книги из ГПНТБ / Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул

(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

ций вблизи глобального минимума, причем это распределение име­ ет наибольший статистический вес. В противном случае, по мне­ нию Шерага, априорные расчеты были бы практически безна­ дежны.

На самом же деле большинство белков после ренатурации вос­ станавливает далеко не все свои свойства, и если их функцио­ нальная активность сохраняется, то это не означает, что конфор­ мация белка осталась неизменной. Например, в работе 1135] пока­ зано, что во многих белках (аргиназа, гексакиназа, дезоксирибо­ нуклеаза, химотрипсиноген, уреаза, пепсин, лизоцим и др.) про­ цесс денатурации развивается в две стадии, первая из которых соответствует повышенной свободе движения боковых радикалов, а вторая — необратимой перестройке структуры белка. Досто­ верно известно лишь, что один из наиболее спиральных белков — миоглобин — практически полностью восстанавливает все свои физико-химические свойства 1136]. По-видимому, для большин­ ства белков, в особенности тех, в которых нерегулярные участки велики, характерна утрата тех или иных свойств после ренатура­ ции, и потому можно предположить, что их нативная структура отвечает метастабильной конформации, устанавливаемой в про­ цессе синтеза белка на рибосоме.

Означает ли это, что предсказание структуры таких белков — безнадежная задача? Надо думать, что нет, поскольку критерии, найденные на основании исследования взаимодействий соседних пептидных единиц, не только облегчают эту задачу, но могут сде­ лать ее даже более простой, чем нахождение глобального экстре­ мума. Мысль о том, что пространственная структура формируется по мере выхода белка с рибосомы, неоднократно высказывалась 1137, 138], а Филлипс [113] умозрительно проследил образование пространственной структуры лизоцима, продвигаясь от N-конца к С-концу цепи. Де Коэн [139] даже попытался применить этот принцип к построению полипептидной цепи и, проведя расчеты с потенциалами Ликвори, нашел, что цепь, состоящая из шести остатков, приобретает вполне устойчивую конформацию, такую, что дальнейшее наращивание пептидных звеньев уже не возмуща­ ет ее. Таким образом, любой белок в принципе можно было бы сло­ жить из «замороженных» гексапептидов и тем самым найти его пространственную структуру.

Однако аргументация Де Коэна представляется сомнительной. Как уже было показано, неопределенности, связанные с выбором конформаций отдельных остатков, и «расплывание» на больших расстояниях приводят к тому, что главную роль в формировании пространственной структуры белка начинают играть гидрофоб­ ные взаимодействия. Если предположить, что только эти взаимо­ действия формируют пространственную структуру, то для поиска оптимальной конформации необходим совершенно иной критерий. Тогда молекулу белка, грубо говоря, можно представить в виде бус, в которых более или менее случайно разбросаны белые и чер.

394

ные бусинки, соответствующие гидрофильным и гидрофобным ос­ таткам. Решение оптимальной задачи в этом случае сводится к на­ хождению такой пространственной структуры, в которой возмож­ но большее число белых бусинок находится на поверхности гло­ булы, а возможно большее число черных — внутри и в контакте друг с другом. Конечно, имея в виду формирование пространст­ венной структуры с N-конца, требуется найти соответствующее метастабильное состояние. Эта задача совсем не так проста, посколь­ ку для ее решения требуется математически сформулировать кри­ терии «снаружи» и «внутри», учесть эффекты объема остатков и найти подходящие алгоритмы для вычисления функции и оптими­ зации (для этой цели, вероятно, будут очень полезны комбинатор­ ные методы и методы дискретного программирования).

На самом деле в формировании пространственной структуры белка, по-видимому, участвуют оба механизма — с одной сторо­ ны, стремление каждого аминокислотного остатка (как пептид­ ной единицы) сохранить свойственную ему конформацию (при этом формируется вторичная структура, состоящая из спиралей, {5-структур и нерегулярных участков), а с другой стороны — та­ кие взаимодействия отдельных участков вторичной структуры, ко­ торые приводят к выполнению оптимальных условий для гидро­ фобных сил. Вот почему в этой области создалась такая редкая для науки ситуация, когда имеется эксперимент, но нет ни одной конструктивной теории, которая могла бы его объяснить и пред­ сказать.

4.В г a n t D. A., F 1 о г у P. J., J. Am. Chem. Soc., 1965, v. 87, p. 663, 2791.

p.2091.

11.О о i T. e. a., J. Am. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 5680.

12.О о i T. e. a., J. Chem. Phys., 1967, v. 46, p. 4410.

395

24.IUPAC — IVB Commission on Biochemical Nomenclature, «Biochemi­ stry», 1970, v. 9, p. 3471.

25.Х а г г и с Дж. и др. Введение в молекулярную биологию. Пер. с англ. Под ред. В. О. Шпикитера. М., «Мир», 1967.

p.397.

396

v.270, p. 1396.

87.R u d a 1 1 К- M. In: Comparative Biochemistry. V. 4. Ed. by M. Florkin, H. S. Masen. New York. Academic Press, 1962.

397

100.R a m a c h a n d r a n G. N. In: Treatise on Collagen. V. 1. Ed. by G. N. Ramachandran. New York, Academic Press, 1967.

p.484.

p. 697.

122.В 1 о u t E. R. e. a., J. Am. Chem. Soc., 1960, v. 82, p. 3787.

398

Г ЛАВА 9

КОНФОРМАЦИИ СИНТЕТИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ

В 1953 г. Уотсон и Крик, проанализировав рентгенограммы, про­ странственные модели и имевшуюся к тому времени химическую информацию, установили структуру ДНКМолекулы ДНК боль­ шинства организмов представляют собой две комплементарные полинуклеотидные цепи.

Несмотря на то, что от работы Уотсона и Крика нас отделяют всего лишь два десятилетия, представления о ДНК, как о двой­ ной спирали, давно уже стали классическими. Последующие фи­ зико-химические исследования нуклеиновых кислот и их компо­ нентов, в том числе рентгеноструктурные исследования, подтвер­ дили эти представления, однако в то же время они дали много нового для понимания биологических функций нуклеиновых кис­ лот, и притом именно на уровне стереохимии.

Открытие Уотсона и Крика касается только двухтяжевых ну­ клеиновых кислот. Вместе с тем в некоторых фагах были найдены однотяжевые ДНК, что следует хотя бы из того факта, что в этих макромолекулах содержание аденина не равно содержанию тими­ на, а содержание гуанина — содержанию цитозина 11]. Существо­ вание РНК в однотяжевой форме общеизвестно [2]. Особый ин­ терес представляет проблема конформаций тРН К — однотяжевых полинуклеотидов, состоящих из 75—85 мономерных единиц и играющих важнейшую роль в механизме синтеза белка на рибо­ соме [3]. Следовательно, вопрос о конформациях одногяжевых по­ линуклеотидов важен не только для понимания строения и функ­ ции «обычных» нуклеиновых кислот, но имеет и самостоятельное значение.

В этой главе рассмотрены три аспекта конформаций синтети­ ческих и природных полинуклеотидов (нуклеиновых кислот): 1) выявление строения наименьших структурных элементов и роль их в определении конформации макромолекулы; 2) выявление конформаций однотяжевых полинуклеотидов и условий, влияю­ щих на изменение этих конформаций; 3) структурные данные по двухтяжевым полинуклеотидам и возможность их теоретической интерпретации.

Заранее отметим, что как в однотяжевых, так и двухтяжевых полинуклеотидах, начиная с динуклеозидфосфатов, обычные си­

400