических молекул - модифицированного метода фрагмент-фрагментных взаимодействий (ФФВ);
- Создание алгоритмов и вычислительных программ для: построения молекулярной модели олигопептидов, расчетов поверхности потенциальной энергии (ППЭ) олигопептидов и отдельных аминокислотных остатков в них, обработки данных банка белковых структур и вычисления конформации полипептидных цепей из атомных координат белков, статистического анализа конформаций аминокислотных остатков в трехмерных структурах белков, построения конформационных карт;
- Расчетно-теоретическое исследование ППЭ олигопептидов аминокислот методом ФФВ и оценка величины БВВ вокруг связей NCб и CбC полипептидной цепи белков;
- Анализ конформаций аминокислотных остатков в трехмерных структурах белков из банка белковых данных;
- Систематизация литературных данных по химически синтезированным белкам и выяснение их отношение к проблеме сворачивания белков;
- Выяснение наличия остаточной упорядоченной структуры в белках при их денатурации на основе анализа известных экспериментальных данных;
- Выяснение степени адекватности ко- и посттрансляционного подходов изучению механизма сворачивания белков;
- Выдвижение возможного механизма сворачивания белков и предъявление подтверждающих этот механизм данных.
Научная новизна работы
Проведено фундаментальное исследование по выяснению реалистических оценок барьеров внутреннего вращения в белках:
Разработан надежный расчетный метод для оценок барьеров внутреннего вращения (БВВ) в белках - модифицированный метод фрагмент-фрагментных взаимодействий (ФФВ) для конформационного анализа и изучения взаимодействия полипептидов и других органических молекул.
Установлено, методом ФФВ, что величины БВВ вокруг связей NCб и CбC основной цепи полипептидов, которые традиционно считаются незначительными, около 0,7 ккал/моль для обеих величин, достаточно значительны и составляют соответственно около 16 ккал/моль - что сопоставимо с транс-цис барьером пептидной связи, и 6 ккал/моль.
Обоснована невыгодность нахождения в структуре белков неглициновых остатков в положительной - с положительным значением угла вращения ц вокруг связи NCб - конформации. Представлено надежное косвенное экспериментальное подтверждение наличия высокого энергетического барьера при вращении вокруг связей NCб в белках на основе анализа трехмерных структур белков из банка белковых данных.
Обоснована, на основе анализа известных данных о химически синтезированных белках, что возможность получения синтетических белков подтверждает наличия взаимосвязи между первичной структурой и нативной конформацией белков и вряд ли свидетельствует о посттрансляционном сворачивании белков.
Выявлена общая закономерность, из систематизации литературных данных, о наличии остаточных упорядоченных структур в белках в сильно денатурирующих условиях в отличие от традиционных представлений, рассматривающих денатурированные белки как случайные клубки, что свидетельствует о недостаточной обоснованности представления процесса сворачивания белка как переход клубок - глобула.
Представлено обоснование котрансляционного в процессе биосинтеза полипептидной цепи на рибосоме сворачивания белков. Предложен механизм сворачивания белков и предъявлены подтверждающие этот механизм и его универсальность данные.
Научно-практическая значимость полученных результатов
Разработан расчетный метод для конформационного анализа и изучения взаимодействия органических молекул и полипептидов. Метод может быть использован для изучения структуру, конформаций, энергию взаимодействия, дипольные моменты различных молекул и молекулярных комплексов. Даны реалистические оценки величины БВВ вокруг связей NCб и CбC основной цепи полипептидов, что может способствовать развитию структурной протеомики и сыграть важную роль в исследованиях проблемы сворачивания и пространственной структуры белков. Обоснована концепция котрансляционного сворачивания белков, что существенно облегчает целенаправленный поиск эффективных путей для реалистического описания соотношения между аминокислотной последовательностью и пространственной структурой белков. Предложен механизм сворачивания белков, что позволит разработать адекватные алгоритмы и методы для предсказания пространственной структуры пептидов и белков на основе известной первичной структуры. Полученные по теме диссертации результаты используются в учебных курсах по молекулярной биофизике в ряде университетах США, по меньшей мере, и могут быть использованы в учебных курсах других вузов по молекулярной биофизике, биохимии, молекулярной биологии. Они могут найти активное применение в биотехнологических разработках и молекулярной медицине, при проектировании и создании новых эффективных лекарственных препаратов пептидной природы.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на: VI и VII Всесоюзных симпозиумах по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Вильнюс, 1982; Рига, 1986), I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982), IХ Всесоюзном совещании по квантовой химии (Иваново, 1985), I международной школе-конференции молодых ученых стран-членов СЭВ по биофизике (Братислава, 1985), Российской научной конференции с участием зарубежных ученых «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах» (Тверь, 1994), Международной научной конференции «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах» (Тверь, 1996), International Symposium “Protein Structure, Stability and Folding. Fundamental and Medical Aspects” (Moscow, 1998), 3-rd International Conference on Molecular Structural Biology (Vienna, 1999).
Личный вклад автора в проведенных исследованиях
Постановка задач и их решение, создание алгоритмов и компьютерных программ, проведение расчетов, получение и интерпретация представленных в диссертации результатов принадлежат самому автору.
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 27 статьей в отечественных и зарубежных журналах.
Объем, структура, общая характеристика диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, результатов исследования и их обсуждения, выводов, списка опубликованных по теме диссертации и цитированных работ. Объем диссертации составляет 203 стр. и включает 39 рисунков, 37 таблиц и 498 ссылок. Во введении представлены актуальность проблемы и краткий анализ известных подходов к ее решению, цель исследования, отражена научная новизна работы. В обзоре литературы представлены успехи, достигнутые в исследованиях проблемы сворачивания белков. Раздел «результаты и обсуждение» состоит из трех частей, включающих 10 глав. В первой части рассматриваются основы гипотезы случайного клубка применительно к белкам, где внимание сосредоточено на обсуждении БВВ в белках. Для оценок БВВ в белках предлагается новая улучшенная версия расчетного метода ФФВ. Приведены результаты расчетов поверхности потенциальной энергии олигопептидов ряда аминокислот, полученные с применением метода ФФВ. Значительное место уделено результатам обработки данных о трехмерных структурах белков из банка белковых структур и анализу конформаций аминокислотных остатков встречаемых в этих структурах. Вторая часть посвящена анализу концепции посттрансляционного сворачивания белков. Результаты указывают на недостаточную обоснованность адекватности посттрансляционного подхода решению проблемы сворачивания белков. В третьей части вкратце прослежен биогенез белковой цепи от начала ее биосинтеза на рибосоме и до завершения сворачивания в разных водных компартментах клетки. Имеющиеся данные позволили обосновать, почему белки должны сворачиваться котрансляционно, и предложить возможный механизм сворачивания белков. Приведены данные, известные из литературы экспериментальные, и собственные, полученные в расчетах олигопептидов, которые поддерживают предлагаемую схему сворачивания белков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Обзор занимает первые две главы работы. Первая посвящена результатам экспериментальных и теоретических исследований проблемы сворачивания белков на основе посттрансляционного подхода; приведено краткое описание популярных моделей сворачивания. Во второй главе представлены результаты исследований биосинтеза и сворачивания белков in vivo и на синтезирующих белок модельных системах, которые подтверждают котрансляционное сворачивание белков.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В преобладающем большинстве исследованиях по выяснению механизма сворачивания белков полипептидные цепи денатурированных и новосинтезированных на рибосоме белков рассматривают как случайные неупорядоченные клубки, а процесс сворачивания представляют как спонтанный переход полипептидной цепи из этого состояния в максимально упакованную уникальную глобулярную структуру, соответствующей наименьшей свободной энергии системы полипептидная цепь и физиологическая среда. Т.е., исходным объектом считают состояние случайного клубка полипептидных цепей белков. Для выяснения того, насколько оправдано такое рассмотрение, наши исследования над проблемой сворачивания белков мы начнем с анализа характеристик состояния случайного клубка белковой полипептидной цепи.
Случайный клубок, по определению, состояние свободносочлененной линейной полимерной цепи, в которой могут происходить свободные вращения вокруг ее единичных химических связей. Применительно к полипептидной цепи основными признаками случайного клубка считают: возможности соседних вдоль цепи аминокислотных остатков к независимым вращениям, и способности соединенных единичными связями атомных групп цепи совершать относительно свободные вращения вокруг таких связей. Т.е., свойства и признаки состояния случайного клубка полипептидной цепи связывают с БВВ, полагая, что обусловлены они малыми, незначительными величинами БВВ вокруг ее единичных химических связей.
Анализу традиционных и выяснению реалистических оценок БВВ в белках посвящена первая часть работы, состоящая из четырех глав (гл. 3 - 6).
Часть первая. Барьеры внутреннего вращения (БВВ) в белках
Глава 3. Общепринятое представление о БВВ в белках. Исследователи, занимающихся проблемой сворачивания белков считают, что БВВ вокруг единичных связей NCб и CбC главной полипептидной цепи и большинства связей боковых цепей аминокислотных остатков белков незначительны, а вращение вокруг этих связей происходит почти свободно. Предположение о незначительности БВВ в белках было сделано в 1960-е годы, из-за невозможности определить их экспериментально. Рядом авторов было предложено, что они должны быть близкими к экспериментально известным малым значениям БВВ вокруг аналогичных связей в малых органических молекулах, в частности, различных производных амидной группы (Scheraga, AdPhysOrgChem,6,103,1968; Ramachandran&Sasisekharan,AdProtChem,23, 283,1968). Рекомендованные значения БВВ вокруг связей NCб и CбC главной цепи для обеих величин составляют в среднем около 0,7 ккал/моль. Именно эти, сравнимые с кТ при нормальной температуре, значения цитируют обычно при обсуждении величины БВВ в белках (Tanford, AdProtChem, 23,121,1968; Creighton, BiochJ,270,1990; Smith etal,Fold&Des,1,R95,1996; Fitzkee&Rose, PNAS, 101,12497,2004; Финкельштейн и Птицын «Физика белка» 2005). На предположении о незначительности БВВ построены и популярные модели (например, спиновое стекло, решеточные) и подходы к решению проблемы сворачивания (напр. использующие приближение случайной энергии) белков.
Глава 4. БВВ в белках значительно выше общепринятых для них значений: расчетно-теоретическое обоснование. Как известно, достаточно точные значения БВВ можно получить квантово-химическими ab initio методами. Расчеты поверхности потенциальной энергии (ППЭ) дипептидов методами ab initio проводятся регулярно с начала 1970-х. Что касается олигопептидов, рассчитать их методами ab initio невозможно, и поэтому нужны надежные и простые расчетные методы.
К концу 1970-х Головановым, Соболевым и Волькенштейном были разработаны новая потенциальная функция и алгоритмы с целью создания надежного расчетного метода для оценок внутри- и межмолекулярных взаимодействий молекул (ЖСХ:20,26,1981; ДАН СССР:259,877,1981). На основе этих разработок нами был создан метод связь-связевых взаимодействий для конформационного анализа и изучения взаимодействия органических молекул (Башаров и др. 1984а-1984е). Впоследствии нами были созданы и улучшенные версии метода: метод фрагмент-фрагментных взаимодействий (ФФВ) (Башаров и др.1989а, 1989б) и модифицированный метод ФФВ (Башаров 1995а). Последняя версия метода - она представлена в главе 6 - является одним из основных результатов диссертации. Метод воспроизводит достаточно адекватно ППЭ дипептидов, полученные квантово-химическими ab initio методами (Башаров 1995б, 1996), а также позволяет рассчитать ППЭ олигопептидов. При оценке величины БВВ в белках будем использовать результаты наших расчетов ППЭ ди- и олигопептидов ряда аминокислот методом ФФВ и расчетов дипептидов методами ab initio, сосредоточенных на БВВ вокруг связей NCб и CбC главной полипептидной цепи белков.
ППЭ дипептидов. Дипептиды глицина и аланина. Карты двумерной ППЭ глицинового и аланинового дипептидов, полученные методом ФФВ, представлены на рис.2, а относительные энергии некоторых конформаций и значения барьеров перехода между ними - в табл.1. Согласно этим данным, относительные энергии популярных конформаций аминокислотных остатков в белках и барьеры перехода между ними значительны. В частности, БВВ вокруг связи NCб (C7(R)-?L; ц?=0є,ш=90є) составляет не менее 16 ккал/моль, а вокруг связи CбC (C7(R)-?R; ц= -90є,ш=0є) - не менее 5 ккал/моль.
Дипептиды других аминокислот. Нами были рассчитаны полные ППЭ Е (?, ??, i) дипептидов серина, валина, фенилаланина и тирозина, где i - углы вращения вокруг связей боковых цепей аминокислот (Башаров 1995б, 1996; неопубликованные результаты данной работы). Углы ?, ??и i варьировали в интервале от -180o до 180o, ?, ? с шагом 10o, а чi - 30o. Число рассмотренных конформаций каждого дипептида составило 37*37*13*n, где n число вращательных степеней боковой цепи аминокислотного остатка. Известны и расчеты ППЭ дипептидов ряда аминокислот методами ab initio.
Из результатов наших и ab initio расчетов следует, что ППЭ рассмотренных дипептидов в определенных конформациях их боковых радикалов мало отличаются от ППЭ дипептида аланина. Заметная разница лишь в том, что доступные области конформационного пространства значительно сужается с увеличением размера боковых цепей. Важным из результатов является то, что БВВ вокруг связей NC? и C?C рассмотренных дипептидов сравнимы с соответствующими величинами БВВ в дипептидах глицина и аланина (составляют в среднем около 17 и 7 ккал/моль; см. далее).
Рис.2. ППЭ дипептидов глицина (слева) и аланина (справа) по методу ФФВ. Вертикальное направление представляет вращение вокруг связи CбC по углу ш, а горизонтальное - NCб по углу ц. Крестиками обозначены минимумы. Цифры на эквипотенциальных линиях - относительная энергия в ккал/моль. Энергия областей заштрихованных параллельными линиями - от 15 до 25 ккал/моль, дважды заштрихованных - более 25 ккал/моль (Башаров 1995б).
Табл.1. Относительные энергии некоторых конформаций дипептидов глицина и аланина (энергия в ккал/моль, углы в градусах)
|
Конформация | Относительная энергия |
|
|
| Глицин Аланин |
|
|
f? y? | [1] [2] [3] [4] [*] [1] [2] [5] [*] |
|
|
C5 180 180 0.0 0.0 0.0 0,8 0,7 1,5 2,5 1,4 3,4 |
|
|
C7(R) -90 60 1.4 1.0 3.3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 |
|
|
aR -60 -50 9.6 4.5 8.9 4,7 6,5 9,3 3,0 6,7 8,1 |
|
|
C7(R)-aR -90 0 7.5 5.5 5.5 7,9 9,5 11,0 4,9 7,9 |
|
|
C7(R)-aL 0 90 19.2 16.0 21.7 17,8 19,7 16,0 17,2 |
|
|
0 -90 25,5 18 24,5 |
|
|
C7(L) 60 -110 11,9 14 11,0 |
|
|
(L) 60 50 10,6 5,0 8,4 |
Ab initio: [1]-Hiller&Robson,JTheorBiol,76,83,1979; [2]-Peters&Peters,JMolStr,85,107, 1981; [3]-Wright&Borkman,JPhysChem,86,3856,1982; [4]-Schaferetal,JChemPhys,72, 1439,1982; [5]-Scarsdaleetal,JACS,105,3438,1983; [*]- Метод ФФВ: Башаров (1995б).
ППЭ глицина и аланина в олигопептидах. Нами были рассчитаны ППЭ олигопептидов глицина и аланина, от ди- до декапептида в их спиральных конформациях, а также серединного 5-го и концевого 9-го остатков в декапептидах глицина и аланина в конформациях правой -спирали (-600,400), близкой к вытянутой (-1400,1500) и С7(-800,800).
Величины БВВ вокруг связей NC и CC исследованных нами аминокислот в олигопептидах более наглядно отражены на кривых на рис.3 и 4 соответственно. Кривые представляют, приблизительно, одномерные профили предпочтительного пути конформационных изменений (изменения потенциальной энергии) остатков в пространстве Е (?,?): на рис.3 в зависимости от угла ? (U ()) и на рис.4 в зависимости от угла ? (U ()), по всему интервалу их значений (-1800? , ? +1800). Эти пути проходят по двум оврагам ППЭ, по углу приблизительно через седловую точку = 900, и по углу 900, = как это видно из карт на рис.2. Кривые построены на основе ППЭ соответствующих остатков следующим образом. На рис.3 на каждой кривой величина энергии при угле i соответствует минимуму потенциальной энергии на ППЭ данного остатка в зависимости от угла в интервале 0° ? ? 180° при фиксированном i. Аналогично, на рис.4 на каждой кривой величина энергии при i соответствует минимуму энергии на ППЭ в зависимости от угла в интервале -180° ? ? 0° при фиксированном i. Таким образом, кривые на рис.3 представляют потенциальную энергию вращения вокруг связи NC, а на рис.4 - вокруг связи CC соответствующих аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Нулевой энергии на кривых на обоих рисунках соответствует предпочтительная конформация.
На кривых U () локальному минимуму в правой части соответствует конформация левой б-спирали, а величина потенциальной энергии при максимуме с координатой ~ 0° представляет величину БВВ вокруг связи NC (рис.3). Аналогичным образом, на кривых U () локальному минимуму в правой части соответствует конформация правой б-спирали, а величина потенциальной энергии при максимуме с координатой ~ 0° представляет величину БВВ вокруг связи CC (рис.4).
Общий вид карты ППЭ и расположение минимумов и седловых точек на ней, а также предпочтительные пути конформационных изменений по углам, описанные выше, в основном характерны также для других аминокислотных остатков, кроме пролина, в определенных конформациях их боковых радикалов. Утверждение известно из результатов расчетов ППЭ дипептидов с использованием эмпирических потенциальных функций, а также ряда не рассмотренных нами аминокислот методами ab initio.
Величины БВВ вокруг связей NC и CC аминокислот в дипептидах и олигопептидах, полученные в наших расчетах, представлены в таблицах в правой части рис.3 и 4. Для дипептидов приведены также величины БВВ, оцененные из имеющихся в литературе карт ППЭ, рассчитанные квантово-химическими ab initio методами.
Согласно представленным данным, БВВ вокруг связи NC в дипептидах составляет 16 - 22 ккал/моль, в среднем 18,5 ккал/моль, по данным квантово-химических расчетов, и 15,1 - 18,2 ккал/моль, в среднем 16,7 ккал/моль, по результатам наших расчетов (рис3).
|
Дипептид Барьер Ссылка Gly 18,2 [*] Ala 17,6 [*] Val 16,0 [*] >15 ,<20 [1] Ser 15,1 [*] >15, <20 [2] Phe 16,4 [*] Tyr 16,7 [*] Thr >15 ,<20 [3] Ile >15 ,<20 [1] (a) |
||
|
n-Ala Высота барьера [*] 2 17,6 3 16,0 4 15,4 5 15,1 6 14,8 7 14,7 8 14,5 9 14,4 10 14,4 (б) |
||
|
Пептид Высота барьера [*] Gly9C7 16,7 Gly9al 17,4 Ala9C5 16,6 Ala9al 16,7 Gly5C7 16,2 Ala5C7 16,1 Gly5C5 16,4 Ala5C5 16,0 (в) |
Рис.3. Предпочтительные пути конформационных изменений по углу ? (U ()) и величина БВВ вокруг связи NC? ряда аминокислот в (а)- дипептидах, (б)- олигопептидах аланина, (с)- 5-го и 9-го остатков в декапептидах Gly и Ala в конформациях С7, б (al) и С5, полученные по методу ФФВ [*].Энергия в ккал/моль. Данные аb initio дипептидов: Gly и Ala см. табл.1; [1]-Peters&Peters JMolStr,88,157, 1982; [2]-Peters&Peters JMolStr,90,305,1982; [3]- Peters&Peters JMolStr,90,305,1982.
|
Дипептид Барьер Ссылка Gly 7,6 [*] Ala 7,4 [*] Val 8,0 [*] >6, <10 [1] Ser 5,3 [*] 6,3 [2] Phe 7,1 [*] Tyr 7,0 [*] Thr >6, <10 [3] Ile >6, <10 [1] (a) |
||
|
n-Ala Высота барьера [*] 2 7,4 3 6,3 4 5,8 5 5,5 6 5,3 7 5,2 8 5,1 9 5,0 10 4,9 ( б) |
||
|
Пептид Высота барьера [*] Gly9C7 7,9 Gly9al 6,7 Ala9C5 7,4 Ala9al 5,8 Gly5C7 7,0 Ala5C7 6,3 Gly5C5 7,3 Ala5C5 6,8 (в) |
Рис.4. Предпочтительные пути конформационных изменений по углу (U ()) и величина БВВ вокруг связи C?C ряда аминокислот в (а)- дипептидах, (б)- олигопептидах аланина, (с)- 5-го и 9-го остатков в декапептидах Gly и Ala в конформациях С7, б (al) и С5, полученные по методу ФФВ [*].Энергия в ккал/моль. Данные аb initio дипептидов: Gly и Ala см. табл.1; [1]-Peters&Peters JMolStr,88,157, 1982; [2]-Peters&Peters JMolStr,90,305,1982; [3]- Peters&Peters JMolStr,90,305,1982.
В олигопептидах глицина и аланина величина БВВ вокруг связи NCб постепенно уменьшается с увеличением числа остатков, с 17,2 ккал/моль в дипептиде до 15 ккал/моль в пентапептиде. Она остается почти неизменной с октапептида, составляя 14,4 ккал/моль. Уменьшение барьера обусловлено малым увеличением энергии стабилизации кулоновского вклада с увеличением числа остатков. Основным составляющим барьера является энергия обменного отталкивания занятых молекулярных орбиталей. Для серединного 5-го и концевого 9-го остатков в трех избранных конформациях декапептидов глицина и аланина величина БВВ вокруг связи NC составляет 15 - 16,8 ккал/моль, в среднем 16 ккал/моль.
Величина БВВ вокруг связи CбC в дипептидах составляет 5 - 10 ккал/моль, 7,5 ккал/моль в среднем, по данным квантово-химических расчетов, и 5,3 - 8 ккал/моль, в среднем 6,6 ккал/моль, по результатам наших расчетов (рис.4). В олигопептидах аланина величина барьера несколько уменьшается с увеличением числа остатков, с 7,4 ккал/моль в дипептиде до 5,3 ккал/моль в пентапептиде. Уменьшение барьера обусловлено уменьшением вклада электростатического отталкивания. Величина барьера остается почти неизменной с гексапептида, составляя около 5 ккал/моль. Для серединного 5-го и концевого 9-го остатков в конформациях правой ?-спирали (??-500,???500), близкой к С5 (??-1400,??1500) и С7(??-800,??800) декапептидов глицина и аланина величина БВВ вокруг связи CC составляет 5,3 - 7,8 ккал/моль, в среднем 6,5 ккал/моль. Основным составляющим барьера во всех случаях является электростатическое отталкивание.
Влияние изменения молекулярной геометрии на ППЭ пептидов. Расчеты ab initio дипептидов с оптимизацией молекулярной геометрии показывают, что как относительные энергии отдельных конформеров, так и высота барьеров между ними претерпевают заметные изменения за счет значительной деформации молекулярной геометрии (Hiller&Robson,JTheorBiol, 1979,76,83; Head-Gordon et al,JACS,1991,113,5989). Однако, согласно данным белковой кристаллографии и кристаллохимии (Engh&Huber, ActCryst,1991,A47, 392), а также полученным нами из анализа молекулярной геометрии олигопептидов, заметные деформации в плотноупакованной и напряженной атомной системе, какой является полипептидная цепь, приводят к недопустимому сближению валентно-несвязанных атомов.
Итоги расчетов ППЭ олигопептидов. БВВ вокруг связей NC и CC главной цепи полипептидов. На основании представленных выше результатов мы заключаем, что величина БВВ вокруг связей NC и CC в полипептидной цепи белков составляет, приблизительно, около 16 ккал/моль и 6 ккал/моль соответственно. Надежность предлагаемых значений может быть оправдана надежностью методов расчета, с использованием которых они получены. Надежность широкого базиса квантово-химических ab initio методов, безусловно, вполне приемлема. Надежность метода ФФВ проверена на многочисленных органических молекулах различного класса, а также дипептидах. Несомненно, рассчитанная величина БВВ зависит в определенной степени от геометрии молекулы - мы использовали стандартные геометрии пептидов. Предлагаемые значения БВВ вокруг связей NC и CC, естественно, не претендуют быть абсолютно точными, но они однозначно обозначают порядок этих величин и, по нашему мнению, близки к действительным их значениям. Они значительно выше традиционно считаемых для них общепринятых - около 0,7 ккал/моль для обеих величин.
Глава 5. БВВ в белках значительно выше предполагаемых для них традиционных значений: экспериментальное подтверждение данными о кристаллических структурах белков. Можно привести достаточно надежное косвенное экспериментальное подтверждение существования высоких барьеров в белках. Для того чтобы показать это, остановимся на барьере вращения вокруг связи NCб.
Теоретические предпосылки. Обратим внимание на предпочтительные пути конформационных изменений ряда аминокислотных остатков по углу ц при вращении вокруг связи NCб, представленные на рис.3. Назовем отрицательной конформацию остатка с отрицательным значением угла ц, и положительной с положительным значением угла ц. Из рис.3 видно, что для неглициновых остатков практически запрещен переход из отрицательных конформаций в положительные через линию ц=±180о. В тоже время глициновый остаток может переходить через эту линию в положительную конформацию и обратно беспрепятственно. Видно также, что возможные переходы неглициновых остатков между доступными отрицательными и положительными конформациями могут осуществляться через линию ц=0о путем преодоления NCб барьера, который по нашим оценкам составляет около 16 ккал/моль. Величина достаточно значительна и почти сопоставима с хорошо известным значением барьера между транс- и цис- конформациями пептидной связи (около 18 ккал/моль), что должна делать практически нереализуемым переход неглициновых остатков из отрицательных конформаций в положительные, если принимать во внимание тот факт, что на рибосоме полипептидная цепь наиболее вероятно синтезируется в правой б-спиральной конформации (Lim&Spirin,1985, JMB,188,565).
Обратим внимание и на локальный минимум потенциальной энергии в области положительных конформаций (рис.3), которому соответствует конформация левой б-спирали. Он выше глобального минимума на ~8 ккал/моль в дипептидах, на ~4 ккал/моль в тетрапептиде и на ~1 ккал/моль в декапептиде. Поэтому приобретение неглициновыми остатками этой конформации не только затруднено кинетически из-за высоких барьеров, но и невыгодно остаткам находиться в этой конформации термодинамически, как следует из оценки по формуле Больцмана-Аррениуса.
Основываясь на представленных результатах можно сделать следующий вывод. В структуре белка глициновые остатки могут встречаться и в отрицательных и в положительных конформациях, тогда как неглициновые остатки могут находиться лишь в отрицательных конформациях, приобретение положительных конформаций этими остатками маловероятно. Достоверность этого вывода можно проверять экспериментально, путем компьютерного анализа конформаций аминокислотных остатков встречаемых в кристаллических структурах глобулярных белков. Такой анализ нами был проведен.
Использовали данные банка о трехмерных структурах белков (PDB; версия 1990г.). Из банка отобрали файлы, которые содержали координаты атомов расшифрованных при разрешении 2Е и лучше белковых структур (всего 185). Белки принадлежали различным классам или типам по функциональным и семейственным отношениям: транспорта электрона, транспорта кислорода, медьсодержащие, нуклеазы, токсины, флавопротеины, ферросеропротеины, иммуноглобулины, лизоцимы, кальцийсвязывающие, ингибиторы, металлогидролазы, протеиназы, лиазы, зимогены, комплексы ферментов, и др. Из файлов PDB выбрали координаты атомов и вычислили длины валентных связей, валентные и двугранные углы для дальнейшей обработки. Обработку данных PDB и необходимые вычисления проводили с использованием собственных алгоритмов и программ.
Предварительные результаты обработки PDB. Прежде всего сравнивали полярности (знаки) конформационного угла ц неглициновых остатков и угла щ пептидной связи между всеми остатками, эквивалентные в структурах различных состояний того же белка, а также в идентичных субъединицах олигомерных белков. Наиболее заметные результаты следующие.
А. В белковой структуре не приводит к изменению полярности конформации по углу ц неглициновых остатков и по углу щ всех пептидных связей изменение функционального состояния (связывание лигандов, кофакторов, ингибиторов), условий кристаллизации и кристаллической формы белка, кристаллизационной среды и pH, а также мутации белка.
Б. Не меняются полярности угла ц неглициновых остатков и всех пептидных связей, эквивалентных в структурах белка выделенного из различных источников и идентичных субъединиц белка.
В. По мере увеличения разрешения и улучшения качества расшифровки, в структуре белка уменьшается число неглициновых остатков в положительной конформации.
Учитывая эти результаты, из 185 структур мы отобрали: наиболее точную структуру среди различных структур того же белка, структуру одного представителя различных лигандных, функциональных и мутантных состояний того же белка, а также белка выделенного из различных источников, структуру одной субъединицы из идентичных субъединиц белка. Число отобранных структур для дальнейшего анализа составило 81.
Анализ распределения конформаций аминокислотных остатков в белковых структурах. Общее число аминокислотных остатков в 81 структуре (без учета концевых остатков белковых цепей) составило 14706. В соответствии со сделанным из анализа ППЭ пептидов выводом, конформации глициновых и неглициновых остатков анализировали отдельно. Соответствующие карты распределения представлены на рис.5.
Рис.5. Карты распределения конформаций глициновых (слева) и неглициновых (справа) остатков в 81 белковой структуре (Башаров 1997).
В 81 структуре из 1371 глициновых остатков в положительной конформации находятся 798 (58,3%). Число неглициновых остатков и их относительная встречаемость в положительных конформациях в каждой структуре приведены в табл.4. Суммарное число неглициновых остатков во всех структурах составило 13335, из которых в положительных конформациях находятся 507 (3,8%). В 30-и структурах доля неглициновых остатков в положительных конформациях составляет не более 2%, в 12-и структурах - не более 1%. В семи структурах неглициновые остатки в положительной конформации не встречаются (табл.4).
Представленные данные о достаточно низкой встречаемости неглициновых остатков в положительных конформациях в белковых структурах, по нашему мнению, свидетельствуют об энергетической невыгодности этих конформаций, а также о наличии значительного БВВ вокруг связей NCб белков, и таким образом, указывают на правдоподобность сделанного нами из расчетов ППЭ пептидов вывода. Более того, детальный анализ показал, что белковые структуры, в которых в положительных конформациях относительно много неглициновых остатков, далеки от совершенства, и что координаты атомов многих из таких остатков определены плохо. Эти вопросы обсуждаются в следующих параграфах.
Белковые структуры с серьезными ошибками. Из представленных в табл.4 структур выберем те, в которых доля неглициновых остатков в положительных конформациях составляет 7,6% и более (т.е. в два и более раза больше их средней встречаемости). Таких оказалось девять: 1HDS (разрешение 1,98Е, относительная встречаемость неглициновых остатков в положительных конформациях 8,1%), 3FAB (2Е, 12,5%), 1ACX (2Е, 9,8%), 1NXB (1,38Е, 10,9%), 3WGA (1,8Е, 8,7%), 1RNS (2Е, 8,5%), 2SNS (1,5Е, 13,1%), 2SOD (2Е, 8,1%) и 4LDG (2Е, 10,9%). Их анализировали более детально.
Табл.4. Встречаемости неглициновых остатков в положительной конформации в 81 структуре
|
а б в г д е а б в г д е а б в г д е |
|
|
1ECA 134 123 0 0.0 1 2LHB 147 141 1 0.7 0 4HHB 283 263 2 0.8 1 |
|
|
1HDS 564 520 42 8.1 30 1LH1 151 145 2 1.4 0 1HMQ 111 106 2 1.9 1 |
|
|
1MBO 151 141 2 1.4 0 1CCR 109 98 1 1.0 0 2CCY 125 115 2 1.7 0 |
|
|
3CYT 101 89 0 0.0 0 2C2C 110 102 3 2.9 0 351C 80 73 1 1.4 0 |
|
|
2B5C 83 77 2 2.6 0 2CDV 105 95 1 1.1 0 1AZA 127 115 3 2.6 0 |
|
|
1PAZ 118 110 4 3.6 1 1PCY 97 87 0 0.0 2 4FD1 104 101 7 6.9 0 |
|
|
1FDX 52 48 3 6.3 0 3RXN 50 45 2 4.4 1 1HIP 83 78 2 2.6 0 |
|
|
4FXN 136 122 5 4.1 0 1FX1 145 127 5 3.9 0 1CPV 106 98 4 4.1 0 |
|
|
1ICB 73 68 0 0.0 0 5TNC 159 146 2 1.4 0 1FB4 441 401 17 4.2 3 |
|
|
3FAB 424 392 49 12.5 2 1REI 105 97 3 3.1 2 2RHE 112 99 4 4.0 0 |
|
|
1INS 47 44 0 0.0 1 1PPT 34 33 1 3.0 0 2OVO 54 50 2 4.0 1 |
|
|
4PTI 56 50 1 2.0 0 2CI2 63 61 2 3.3 0 1ACX 105 92 9 9.8 0 |
|
|
1MLT 24 22 0 0.0 0 2EBX 60 55 2 3.6 0 1SN3 63 54 2 3.7 1 |
|
|
1NXB 60 55 6 10.9 4 2CNA 265 246 10 4.1 0 3WGA 169 127 11 8.7 0 |
|
|
1UBQ 74 69 3 4.3 0 1CRN 44 40 0 0.0 0 2PAB 112 105 3 2.8 0 |
|
|
1GCR 172 159 9 5.7 0 2WRP 102 97 1 1.0 0 6LYZ 127 115 6 5.2 0 |
|
|
1LZ1 128 117 7 6.0 0 2LZM 162 151 2 1.3 0 2SNS 139 130 17 13.1 1 |
|
|
1RSM 122 119 1 0.8 2 1RNS 120 117 10 8.5 2 1RNT 102 90 3 3.3 2 |
|
|
5CPA 305 282 5 1.8 3 3TLN 314 278 16 5.8 1 9PAP 210 182 3 1.6 1 |
|
|
2ALP 196 165 4 2.4 1 2APR 323 276 3 1.1 2 2ACT 216 188 7 3.7 1 |
|
|
2APP 321 281 6 2.1 2 5CHA 231 209 8 3.8 0 2CGA 243 220 7 3.2 0 |
|
|
3RP2 222 204 8 3.9 1 3EST 238 213 5 2.3 0 2PKA 228 206 7 3.4 2 |
|
|
2PRK 277 244 8 3.3 1 1TON 224 204 7 3.4 1 2SGA 179 147 4 2.7 1 |
|
|
1TGN 220 195 7 3.6 0 1CSE 333 295 5 1.7 2 2CAB 254 238 4 1.7 2 |
|
|
2CTS 435 402 5 1.2 0 1GD1 331 308 7 2.3 0 1GP1 180 166 3 1.8 2 |
|
|
2CYP 291 267 7 2.6 0 3GRS 459 418 12 2.9 2 3DFR 160 150 3 2.0 2 |
|
|
2CPP 403 378 4 1.1 3 4LDG 327 303 33 10.9 0 2SOD 596 496 40 8.1 0 |
Примечание. Графы а - e обозначают соответственно: код белка в банке белковых структур, общее число аминокислотных остатков в структуре (без учета концевых), общее число неглициновых остатков, число неглициновых остатков в положительных конформациях, относительное число неглициновых остатков в положительных конформациях, количество цис- пептидных связей.
Анализ расстояний между валентно несвязанными атомами. Вычисляли эти расстояния и сравнивали их с уменьшенными на 0,5Е значениями стандартных наименьших контактных расстояний между соответствующими атомами. Межатомные расстояния, которые оказывались меньше выбранных для сравнения значений, считали аномально короткими. В результате анализа мы обнаружили 45 аномально коротких расстояний в структуре 1HDS, 233 - FAB, 21 - 1ACX, 11 -1NXB, 4 - 1RNS, 92 - 2SOD, 62 - 4LDG. В структурах 2SNS и 3WGA аномально короткие межатомные расстояния обнаружено не было.
Анализ валентных связей и валентных углов. Вычисленные длины валентных связей и валентные углы главной цепи белков сравнивали с их стандартными значениями. Считали их аномальными, если валентные связи отклонялись от стандартных более чем на 0,35Е, а углы более чем на 20о. Было выявлено в структуре 1HDS 215 аномальных валентных связей, а 1NXB и 1RNS по две. В 1HDS 126 валентных связей главной цепи отклоняются от стандартных более чем на 0,4Е, а 42 - более чем на 0,5Е. В структуре 1HDS имеется 480 аномальных валентных углов, 2SOD - 38, 3FAB - 2, NXB - 18, RNS - 5, 4LDG - 6. В 1HDS 160 валентных углов отклоняются от соответствующих стандартных более чем на 30o, а 71 - более чем на 40o. В структуре 2SOD таких углов имеются соответственно 10 и 3.
Сравнение полярности угла ц эквивалентных остатков в идентичных субъединицах 1HDS и 2SOD. Анализ показал, что в четырех идентичных субъединицах 2SOD из 40 неглициновых остатков в положительных конформациях только восемь составляют эквивалентную пару, по два остатка в каждой субъединице. В 1HDS из 45 остатков в положительных конформациях в двух идентичных парах субъединиц только четыре оказались эквивалентными (по одному остатку в каждой идентичной паре).
Цис-пептидные связи в 1HDS. Среди представленных в табл.4 структура 1HDS (гемоглобин лани) единственная, в которой в цис- конформации много пептидных связей (30). В тоже время в структуре других гемоглобинов - человека (4HHB) и лошади (2MHB), несмотря на высокую гомологию в первичной структуре, имеется всего одна цис- пептидная связь.
Хиральность остатков. Результаты анализа показали, что остатки Phe-33 первой, Val-112 второй и Asp-116 четвертой субъединицы 1HDS, Arg-1, Lys-51 и Glu-56 1NXB, как ни странно, находятся в D-изомерной форме.
Представленные выше данные свидетельствуют о наличии серьезных ошибок в структурах 1HDS, 1NXB и 2SOD. Относительно остальных шести структур можно отметить следующее. По заметкам авторов расшифровавших структуру 3FAB, она определена неточно и может содержать ошибки (Saul et al,1978,JBiolChem,253,585). В структуре 4LDG мы обнаружили заметное количество аномально коротких межатомных расстояний и аномальных валентных углов (см. выше). Сравнение этой структуры лактатдегидрогеназы с опубликованной в литературе новой уточненной структурой показало, что . вместо 34 неглициновых остатков в положительных конформациях в старой структуре, в новой их всего 16. Структура нуклеазы 2SNS уточнена при достаточно высоком (1,54Е) разрешении и в ней неглициновых остатков в положительных конформациях 17. Таких остатков в новой структуре оказалось всего 7. При анализе литературы мы обнаружили, что структура 1RNS несовершенна также: по заметке авторов «структура лишена точности». Что касается 1ACX, помимо указанных выше ошибок, авторы отмечают, что координаты атомов получены в промежуточном этапе уточнения.
Итак, результаты анализа девяти белковых структур, в которых относительно много неглициновых остатков в положительных конформациях, показывают, что восемь из них (1HDS, 3FAB, 1ACX, 1NXB, 1RNS, 2SNS, 2SOD, 4LDG) содержат ошибки. Эти структуры мы исключили из дальнейшего анализа. Что касается девятой структуры - 3WGA, из 11 неглициновых остатков в положительных конформациях восемь по два находятся в четырех гомологичных доменах молекулы. Таким образом, наличие в белковой структуре относительно много неглициновых остатков в положительной конформации оказалось простым показателем несовершенства этой структуры. Неглициновые остатки в положительных конформациях в остальных 73 структурах анализировали также.
Отрицательные конформации неглициновых остатков в белках. Карты распределения конформаций глициновых и неглициновых остатков в 73 структурах представлены на рис.5. Сравнивая эти карты с аналогичными картами на рис.4 для 81 структуры визуально, можно убедиться в том, что они заметно “чистые”: распределение конформаций остатков в отдельных областях более компактное и «резкое». Доля неглициновых остатков в положительных конформациях в 73 структурах составила 2,7% - 301 остатка из 11230, по сравнению с 3,8% в 81 структуре. Встречаемости каждого из 20 канонических аминокислотных остатков в положительных конформациях в 81 и 73 структурах приведены в табл.5.
Рис. 5. Карты Рамачандрана глициновых (а) и неглициновых (б) остатков в 73 белковых структурах (Башаров 1997).
Далее мы анализировали каждого из 301 неглицинового остатка в положительной конформации отдельно, путем инспекции их молекулярной геометрии на корректность. Длины валентных связей и валентные углы основной цепи остатков сравнивали со стандартными общепринятыми значениями соответствующих величин. Остатки, для которых рассчитанные из структурных данных наблюдаемые значения отклонялись от стандартных более чем на 0,2Е для валентных связей, 7o для угла NCбC и 5o для остальных валентных углов, и пептидных связей от планарности более чем на 15o, классифицировали как с некорректной молекулярной геометрией. Таких остатков оказалось 46. Конформация 13 других остатков, по меньшей мере, попадала в запрещенные области конформационной карты.
Табл.5. Встречаемости 20 канонических аминокислотных остатков в положительных конформациях в 81 и 73 белковых структурах
|
а б в |
|
|
1 2 3 1 2 3 1 2 3 |
|
|
Trp 218 1 0,46 196 0 0,0 196 0 0,0 |
|
|
Pro 654 4 0,61 548 2 0,36 546 0 0,0 |
|
|
Val 1109 12 1,08 895 5 0,56 890 0 0,0 |
|
|
Ile 672 6 0,89 593 4 0,67 591 2 0,34 |
|
|
Thr 962 23 2,39 795 7 0,88 788 0 0,0 |
|
|
Leu 1115 26 2,33 920 12 1,30 911 3 0,33 |
|
|
Phe 533 8 1,50 454 7 1,54 450 3 0,67 |
|
|
Met 228 5 2,19 200 4 2,00 199 3 1,51 ... |
Подобные документы
Зависимость сил взаимодействия между молекулами от расстояния между ними. Взаимодействие агрегатных состояний вещества, характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах. Закон трех взаимодействий (активной, пассивной и нейтрализующей сил).
контрольная работа [29,1 K], добавлен 11.10.2010Отличия ДНК-белковых от РНК-белковых взаимодействий. Ранние представления об РНК-белковых взаимодействиях. Современные методы исследования РНК-белковых взаимодействий. Биохимические методы. Физические методы. Метод молекулярного замещения.
курсовая работа [43,5 K], добавлен 16.12.2002Характеристика зависимости сил взаимодействия между молекулами от расстояния между ними. Ввзаимодействие агрегатных состояний вещества. Закон трех взаимодействий. Отражение трех первоначал Творения Вселенной. Активная, пассивная и нейтрализующая сила.
контрольная работа [28,2 K], добавлен 30.09.2010Исследование ионобменной хроматографии (разделения молекул на основании ионных взаимодействий). Подвижная и неподвижная фазы. Катионная и анионная ионообменная хроматография. Хроматографическое фракционирование белков. Выбор условий хроматографии.
реферат [107,1 K], добавлен 13.12.2009Биосинтез как направление телесно-ориентированной (соматической) психотерапии. Происхождение жизни в ее современной клеточной форме, возникновение механизма наследуемого биосинтеза белков. Рибонуклеиновые кислоты, эволюция и специализация молекул РНК.
реферат [588,5 K], добавлен 07.06.2010Функции биологических мембран и их компонентов. Спектроскопические методы измерения скорости вращения липидов и белков внутри мембраны и скорости латеральной диффузии этих компонентов в плоскости мембраны. Использование спиновых или флуоресцентных зондов.
реферат [1,6 M], добавлен 01.08.2009Изображение улитки, соответствующее резонансной теории слуха Гельмгольца. Перемещение эндолифмы в канале улитки. Кортиев орган и его строение. Схема вестибулярных рецепторов. Кровоснабжение внутреннего уха. Функции наружного, среднего и внутреннего уха.
презентация [8,8 M], добавлен 29.10.2017Аминокислотный состав белков в организмах, роль генетического кода. Комбинации из 20 стандартных аминокислот. Выделение белков в отдельный класс биологических молекул. Гидрофильные и гидрофобные белки. Принцип построения белков, уровень их организации.
творческая работа [765,3 K], добавлен 08.11.2009Использование трансгенных организмов: изучение роли определенных генов и белков; получение новых сортов растений и пород животных; в биотехнологическом производстве плазмид и белков. Выведение флуоресцентных свиней и генетический модифицированных кошек.
презентация [676,7 K], добавлен 25.12.2012Классификация процессов метаболизма и обмена. Виды организмов по различиям обменных процессов, методы их изучения. Метод учета веществ поступивших и выделившихся из организма на примере азотистого обмена. Основные функции и источники белков для организма.
презентация [3,8 M], добавлен 12.01.2014Лизосомы как гетерогенные органеллы, разнообразие их форм и типов, роль и значение в организме. Механизм транспорта молекул в лизосомы и зависимость данного процесса от источника молекул. Этапы образования лизосом. Механизм узнавания лизосомных белков.
реферат [13,7 K], добавлен 25.11.2010Анализ белковых веществ. Определение количества белков в тканях по содержанию в них общего азота. Молекулярный вес белков. Цифры, характеризующие молекулярные вес. Форма белковых молекул, их растворимость. Первые исследования о составе белковых веществ.
реферат [86,3 K], добавлен 24.03.2009Понятие и структура белков, аминокислоты как их мономеры. Классификация и разновидности аминокислот, характер пептидной связи. Уровни организации белковой молекулы. Химические и физические свойства белков, методы их анализа и выполняемые функции.
презентация [5,0 M], добавлен 14.04.2014Физические, биологические и химические свойства белков. Синтез и анализ белков. Определение первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белков. Денатурация, выделение и очистка белков. Использование белков в промышленности и медицине.
реферат [296,5 K], добавлен 10.06.2015Пищевые белки как основной источник аминокислот для человека. Группы аминокислот, которые встречаются в белках организма. Переваривание белков в желудке и кишечнике. Обезвреживание продуктов гниения путем соединения с серной и глюкуроновой кислотами.
презентация [2,5 M], добавлен 28.12.2013Сущность понятий "антигенная детерминанта", "специфичность антигена". Типы антигенных детерминант белков. Структура и антигенная специфичность гаптенов. Общая структурная характеристика молекул иммуноглобулинов. Аминокислоты, входящие в состав белков.
контрольная работа [115,8 K], добавлен 19.09.2009Обзор особенностей получения и анализа информации об изменениях условий внешней и внутренней среды нервной системой. Исследование внешнего и внутреннего строения глаза. Функции рецепторной, периферической и проводниковой частей зрительного анализатора.
презентация [4,8 M], добавлен 12.03.2013Функции обмена веществ в организме: обеспечение органов и систем энергией, вырабатываемой при расщеплении пищевых веществ; превращение молекул пищевых продуктов в строительные блоки; образование нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других компонентов.
реферат [28,0 K], добавлен 20.01.2009Роль ДНК при хранении и передаче генетической информации в живых организмах. Основные свойства нуклеиновых кислот. Рентгеноструктурный анализ молекул ДНК. Исследование пространственной структуры белков. Создание трёхмерной модели ДНК Криком-Уотсоном.
презентация [2,0 M], добавлен 14.12.2011Ультраструктура биологических и молекулярное строение цитоплазматических мембран, их основные функции. Физическая природа сил взаимодействия белков и липидов в их структурах. Методы изучения и исследования искусственных моделей цитоплазматических мембран.
презентация [68,6 K], добавлен 06.06.2013
