Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственная структура пептидов СНА и их аналогов

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Пространственная структура пептидов СНА и их аналогов"

' ( л

\ 'л 5' 1995

[Г '1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАр&НИЯ АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

к»1' л»:;? ♦ '

БАКИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.Э.РАСУЛЗАДЕ

На. правах рукописи

АБВАСШ РЕНА МАДАТ КЫЗЫ

УДК 547.962: 541.63

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПЕПТИДОВ СНА И ИХ АНАЛОГОВ

03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Баку - 1995

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории "Молекулярной биофизики" Бакинского Государственного Университета им. М.Э.Расулзаде.

Научные руководители:

Кандидат физико-математических наук, профессор Годяавв Н.У. Доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Ахмедов Я. А

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор Дкафаров А Я. Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Юсифов 3. Ю.

Ведущая организация:

Институт генетики и селекции Академии Наук Азербайджана

Защита состоится "77 " ьИ&^ьЛл^б^Л д95 года в

часов на заседании Специализированного Совета Н 054.03.05 в Бакинском Государственном Университете им. М.Э.Расулзаде по адресу: 370073, Баку 73, ул.З. Халилова, 23

С диссертацией можно ознакомиться в.библиотеке Бакинского Государственного Университета им. М.Э.Расулзаде

Автореферат

разослан года

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор Физико-математических наук

Гасымов О.К.

Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена исследованию структурной организации Дельта-Сон Индуцирующего Пептида и антиметаболического фактора, выделенного из мозга двоякодышащей рыбы "Ргогор1егиз аппесЮпа" и конструированию их искусственных аналогов, пространственная структура которых в своей совокупности отвечает набору низкоэнергетических, физиологически активных конформаций. Поставленная задача решена применением метода теоретического конформационного анализа. Потенциальная энергия молекулы представлена в виде суммы слагаемых энергии взаимодействий валентно несвязанных атомов, электростатических, торсионных взаимодействий и водородной связи. Для поиска минимума потенциальной энергии применялся метод сопряженных градиентов. В расчетах была использована, разработанная в проблемной лаборатории "Молекулярная биофизика" Бакинского Государственного Университета им.М.Э.Расулзаде, универсальная программа, написанная на алгоритмическом языке "ФОИ'РАН". Расчеты проводились на электронно-вычислительных машинах БЗСМ-6, ЕС-1033, ЕС-1022 и компьютерах.

Актуальность темы. Изучение механизма функционирования и биологической активности природных пептидов, требует знания пространственной структуры и конформационных возможностей взаимодействующих молекул. Чисто экспериментальное исследование пространственного строения олкготаптидоз, до сих пор встречается со значительными трудностями.Это связано с тем, что эти сведения, как правило, являются сложными объектами для расшифровки их структуры на атомном уровне с помощью спектральных и резонансных методов, а также прямого метода рентгеноструктурного анализа. С другой стороны, они сравнительно низкомолекулярны, для них оказывается малоэффективным метод изоморфного замещения, использующийся в рентгеноструктурном исследовании белков. Поэтому становится особенно актуальным привлечение к решению структурной проблемы природных пептидов метод теоретического конформационного анализа. Этот метод позволяет не только определить пространственное строение олигопептидов, но и дает необходимую для последующего изучения их функционирования информацию о потенциальной способности молекул к изменению своих конформационных состояний, Установление конформационных

возможностей пептидных, молекул позволяет перейти к проблеме структурно-функциональной организации молекул этого класса. Решение этой пробломы требует априорного нахождения химически* модификаций, приводящих к выделению той или иной спектральной для соответствующей функции природного пептида конформаций.

Цель работы. Цель диссертационной работы заключалась г установлении пространственной структуры и конформациошш возможностей двух сон индуцирующих пептидов, состоящих из девяти и одиннадцати аминокислотных остатков и конструирование их искусственных аналогов, пространственная структура которых е своей совокупности отвечает набору низкоэнергетических, физиологически активных,конформаций.

Научная новизна ' Впервые проведен теоретический конформационный анализ Дельта-Сон' Индуцирующего Пептида и актиметаОолического фактора, выделенного из ■ мозга двоякодышащей рыбы "Рго1;ор1;егиз аппесгепа", состоящих соответственно из девяти и одиннадцати аминокислотных остатков, получен полный набор энергетических и геометрических параметров этих молекул. Впервые теоретическим путем выяснено влияние аминокислотных замен на пространственное строение и ковформационные возможности сон стимулирующих пептидов, выявлена структурно-функциональная взаимосвязь в ряде этих соединений, Предложены искусственные аналоги сон стимулирующих пептидов.пространственное строение которых в своей совокупности отвечает набору стабильных конформаций щшродных молекул.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе данные о пространственном строении и возможных конформациошшх переходах сон стимулирующих молекул могут быть использованы при изучении молекулярных основ механизма функционирования исследованных молекул. Результаты исследования взаимосвязи конформациотшх свойств и биологической активности сои стимулирующих пептидов позволяют предсказать возможные модификации аминокислотной последовательности этих молекул, что может быть полезным при направленном синтезе аналогов сон стимулирующих пептидов, обладающих заданными фармакологическими свойствами. Полученные в диссертации данные подтверждают, чт теоретический подход должен 'быть основой для исследования структурно-функциональной организации пептидных молекул.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Расчет пространственной структуры Дельта-Сон Индуцирующего Пептида и антиметаболического фактора, выделенного из мозга двоякодышащей рыбы "Рго1;ор1егиз аппесгепз" -

2. Теоретическое моделирование искусственных аналогов сон стимулирующих пептидов, пространственная структура которых в своей совокупности отвечает набору стабильных конформаций этих молекул.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на V,VI,VII Всесоюзных симпозиумах по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Алма-Ата,1980 г., Вильнюс, 1982 г., Пущино, 1985 г.); V Всесоюзном симпозиуме по химии и" физике белков и пептидов (Баку, 1980 г.); Республиканской конференции молодых ученых по физико-химической биологии ( Баку, 1981 г.);1 Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, .1982 г.); Всесоюзномсимггозиуме "Система мозговых и внемозговых пептидов"(Ленинград, 1984 г.); VI Симпозиуме по конформационннм изменениям биополимеров в растворах ( Тбилиси, 1985 г.); Всесоюзной научной конференции "Актуальные Еопросы физиологии и патологии сна" ( Москва 1985 г.) I Республиканской биохимической конференции ( Боку, 1990 г.), Научной.конференции аспирантов и молодых специалистов ( Баку, 1994 г.).

Публикация Основное содержание диссертации изложено в 17 публикациях,

Структура и объем диссертации. Диссертационная, работа изложена на 127 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и выводов,. содержит 9 рисунков, 23 таблицы и список цитированной литературы, включающий 109 наименований.

■ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ &о ¿ведении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность и практическая ценность, формулируются цели и ' задачи исследования, приводится краткое изложение диссертационной работы и выносимые на защиту положения.

В первой главе описан подход к расчету стабильных

конформаций и олигопептидов, роль ближних, средних и далып взаимодействий при формировании пространствошшх структ олигопептидов, проблема структурно-функциональной организм пептидов,обратная структурная задача пептидов, классифши пептидных структур и метод теоретического конформациош анализа.

Учитывая специфику пептидных соедине!

потенциальная энергия системы представлено в следующем виде: '

Е=Енев:+Еторс.+Еэл.+Евс.' гда ЕН0В - энергия взаимодействия валентно несвязанных атол

ЕТОрС.- торсионная _ энергия, Еэл -зне{

электростатических взаимодействий, Евс -энергия водородной ci

Энергия взаимодействия валентно несвязанных атомов рассчитан

помощью потенциала Леннарда-Джонсона "6-12", предложенные Скот

и Шерагой эмпирические параметры А и В, успешно апробирова*

при расчете конформаций целых классов олигопептидов.

где г - расстояние между атомами. Торсионные потенциЕ величины барьеров взяты из работы Момани и Шераги. У^ энергии электростатических взаимодействий производился монопольном приближении по формуле =е. е./Ег. . где е. ,е

. 1 J 1J , X

величины точечных зарядов, г^-расстояние между атомами. Учить донорно-пкцепторную природу водородной связи, ее потенциал! функция апроксимирована кривой Морзе:

евс= dc1-exp(-n г)]2~0, где В- энергия диссоциации водородной св? п -эмпирический параметр, г=г-г0, г0-рошовесная длина водорс связи, г-росстоянив между атомами.

Расчеты проводились на электронно-вычислитсш машинах КС!-1022. EG-I033 и компьютерах.

Для обозначения конформаций. применена сио идентификаторов, согласно которой конформационное coctoj каждого остатка оределяется через x"-j, где X oпpeдeJ низкоаноргетическую область конформационной карты S'-f, R(' 180 0° J ,В( =-180 - 0°, У=0 - 180°), L (Ч",* =0 - 180°) и F =0-180°, ^=-180-0°), n-номер остатка в последовательности символы 1.J=1.1.....12.... 13....21..., и т.д. отвечают положш боковой цепи ); индекс I соответствует значениям j

в области 0-120°, индекс 2 - области 120 —120°, о индекс 3 в -области 120-0°. Углы У- У' основной цепи в конформациях находятся на сторической карте в низкоэнергетических областях R,B,L,P. Сочетание форм остатков в данной последовательности, образует форму основной цепи фрагмента. Разине формы основной цепи дипептида могут быть разделены на два класса - свернутых i и развернутых е, которые будем называть шейпами. Шойп f представлен свернутиш формами R-R. R-B, B-L, L-L, ß-P, L-P, P-R, R-B, шейп 9- развернутыми формами B-B, B-R, R-L, L-B. R--P, Р Ь, Р-Р. Формы одного шбйпа шеют аналогичный ход пептидной цшш и подобное взаимное расположение боковых и основных цепей. Рее конформяции группируются по формам основной цепи, а формы - по шейпам. Число шейпов у фрагмента из п остатков в общем случае равно ; число форм в каждом шейпо определяется количеством комбинаций K.B.L, и р форм остатков. Число конформавдй каждой формы зависит от природа остатков.

Вторая глава диссретационной работа посвящена исследованию пространственного строения дельта сон индуцирующего пептида. Сон представляет собой сложный процесс, особенно у теплокровных.

Поэтому, прежде чем характеризовывать пептида - регуляторы сна, следует подчеркнуть, что известные многочисленные снотворные агенты вызывают сон или подобные ему состояния, не во всех элементах идентичные нормальному сну. Открытые пептиды сна не являются в этом отношении исключенном. Они танке, вызывают состояния, близкие или идентичные лишь определенным фазам или элементам сна млекопитающих. Однако, принципиальное их отличие от ранее найденных снотворных агентов, состоит в том, что они являются не чужеродными, а собственными регуляторами организма и, следовательно, наиболее физиологичными. Сложность процесса сна теплокровных, позволяет a priori предполагать существование не одного, а целого ряда внутренних регуляторов. Поэтому, хотя сообщения о пептидах сна появились недавно, не вызывают удивления данные о том, что таких пептидов существует по крайней мере несколько, причем они различны по составу (Ашмарин И.П. и др.)

Пока, все выделенные и охарактеризованные олигопептиды сна являются индукторами изменений активности мозга, характерной для так называемого, ортодоксального, мвдлегаюволнового сна.

Помимо значительного снижения психической и общей двигательной активности, замедления сердечных сокращений и дыхания, а такжо целого ряда других состояний активности, характерных для бодрствующего животного, особенно надежными, постоянно регистрируемыми показателями ■ ортодоксального сна, служат изменения электроэнцефалограммы. Они выражаются в синхронизации биоэлектрической активности', появлении веретенообразных по форме групп волн и главное, в нарастании доли медленных волн (с частотой 0,5-4 гц)с относительно большой амплитудой - так называемых дельта-волн. Заметим, что и ортодоксальный сон не является однородным и состоит из нескольких фаз, различающихся, в частности, по доле, длине ; и амплитуде дельта-волн (Латаш Л.П:,Карманова И.Г.). Шонебергом и Монье выделено из диализатов крови кроликов, у которых- гипногенные области таламуса, подвергались электрической стимуляции, особого нонатоптида -Тгр-Л1а-С1у-С1у-Азр-А1а-8ег-01у-С1и, который, после введения другим кроликам, вызывал- ряд проявлений ортодоксального сна. Особенно характерным, было появление большого числа веретенообразных волн и дельта-волн, весьма значительной длины и амплитуды. Именно, .индикация дельта-волн побудила авторов назвать этот фактор "Дельта-Сон Индуцирующий Пептид" (ДСИП) (Бс1юепепЬег£ег Э •) •

ДСШ или ДСИП-подобные пептиды, в свободном и связанном виде, широко распространены в мозге лабораторных животных, а также присутствуют в различных органах и тканях, и жидких средах организма животных и человека. Изучение их функциональной роли только начинается; предполагается, что эти пептиды принимают участие в разнообразных физиологических реакциях - стрессорньгх, иммунных, в регуляции внутрисуточной ритмики (КовальзонВ.М., Мопп1ег М-) • Недавно, выделен из мозга двоякодышащей рыбы "Pгotopteгuз алпесгеш" антиметаболический фактор, состоящий из одиннадцати аминокислотных остатков

Бег-Аг£-Уи1-Ьуа-С1п-Уа1-С1у-Бег-Бег-Рго-С1п. Предполагают, что этот фактор - сон вызывающий.

Аминокислотная последовательность (рисЛ) ДСМПа весьма своеобразна. Большая ее часть состоит из остатков, у которых или вообще отсутствует боковая цепь (Иу3,С1у4,С1у8), или она незначительна (AIa^,Ala^,Seг'',) • Остатки С1у,А1а,Бе1

способны встраиваться во все те формы пептидаой цепи, которые обеспечивают данной последовательности сближенность остатков, образующих эффективные стабилизирующие контакты. К таким остаткам в ДСИП относятся Trp1,Asp5,Gln9, имеющие объемные и лабильные боковые цепи. Они могут существенно влиять на поличину конформационной энергии прямым участием r диспироиошшх и электростатических взаимодействиях как между сооой, так и с элементами основной цепи. Положительно заряженный N-концевой остаток Тгр1 и несущий отрицательный заряд остаток A;;pJ разделены конформационно подвижным участком Ala^-Gly^-Gly4 а одноименно заряженные Азр5 и с-концевой остаток Glu9- подвижным участком Ala6-Ser?-Gly8.

Специфика аминокислотной последовательности ДСМПа продиктовала выбор следущей схемы его конформнционного анализа:

TRP1- ALA2- GLY3- GLY4- ASP5- ALA6- SER7- GLY°- GLU9

РисЛ. Схема расчета молекулы ДСИП.

Вначале, были рассмотрены конформационные состояния концевых дипептидных участков Тгр1-А1а2, Gly8-Glu9 и центрального пентапептидного участка Gly3-Ser . Нулевые приближения первого и второго дилептида формировались из низкоэнергетических состояний соответствующих аминокислотных остатков. Расчет

показал,что возникает резкая энергетическая дифференциация по формам основной цепи и по конфэрмациям. Несмотря, на заметную предпочтительность развернутых форм основных цепей, для дальнейшего анализа, наш были оставлены низкоэнергетическиэ представители как развернутых, так и свернутых форм шейпов е и f.

Исходные приближения пентапептида Gly3-Gly^-A3p5-Ala6-Ser7 составлены из R.B форм остатка Gly3, R,B,L,P форм Gly4, R,B,L форм остатков Asp5 (каждая форма при трех состояниях боковой цепи) и Ala6 и B,L форм остатка Бег7. Ориентация боковой цепи Ser7 мало влияет на величину энергии. Расчет пентапептида выполнен при

значении угла Х*=60? который при С-концовом положении Sei несколько предпочтительнее. Составленный, таким образом, набс исходных, приближений, включает 432 структурных варианта, kotoj имеют 144 различных форм основной цепи, принадлежащих 16 шейг пептидного скелета. Результаты расчета Gly3-Ser'' свидетельству о резкой энергетической дифференциации конформаций. Из вес! представительного набора структурных вариантов, сформироваш-только из самых низкоэнергетических монопептидных состояний, интервал 0-4 ккал/моль, попали II конформаций семи шейпс Несмотря на существенную внергетичесскую дифференциащ конформациониых состояний фрагмента Gly^-пептидного скелета окончательный расчет ДСИПа, были включены са\ низкоэнорготические варианты всех 16 шэйпов пентапептида.

На последнем этапе решения конформационной заде

нонапептида, были проанализированы более 300 структурн варианта. Они включали в себя лучшие состояния каждого шей дишптидов Trp1-Ala2, Gly®-Glu^ и пентапептида Gly3~Ser Стыковка конформаций фрагментов осуществлена двумя способами: помощью свернутой и развернутой форм основных цепей граничн участков Ala2-Gly3 HSer^-Gly8. Поэтому, весь набор структурн вариантов ДСИПа, мо-жот быть описан всеми возможными комбинация четырех шейпов участка Тгр1-AIa2-Gly3 (ee,ef,fe,if) 16 шейп Gly3-Gly4-Asp5-Ala6-Ser7 и четырех шейпов Ser7-Gly8-Glu9. Кажд тип структуры фрагмента представлен одним, наибол предпочтительным конформационным состоянием. Только несколь

7 я

шейпов фрагмента Gly -Ser ,были представлены дву низкоэноргетическими состояниями с различными формами основн цепи. Таким образом, более 300 рассмотренных структурных вариан ДСИПа, различались по форме и принадлежали к 256 (максималь возможному числу для нонапептида) шейпам пептидного скеле Найденные при расчете ДСШ девять конформаций восьми различи шейпов пептидного скелета соотносительной энергией от 0 до 10 ккал/моль приведены в табл.1.

Коротко отметим особенности самых предпочтительны конформаций шейпов feifieie (I) и eefeefee (Па), имеющих энорг соответственно 0 и 1,1 ккал/моль, а также конформации ти ieiifee(VI), которая хотя и обладает сравнительно больш энергией (4,5 ккал/моль), но тем не менее должна рассматривать

как, вполне реальная. На рис.2 показаны схематическое изображение их пептидного остова. В псевдоциклической структуре На, сближена N- и С-концевые остатки, несущие противоположные заряда.Боковая цепь Тгр"* ориентирована н последующим остаткам и нависает над участком Ala^-Gly3. Боковая цепь Glu9 взаимодействует с участком Ser^-Glu®. Центральное положение в структуре На занимает остаток Азр^. Энергия, его стабилизирующих

14 со

контактов с участками Тгр -Gly и Ala -Gly равна соответственно -5,4 и -6,8 ккал/моль, а дестабилизирующего контакта с Glu9 - 6,8 ккал/моль.

Тпбл.I.

Относительная энергия конформаций ДСИП и его аналогов.

N КОНФОРМАЦИИ ДСИП D-ALA3 Рго4Рго5 pro1 Val2'8 Asn5 tyr'

I R11RPRR12BR31BB311 0 - 0 4,2 6,7 1,4

I Iq В2 ^ BBLB2 -j RBgoBBgO ^ 1,1 - - 0 - 2,5 0 5,6

IIQ B21BRBB11RB21BB321 6,9 - - 0,1 - 5,4 2,3 5,6

ИХ В2зЬРРИ^ "iВВ21>В^2 1,3 - - - - - 0

IV В2зЬРРВ11ВК11ВВ311 2,0 - 8,0 - - - - -

v r21bbpr21rb32bb321 3,8 1,8 6,0 - 8,8 - 6,7 3,5

vi r21bbpr21rb32bb321 4,5 - - - 4,2 6,5 7,0

vu r21rbbb21rb32bb321 6,5 - - - 5,5 - -

VIIIr21rrpr21rb32bb321 7,2 7,4 — 0 7,5 """

Примечание: - означает, что относительная энергеия данной конформаций больше ю kkal/mol.

Структура типа feffifee(VI) наиболее компактная и лучше всего удовлетворяет дисперсионным межостаточным взаимодействиям. Однако, несущие целочисленные заряды N- и С-концевые остатки последовательности, удалены как друг' от друга, так и от боковой цепи Asp5. Поэтому, в конформации VI, относительно невелик вклад в стабилизацию электростатических взаимодействий. Вследствие свернутого характера основной цепи центрального участка, сближенными в конформации VI оказываются

многие остатки: Тгр1 с Ala6 и Ser7; Ser7с Ala2; С1у3и Gly4; G1 Gly8. Можно ожидать, что в сильно полярных средах или взаимодействии с заряженными грушами рецептора, то есть ослаблении внутримолекулярных электростатических контак! относительная энергия конформации VI понизится и равнове сместится в ее сторону.

Глобальная конформация I ДСИПа наилучшим обре удовлетворяет сразу обоим стабилизирующим факторам дисперсионному и электростатическому. Основная цепь I та преимущественно свернутую форму, что сближает многие остатк делает структуру весьма компактной; энергия дисперсиоь межостаточных взаимодействий в этой конформации лишь нем: уступает соответствующему энергетическому вкладу у се компактной структуры VI. Кроме того, свернутая пептидная цеп обеих сторон экранирована боковыми цепями остатков Тгр1 и G1 которые эффективно взаимодействуют практически со вс остатками. При этом имеет место наилучшая взаимная ориенте остатков Тгр1,Asp5,Glu9 в отношении электростатичес взаимодействий между ними (рисЛ).

Итак, для ДСИПа, стал известен набор предпочтитель конформаций, среди которых имеются состояния, ответственные физиологические функции этого гормона. Тем самым заверк решение прямой структурной задачи. Это лишь начальный и, поже наименее трудоемкий этап всего физиологического исследоваи включающего определение спектра действия ДСИПа, локализацю организме мост, где он синтезируется, накапливается проявляет активность, изучение механизмов его различных функ Для рассмотрения всех этих вопросов на молекулярном ypoi¡ предлагается предварительно, то есть до синтеза, испыта активности и вообще до каких-либо других эксперименталь исследований решить для ДСИПа обратную структурную задачу, значит найти серию аналогов природной аминокислот последовательности, модифицированной различным образом воспроизведения набора низкоэнергетических состояний ДСИПа.

В третьей главе диссертации излагаются результ расчета следующих искусственных аналогов дельта-сон индуцируют пептида: [D-Ala3],[Pro4],[Pro6],t Pro7],t Val2,Val8],[Asn5],ÍТуг [D-Trp7],[Tyr1],[D-Tyr1],[D-Ala2]. Начальными приближениями

расчета всех искусственных аналогов являлись низкоэноргитичоскин варианты ДСИПа, представленные в табл.1.

Расчет показал, что реальными для D-Ala^-ДСИПэ являются дв" конформации, а имешга IV и V (табл.1). Значительное повышение энергии структур 1,Ш вызвано наталкиванием метальной грунт. D-AIa^ на основную цепь Ala6. Снятие этого неблагоприятного контакта сопровождается разрушением многих взаимодействий, стабилизирующих эти структуры. В то же время, в случаях IV и v замена Gly3 на D-Ala3 не только не ослабляет ни один благоприятный контакт, а напротив, несколько усиливает некоторые из них. Включение в пептидную цепь остатки пролина, как известно, приводит к существенному ограничению "" конформационной свободы. Помимо того, что этот остаток не может находиться в L и Р формах, он делает практически невозможным реализацию у предшествующего остатка R формы (если только последний не является Gly). Выполнен конформациошшй анализ следующих трех пролин замещенных аналогов ДСИПа: Pro4, Pro6 ti Pro7 (табл.1).Расчет показал, что включение пролина в четвертое положение приводит к резкой энергетической дифференциации конформаций. У Рго4-аналога выделяется фактически единственная низкоэнергетическоя структура шейпа fefffefe (I), являющая глобальной и у ДСИПа. В связи с этим, такая модификация природной последовательности может быть рекомендована для синтеза и последующего экспериментального изучения, ка- представляющая большой физиологический интерес.

Реальными и равновероятными у Ргоь~аналога являются лишь дь>' конформации На и 116, имеющие разные формы основной цепи, но принадлежащие к одному типу eefeefee (табл.1). При введении pre' вместо Ser7 образуется такая аминокислотная последовательность, у которой из всего набора в принципе вероятных для н(Ч' пространственных форм (I,III-V), низкой энергией обладает лини одно конформационное состояние - I шейпа fefffefe. При изучении физиологических свойств гормона обе модификации (Pro4 » Pro7)могут представить большой и самостоятельный интерес. Первый аналог, сохраняющий все функциональные группы природной молекулы, полезен для идентификации и исследования той части спектра биологического действия ДСЖПа, в проявлении которой актуальна конформации I. Привлечение второго аналога поможет выяснить ро.ч>

боковой цепи Ser7 в реализации функции, требующей такс пространственной организации гормона.

Включение в последовательность сразу двух остатков Val2,8 объемными и негибкими боковыми цепями, существен^ изменило энергетическое распределение конформаций природног нонапептида (табл.1). Ни одно невыгодное состояние ДСИПа не bouij в набор низкоэнергетических конформаций аналога Val2,Val£ Интересно, что пространственная структура VIII, имеющая выделенном для ДСИПа ряду самую высокую энерг? (Еотн.=7,2ккал/моль) становится глобальной у модифицирование последовательности. Оказалось, что оба остатка вал» естественным образом вписываются только в структуру VII существенно не изменяя при этом ее геометрию и следовательно, i разрушая сложившуюся систему взаимодействий, а напротив, образз новые эффективные дисперсионные контакты.

Следующая модификация последовательности ДСИПа замена Asi на Азп5 самая незначительная в стерическом отношении и в то j время наиболее существенная в электронном. Она делает реальны« для Азр5-ДСИПа структуры лишь одного типа eeíeefee среди котор! доминирует конформация На (табл.1).

Аналоги Азп5 и Рго6-ДСИПа могут быть рекомендованы д. изучения физиологической активности природно)

соединения, за которую ответственна конформация шейпа eeíeefee,' есть для изучения иной, чем при использовании D-Ala3,Pro4 и Р: аналогов, части спектра биологического действия гормона.

Замена Ser7 и Туг7 не приводит к заметной энергетическ< дифференциации конформаций. Набор низкоэнергетических состояи аналога Туг7 содержит, почти все те же структурные варианты, ч1 и природная молекула (табл.1). Имеет место лишь некотор изменение порядка их расположения в шкале энергии. Использован тирозиновой модификации в качестве аналога природ» последовательности следует признать нецелесообразным, посколь оно не может привести к получению качественно новых и однознач трактуемых дашшх о физиологических свойствах ДСИПа. На то, ско неудачен для изучения действия гормона был бы выб молекулы Туг7-ДСИПа, результаты теоретического конформационно анализа указывают самым непосредственным образом. К тому выводу пришли В.Т.Иванов и сотр., исследовавшие Раман-спект

- ib

:ерии тирозиновых аналогов,в том числе и Туг^-шюлога ДСИПв.

Пространственные структуры аналогов D-Trp',Tyr1,D-Tyr1 и i-Ala'- - ДСИПа изучены на основе довяти низкоэнерготических форм )сновной цет природной молекулы.

В четвертой главе изложены результаты исследования

гространствешюго строения пептида спячки. Специфика

)минокислотной последовательности антиметаболического фактора

I-Ser1-Arg2-Val3-Lys4Gln5-Val6-Gly7-Ser8-Ser9-Pro1°-Gln11-ОН

I,пептид спячки) внделешюго из фактора двоякодышащей рыбы

Drotopteru3 annectens продиктовала показанную на рис.2 схему

засчето. Сначала на основе стабильных конформаций соответствующих

лонопептидов, изучены коиформоцмоннне возможности Arg^-Lys4,

jys^-Gln^, Ser8-Gln'1. Затем на основе низкоэнергетических

состояний Ser и трипептида Arg^-Lyo3, рассчитан тетрапептид

>ег1-Ьуа4.На основе Arg¿-Lys4 и Lys4-Gln5 - тетрапептид

\rg^-Gln^.Используя результаты конформационного анализа

1/1 '"> ч гетрапептидов Ser -Lys , Arg^-Glrr и монопептида Val, исследовано

пространственная структура N-концового гексапептидного фрагмента

3er1-Val6. Низкоэнергетические конформацт метиламида

Ч-вцетил-Ъ-волина, глицина и тетрапептида Sers-Gln'1 послужили

эсновой изучения С-копцевого гвксопоптида Val^-Gln11. Наконец,

используя полученные данные по гексапептидам Ser1-Val® и

Val6-Glr¡11 формировались исходные приближения для анализа

ггространствонной структуры молекулы.

SER1-MG2-VAL3-LyS4-GLN5-VALü-GLY7-SER8-SER9-PRO10-GLN11.

Рис.2. Схема расчета молекулы ггептида спячки.

Из расчета Ser1-Val6 выбрани 17 конформаций 17 пгейпов, а из расчета Val6~Gln11 22 конформации 13 шейпов. Таким образом, на последнем этапе исследования пространственного строения молекулы

- 16 -

рассчитаны около 400 конформаций.

Расчет показал, что возникает сильная энергетическ дифференциация между формами основной цепи и конформациями. низкоэнергетических структурах изучены конформационн

возможности боковых цепей Arg".Lyt;4,Gin5,Gin11 путем построен конформациошшх карт. Исследование показало, что энергетический интервал 0-7 ккал/моль попадают конформац восемнадцати форм основной цепи (таол.2).

Отметим особенности некоторых предпочтительных конформац шейпов feíífeefeí, rfíeeeffeí, efelleeref имеющих относительн энергию, соответственно О; 1,1; 3,1 ккал/моль. В глобальн конформации остатки Arg2-Valb сворачиваются, Glr/ разворачива С-конец молекулы от N-конца, остатки Serö-Gln'1 образу полусвернутый шейп fef. В конформации с относительной энерги 1,1 ккал/моль N-концевой пентапептид Ser'-Gin5 сворачиваете остатки Val^-Ser® разворачивают пептидную цепь, а потом остат Ser9-Gln11 сворачиваясь приближаются к ы-концу молеку Теоретический конформациошшй анализ молекулы пептида спяч привел к такой структурной организации молекулы, которая исключает реализацию гормоном целого ряда самых разнообразн функций, требующих строго специфических взаимодействий различными рецепторами.

Пятая глава посвящена моделированию искусственных аналог пептида спячки. Пространственное строение аналогов Ala7 HD-AI пептида спячки исследовано на основе восемнадца предпочтительных конформаций природной молекулы. Относительн энергия рассчитанных конформаций аналогов Ala7- и D-A1 пептида спячки показана в таблице 2. У аналога Ala7 одиннадца конформаций имеют относительную энергию меньше 7 ккал/моль. В конформации с Р и L формами основной цепи седьмого остатка высо: энергетичны. Расчет аналога 0-А1а7~П0Птида спячки показал, ч возникает сильная энергетическая дифференциация меж конформациями. Всего пять конформаций имеют относительную энерг меньшую 7 ккал/моль (табл.2). Глобальной является конформац шейпа fefffeffeí, У которой седьмой остаток имеет Р фор основной цепи. Еще две конформации с Р формой основной цепи име относительную энергию 2,8 и 3,1 ккал/моль. Геометрическ параметры конформаций с Р формой основной цепи седьмого остат

¡налога В-А1а7 остались почти такими ко, как у природной молекулы юптида спячки. Поэтому, можно предположить, что аналог Б-А1а7 южет выполнить функции природной молекулы, принадлежащие этим сонформациям.

Табл.2.

Относительная энергия предпочтительных конформ?ций молекулы пептида спячки и ее аналогов.

аналоги

1 ШЕШ1 К 0 н ФОРМА ц и я МОЛЕКУЛА А1а - Б-А1а -

1 ГеШееГеТ К в й й й в в й в й в 0 0 *

2 ШеееТГе! И л й в в в й й в й в 1,1 1,9 7,3

3 еГеГГееГеГ В й в й й в в й в й в 3,1 2,8 24,9

4 еГеПееГее В й в й й в в й в в в 3,9 4,3 4,7

5 ее!еее11ее в в й в в й Р й в в в 3,3 13,4 3,1

б ееГеееГГее в в й В в в й й в в в 6,2 6,6 9,6

7 ееГеееИеГ в в й В в в й й в й в 4,8 7,1 8,4

8 ШеГееГеГ I? и й В й й ъ й в в в 3,4 * ♦

9 ееееГеПее в в в в й в й й в в в 3,6 3,4 *

10 ееееГееГеГ в в в в й в в й в й в 4,3 4,4 *

11 ееГееееГеГ в в й в в В й в й в в 4,9 5,7 12,1

12 ГГеееГГГеГ и й в в в й й й в й в 5,0 6,3 5,4

13 1еШе11<г1 я в Й й й В Р й в й в 5,0 * 0

14 ГПеееГГее и й й В В й Р й в в в 5,4 13,0 2,8

15 1еШее1е1 и в й й й й й й в в в 5,8 5,7 *

16 Ге1Г1еГГее й в й й й й р к в в в 6,4 * 14,4

17 ГетееГее и в й й й В В й в в в 6,8 4,6 7,9

18 ГеГеГееГеГ й в ЙВЙЙЬЙВВВ 6,8 13,6 *

- 18 -Основные вывода.

1. Проведен теоретический конформационшй аш Дельта-Сон Индуцирующего Пептида и пептида спячки, состоя соответственно из девяти и одиннадцати аминокислотных остати

2. Показано, что в нативных условиях природные стимулирующие гормоны не являются флуктуирующими образоваш они обладают ограниченным набором пизкоэнергетичес конформаций, представленных небольшим числом форм основной це Для каждого типа структур определена, присущая стабилизирующая система можостаточных взаимодействий и оцеп вклады в энергию от невалвнтных, электростатических торсионных взаимодействий.

3. Для каждой молекулы сон стимулирующих пептид исследована пространственная организация и конформацион возможности.Проанализирована роль боковых цепей остатков процессе формообразования оптимальных структур отдель фрагментов и всей молекулы в целом. Подвижность большинс боковых цепей молекул сильно ограничена в результате их плот упаковки. Результаты расчета согласуются с имеющим экспериментальными данными о ДСИП.

4. Показано, что полифункциональность молекул стимулирующих пептидов можно обьяснить существованием р предпочтительных форм основной цепи, селективно избираемых изменении внешне факторов в направлении, обеспечиваю протекание соответствующего биологического процесса.

5. Выполнен целенаправленный поиск избирател действующих синтетических аналогов Дельта-Сон Индуцирующ Пептида и пептида спячки.

6. Предложен целый ряд новых искусственных аналогов стимулирующих пептидов, пространственная структура которых своей совокупности отвечает низкоэнергетическим, физиологиче активным конформациям. Это открывает широкие перспект: количественного изучения функционирования сон стимулирую пептидных молекул и поиска лекарственных препаратов.

7. Локазана эффективность теоретического подхода исследования структурно-функциональной организации пептид; гормонов.

- IУ -

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ахмедов Н.А.,Квсумов М.А.,Касумов O.K..Сулейманова Е.В.,Аббаслы P.M..Годжаев Н.М. Теоретический конформационный анализ пептидов мозга // Тез.докладов V Всесоюзного симпозиума по межмолекулпрному взаимодействию и конформациям молекул.-Алма-Ата,I980.-С.I06.

2. Аббаслы P.M.//Расчет стабильных конформаций некоторых аналогов молекулы пептида сна.//Тез.докладов конференции молодых ученых по физико-химической биологии.-Баку,1981.-С.19.

3. Ахмедов H.A.,Аббаслы P.M..Ахвердиева Г.А.,Дамиров А.Г..Сулейманова Е.В.,Годавев Н.М. Трехмерные структуры пептидов мозга //Тез.докладов Всесоюзного симпозиума "Система мозговых и внемозговых пептидов" - Ленинград,1984.-С.11.

4. Ахмедов H.A.,Ахвердиева Г.А.,Дамиров А.Г..Сулейманова Е.А..Аббаслы P.M..Годжаев Н.М. Расчет пространственной структуры некоторых биологически активных пептидов.//Материалы VJ симпозиума по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул.-Вильнюс,I982.-С.38.

5. Аббаслы Р.М.,Ахмодов H.A. Конформационный анализ некоторых аналогов молекулы л-иептида сна.//Тез.докладов 1 Всесоюзного биофизического съезда.-Москва,1982.-Т.4.-0.4.

6. Ахмедов Н.А.,Агаева Г.А.,Сулейманова Е.В.,Аббаслы P.M., Ахвердиева Г.А.Далилова Н.М. Теоретический конформационный анализ пептидных гормонов //Материалы VI симпозиума по конформоционшм изменениям биополимеров в растворах.-Тбилиси, 1985.-С.38.

7. Аббаслы P.M.,Ахмедов H.A. Структурно-физиологическая организация дельта сон индуцирующего пептида и его аналогов //Топ. всесоюзной научной конференции "Актуальные вопросы физиологии и патологии сна".-Москва,1985.-0.8-1I.

8. Аббаслы P.M. Пространственное строение молекулы антиметаболического фактора из мозга двоякодышащей рыбы //Томптический соорник ЛГУ "Молекулярная биофизика клетки и клеточных процессов"-Ваку,I986.-С.60-64.

9. Аббаслы P.M. Теоретический конформационный анализ аналогов дельта сон индуцирующего пептида //Том.сборник АГ.У

"Высоко-энергетические и молекулярные процес

-Баку,I98G.-0.9-12.

Ю.Ахмедов Н.А.,А0баслы P.M. Теоретический конформацио анализ фрагментов антиметаболического фак

"Protoptзгиз annectens" Известия АН Азерб.ССР.сер. физ технических и математических наук.-1988.-Т.8,-N 4,-С.84-86.

Н.Ахмедов Н.А.,Агаева Г.А..Ахвердиева Г.А.,Сулейма Е.В.,Аббаслы P.M..Шевченко A.A. Исследов

структурно-функциональной организации пептидных гормонов мот теоретического конформационного анализа // Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума по межмолекулярному взаимодейс и конформациям молекул // - Пущино, 1986. - C.I50-I5I.

12.Ахмедов H.A.,Аббаслы P.M. Пространственная струн1 молекулы Ser1-Arg2-Val3-Lye4-Gln5-Val6-Gly7-Ser8-Ser9-Pro10-G //Депонирована ВИНИТИ за N7785-B88 - Биофизика, -Т.34,-Вып.I,-С.167.

13.Ахмедов Н.А.,Аббаслы P.M.,Попов ] Структурно-функциональная организация пептида, индуцирую дельта-сон // Молекулярная биология.

I989,-Т.23-Вып.3-0.676-682.

14.Ахмедов H.A., Аббаслы P.M..Махмудова Т.А. Структура структурнофункциональная организация опиоидных пептидов Тез.докладов I республиканской биохимической конференции. -Bi - 1990. - С.35.

15.Аббаслы P.M. Теоретический конформациошшй qhi $parMeHTaVal6-Gly7-Ser8-Ser9-Pro10-Gln11 // Тем.сбо] "Молекулярные процессы в биологиче( системах".-Баку.-1987.-С.20.

16.Аббаслы P.M. Структурно-функциональная организ; аналогов молекулы "пептида спячки" // Тем.сборник "Структур функции биомолекул и клеточных систем. - Баку,1988.-С.25.

17.Аббаслы P.M. Пространственное строение анал< дельта сон индуцирующего пептида // Тез.докладов нау конференции аспирантов и молодых специалистов. - Баку,1994.-С

X Í Л A С Э

Нэзэри конформиста анализи методу илэ Зуху пептидлэри Trp1-Ala2-Gly3-Gly4-Asp5-Ala6-Ser7 Gly8-Glu9 вэ

Ser1-Arg2-Val3-Ly34-Gln5-Val6-Gly7-Ser8-Ser9-Pro10-Gln11 фаза гурулушлары тэдгиг олунмушдур. Систеюга потенсиал енержиси Ван-дер-ваалс,електростатик, торсион гаршылыглы тэсирлэрин вэ Ьидроген рабитэси еиержисинин чэми шэклиндэ сечилмишдир. Trp1-Ala2-Gly3-Gly4-A3p5-Ala6-SerT-Gly8-Glu9 молекулун

фзза гурулушуну е^рэниэк учун эввэлчэ Trp'-Ala2, Gly3-Ser7 вэ Gly8-Glu9 фрагментлэрщшн стабил конфорыгсы^алары yjryH амин туршуларьшын алчаг енеряили кокформаси^аларына эсасэн Ьесабланыб MyajjBH едилмищдир. Сонра Ьэмин фрагыентлэрин стабил конформаси^алары эсасында бвшлвнчыг вариантлар сечилиб Ьесабаты апарылмыщдыр. Ьесабат нэтичэсиндэ муэ^эн олунмушдур ки, молекулун фэза гурулуиу доггуз стабил конформаси^а илэ тэрэннум олуна билэр. Молекулун глобал конформасиЗасы Ьэм дисперси^а, Ьэм дэ електростатик гаршылыглы тэсирлэрин йесабына стабиллэшир. Вир Ьиссэ конформаси^алорда аыин туршулары чох компакт Зерлэшмишлэр вэ стабиллик эсасэн дисперсна гаршылыглы чазибэ гуввэлэринин йесабына JapaHup. Дикар копформаси^олардо молекулун мусбэт вэ мэнфи Зуклэнмиш N- вэ С- тэрэфлэри бир-биринэ Захынлашыр вэ електростатик гаршылыглы тэсир гуввэлэри онлары стабиллэвдирир. Молекулун Myajjau олунмуш гурулушлары эсасында синтез учун D-Ala3,Pro4,Pro5,Pro7,Азп5,Туг7,Val2,Val8,D-Trp1,D-Tyr1,Туг1, D-Ala2 - аналоглары тэклиф олунмушдур ки, онларын фэза гурулушларынын Зыгымы тэбии молекулун стабил конформасиЗаларыны верир. Ser1-Arg2-Val3-Lys4-Gln5-Val6-Gly7-Ser8-Ser9-Pro10-Gln11 молекулун фэза гурулушу ону фрагыентлэрэ аЗырмагла тэдгиг едилмишдир. Тэдгигат нэтичэсиндэ муэjjan едилмищдир ки, молекулун фэза гурулушу 18 стабил конформасиЗа илэ характеризэ олуна билэр. Молекулун стабил конформасиЗалары эсасында ^алныз онун муэ 3 J энфункси Залэрыш Зеринэ Jотирэ билэн А1а7вэ D-Ala7 аналоглары синтез учун тэклиф олунмушдур.

ABSTRACT

The spatial structure of the sleep stimulating peptides '.

-Ala2-Gly3-Gly4-Asp5~Ala6-Ser7-Gly8-Glu9 i

Ser1-Arg2-Val3-Ly34~Glnb--Val6-Gly7-Ser8-Sei'9-Pro10-Gln11 1

been lnves-tlgated by mean of theoretical conformational anal;

method. The conformational analysis of these molecules has I

carriedout on the base of fragmentary approach accourr

nonvalen'.electrostatic and torsional interactions,hydn

bonding.Theconformational properties of a 3leep stimulating b?

hormoneTrp1-Ala2-Gly3-Gly4-Asp5-Ala6-Ser7-Gly8-Glu9have I

conslde-red.In aqueous solution the structure of the molei

with thepseudocycllc form of the backbone is the most prefer:

Theprincipal nonbonded interactions which stabilise

structureare those between tlie backbone and the side chains 1 Q

Tyr and Glu . A factor further lowering the energy of

structu-re is a strong electrostatic attraction of the NHg

COCTgroups.Another low energy conformation has a folded shapt

the backbone where end groups,are remote.This conformation

stabilized by the interactions of the main chain a

Apossibilityis discussed that this conformation might

preferable atblnding to therecoptor in polar environment or u:

the conditions of weak intramolecular electrost;

contacts. Possible strycture of the neuropeptide u:

physiological conditionsmay be described by a set of low-en

conformations belongingto nine different forms of the backbon

solution of the wreverse conformational problem'Tor delta s

inducing peptide enables one to predict modified amino

sequences ( B-Ala3, Pro4,Pro6, Pro7,Val2,Val8,Asn5,Tyr7,D-T 11 9

D-Tyr ,Tyr ,D-Ala analogs).which may assume one of low-energy states of the native hormone.Using a semi-emplr method, an a priori conformational analysis of the mole Ser1-Arg2-Val3-Lys4-Gln5-Val6-Gly7-Ser8-Ser9-Pro10-GlA1 wascarried out. The spatial structure of the molecule car described by 18 low-energy conformations.Calculatations prod the values of all dihedral angles of the backbone Inter-residue Interaction energies.