Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование механизма организации спиральной структуры олигопептидов

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование механизма организации спиральной структуры олигопептидов"

□03461744

На правах рукописи

кондратьев максим сергеевич

Исследование механизма организации спиральной структуры олигопептидов

03.00.02 - Биофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

'г

%

Пущино - 2009

003461744

Работа выполнена в Институте биофизики клетки РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Владислав Михайлович Комаров

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Полозов Роберт Валентинович, доктор физико-математических наук Галзитская Оксана Валерьевна

Ведущая организация:

Московский государственный университет, биологический факультет, кафедра биофизики.

Защита состоится «1Ь » февраля 2009 г. В 14:00 часов на заседании Диссертационного совета « » при Институте теоретической и ~-Оо1 .V экспериментальной биофизики РАН

по адресу: 142290, Московская область, г.Пущино, ул.Институтская, 3

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной библиотеке НЦБИ РАН, г.Пущино, ул.Институтская, 3 Автореферат разослан «21\» января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Н.Ф. Ланина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Одним из важнейших биохимических процессов, на которых базируется жизнь, является синтез белка. Именно протеины определяют структуру и форму клетки, служат инструментами молекулярного узнавания и катализа. Будучи собранными всего из 20 типов аминокислот, каждая из которых обладает ярко выраженной химической индивидуальностью, белки характеризуются чрезвычайным разнообразием пространственной структуры, а также физических и биохимических свойств.

Вообще говоря, реализация генетической программы любого организма, во многом, сводится к синтезу полипептидов, контролю этого процесса, сворачиванию и адресной доставке образующихся белков. При этом, для функционирования протеинов крайне важным является приобретение их молекулами определенной, уникальной пространственной организации (вторичной, третичной или даже четвертичной структур). Такой процесс, проходящий при физиологических условиях и характеризующийся изменением «от неупорядоченности - к порядку» называют «сворачиванием» или «фолдингом белка» (Rose 2006).

Существующая «проблема фолдинга белка» весьма обширна и не нова - первые гипотезы о сворачивании линейных полипептидов относятся к 50-м годам прошлого века. Начиная с работ Анфинсена по дснатурации-ренатурации рибонуклеазы (Anfmsen 1973), говорят, что все необходимые сведения о физиологически активном пространственном строении белка и его конформациокных возможностях заключены в его аминокислотной последовательности. В процессах свертывания и развертывания полипептидной цепи проявляется непосредственная связь между химическим и пространственным строением молекулы белка. При этом, строго говоря, обратимость сворачивания-разворачивания справедлива не для всех белков, но факты, установленные для некоторых молекул, позволили утвердить тезис о том, что вся необходимая информация для определения нативной формы белка содержится именно в самой последовательности аминокислот. К тому же, трансляция линейного набора звеньев в трехмерную структуру возможна лишь при определенных физиологических условиях.

Несмотря на проведенное детальное рассмотрение отдельных стадий сворачивания молекулы белка, выявление и описание интермедиатов фолдинга, несколько ключевых вопросов остались недостаточно конкретизированными. В частности, вопрос о том, каким образом на том или ином месте полипептидной цепи формируются участки с альфа- или бета-структурой - этими доминантными способами укладки полипептидного остова в глобулярных белках. Традиционно считается, что эти способы упаковки белка обусловлены не столько специфическими взаимодействиями боковых остатков аминокислот, сколько регулярным формировашем водородных связей между пептидными группами внутри самой полипептидной цепи. Однако, при всем многообразии экспериментальных и теоретических данных, свидетельствующих о важной роли стерических факторов, гидрофобности, электростатических потенциалов и других характеристик в организации альфа-спиралей, уникальный, зависящий от аминокислотной последовательности, физический механизм альфа-спиральной нуклеации требует значительного уточнения.

До недавнего времени в теоретических работах в этой области крайне редко учитывались соотношения эптальшшно-энтропинных вкладов, а также особенности

колебательно-вращательной динамики систем такого типа. Поэтому, в целом, исследования влияния состава аминокислотной последовательности на образование того или иного типа вторичной структуры белка не потеряли своей актуальности и в настоящее время - поиск ответа на поставленный вопрос: «каков механизм сворачивания белка?» — остается одной из самых любопытных задач как для классической протеомики, так и для современной молекулярной биофизики.

Сегодня, в ходе работ в этой области, наряду с современными прецизионными экспериментальными методиками исследований, широкое применение находят и теоретические (компьютерные, in silico) молекулярно-механические и квантово-химические подходы. При этом, наиболее совершенные теоретические квантово-хммические методы расчета характеристик электронной структуры молекул достигают (а подчас и превышают) по точности результаты, полученные при использовании многих экспериментальных методик. Несомненно, важной и привлекательной особенностью квантово-химических подходов является возможность с одинаковым успехом исследовать свойства как экспериментально наблюдаемых структур, так и по каким-либо причинам ненаблюдаемых, модельных молекулярных систем. При этом изучаемые объекты могут быть легко модифицируемы таким образом, чтобы наиболее четко выявить вклад какого-либо четко детерминированного структурного параметра или взаимодействия в исследуемую характеристику. Вместе с тем, драматизм ситуации заключается в том, что многие энергетические эффекты, лежащие в основе обсуждаемой проблемы, зачастую лежат на грани величин ошибок используемых методов моделирования (~1 ккал/моль), а традиционные экспериментальные техники оказываются неспособными зарегистрировать тонкие молекулярные перестройки даже в максимально «чистых» системах in vitro.

Цель работы заключается в том, чтобы на основе учета особенностей электронного строения аминокислотных остатков детализировать и развить физический механизм сворачивания альфа-спирали. В рамках поставленной цели представлялось важным решить следующие задачи:

1) Теоретически проанализировать и систематизировать структурные, энергетические, зарядовые и колебательно-динамические особенности всех 20 протеиногенных L-аминокислот и ряда пептидов. Выделить основные факторы, которые могут определять существование «внутренней предрасположенности» аминокислотного остатка к образованию того или иного типа вторичной структуры олигопептида;

2) На основе полученных результатов дополнить известный нуклеационный механизм формирования первого витка альфа-спирали, а именно обосновать ключевую роль кислых и основных аминокислотных остатков не только в стабилизации спиральных участков, а вообще в инициировании спиральной структуры; описать возможный механизм такого процесса;

3) Методами молекулярной динамики исследовать начальную стадию процесса образования спиралей в олигопептидах разного состава и оценить термодинамические характеристики отдельных стадий такого процесса; изучить зависимость процесса спирализации от природы олигопептида и наличия терминирующих факторов.

Научная новизна

В данной работе впервые теоретически проведены подробные и последовательные структурные исследования широкого класса молекул - от аминокислот до олигопептвдов. Структурные характеристики были оценены в едином квантово-химическом полуэмпирическом (а в ряде случаев - и неэмпирическом) приближении. Динамическое поведение молекул анализировалось методами молекулярной динамики в силовом поле AMBER и OPLS. Нестандартной и важной особенностью данной работы является одновременный учет поведения большого набора параметров молекулы: не только поведения классических торсионных углов «фи» и «пси», но и термодинамических, спектральных характеристик, дипольных моментов, инерциальных дефектов, химических жесткостей, а также энергетик и локализаций вакантных и заполненных орбиталей молекул при анализе структурной организации аминокислот и олигопептвдов.

Анализ подученных нами и известных из литературы данных позволил не только предложить и обосновать новую классификацию всех основных конформеров аминокислот, но и впервые постулировать ключевую роль бифуркационного внутримолекулярного водородного связывания в инициировании альфа-спиральной организации молекул олигопептпдов, содержащих заряженные аминокислотные остатки аспартата, глутамата, аргинина, лизина и гистидина.

Практическая значимость работы

Полученные результаты имеют как фундаментальное значение - для понимания биофизических механизмов ранних стадий сворачивания белков и пептидов — так и прикладное: могут быть использованы в биоинженерии при рациональном дизайне новых биомакромолекул с заданной пространственной структурой или «запрограммированной» кинетикой перехода «клубок-спираль».

Публикации и апробация работы

Материалы диссертации регулярно докладывались и обсуждались: на 3-ем съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), на международных конференциях серии «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино-Дубна 2004, 2005, 2006, 2007), конференциях серии IVTN (Москва 2004, 2008), а также на Симпозиумах по конформациям и структуре биомакромолекул (Пущино, 2004; Челябинск, 2008) и международной конференции в Олбани, США, «Albany 2007: Conversation 15» (Нью-Йорк, 2007). Открытые дискуссии по материалам диссертации были проведены на кафедре биофизики МГУ (5 апреля 2007) и в Лаборатории физики белка Института белка РАН (23 ноября 2007). По материалам диссертации опубликовано 17 тезисов и 3 статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов, используемых для исследования, результатов собственных исследований, обсуждения результатов, заключения, выводов и списка литературы, содержащего \УЬ источников. Диссертация изложена на А23 страницах машинописного текста, иллюстрирована рисунками и м таблицами.

Методы исследования

Для рутинных расчетов по получению величин структурных, спектральных, зарядовых и термодинамических параметров исследуемых молекул нами были использованы известная, хорошо себя зарекомендовавшая полуэмпирическая квантово-химическая РМЗ-методика, реализованная в свободно распространяемом программном пакете МОРАС 6. Выбор полуэмпирической техники был обусловлен наилучшим соотношением (для данного типа задач) точности расчета и необходимых вычислительных ресурсов. Для улучшенной оптимизации геометрии всех соединений использовались ключи PRECISE и NOMM; они предназначены, соответственно, для стократного усиления критериев сходимости и оптимизации, по сравнению со стандартными критериями, используемыми по умолчанию в этом пакете, и для отказа в расчетах от искусственной фиксации плоской структуры пептидных групп. Отключение последней поправки позволяет нам более полно учитывать лабильность самих пептидных групп, которая обусловлена известными большими внеплоскостными движениями N-H связей аминогрупп в структуре простейших аминопроизводных. Учитывалась, таким образом, возможность обнаружения у исследуемых соединений дополнительных устойчивых конформеров.

В ходе расчетов использовались более жесткие критерии достижения глобального минимума поверхности потенциальной энергии исследуемых молекул. Мы добивались не только получения максимальных значений теплот образования оптимизируемых структур, но и отсутствия отрицательных значений частот в рассчитанных спектрах нормальных колебаний найденных конформеров. Этим достигалось исключение из рассмотрения большого числа промежуточных, метастабильных структур. В ряде случаев требовалось уточнение получаемых величин и для этого были использованы точные неэмпирические MP2/6-311++G** и CBSQ расчеты.

Для изолированных, заряженных, цвиттер-ионных и гидратированных форм аминокислот, а также ряда олигопептидов были проанализированы их основные структурные характеристики: длины связей, валентные и торсионные углы. Кроме того, нами были рассмотрены другие важные параметры: теплота образования, инерциальный дефект, абсолютная энтропия, дипольный момент, локализация верхних заполненных (HOMO) и нижних вакантных (LUMO) орбиталей и размер «щели» между ними, химический потенциал, а также относительное изменение гиббсовой энергии конформера по отношению к свободной энергии изомера с наиболее глубоким минимумом потенциальной энергии. С использованием метода молекулярной механики (ММЗРго) и полуэмпирической РМЗ квантово-химической техники для основных вращательных изомерных форм 20-и монопептидов L-аминокислот нами был проведен сравнительный конформационный анализ. Термодинамические оценки проводились для стандартных условий комнатных температур и обычных давлений (1 атм.).

Структурные, спектральные и термодинамические свойства ряда олигопептидов рассчитывались с использованием техники молекулярной динамики (МД, MD) в вариантах силовых полей AMBER99 и OPLS и дополнительно уточнялись при помощи квантово-химического полуэмпирического метода РМЗ. Рассматривались аминокислотные последовательности длиной от 2 до 16 остатков разной природы, в разных вариантах содержащие в своем составе один из гипотетических «затравочных» аминокислотных остатков: аспартат, глутамат, аргинин, лизин или гистидин. При этом

устойчивая спирализация модельных пептидов с инициирующими остатками была показана лишь в силовом поле ОР!^ - что может объясняться его более точной отработкой невалентных взаимодействий и, в первую очередь, водородных связей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Аминокислоты. Цвиттер-ноны

Первым этаном исследований механизма образования первого витка спирали стало изучение особенностей структурных звеньев молекул пептидов и белков, а именно 20-и кодируемых протенногенных Ь-аминокислот. К сожалению, экспериментальное изучение геометрических и термодинамических параметров таких молекул в газовой фазе затруднено, что связано с техническими особенностями возгонки образцов. Следствием этого является крайне ограниченное число соответствующих экспериментальных данных. Однако, сравнение полученных и проанализированных нами величин тенлот образования изолированных аминокислот с литературными данными позволило отметить хорошую корреляцию наших результатов как с известными экспериментальными, так и с теоретическими данными других авторов, что положительно характеризует адекватпость выбранного нами теоретического подхода для данного типа задач.

Как выяснилось, из всех 20 молекул аминокислот наибольшей термодинамической стабильности характеризуются кислые аминокислоты, а также амидные и ОН-содержащие аминокислоты. Стоит отметить, что высокая термодинамическая стабильность кислых аминокислот аспартата и глутамата обусловлена образованием в их структуре устойчивой внутримолекулярной водородной связи (рис. 1.) Данное свойство молекул аспартата и глутамата является исключительным и определяет структуру конформера глобального минимума поверхности потенциальной энергии каждой из данных молекул. Параметром, который также в определенной мере отражает структурные отличия молекул аминокислот, их компактность, также является величина электрического дшюлыюго момента, (1. Являясь, по сути, векторной величиной, момент ц оказывается весьма чувствительным к изменениям структуры молекулы в зависимости от природы и размеров се боковой группы. Расчет показал, что, в общем случае, диапазон изменения величин дипольных моментов здесь оказывается весьма широким. Для относительно компактных аминокислот, типа глицина, аланина, серина и других молекул, момент ц невелик, имеет порядок ц ~ 1.0 Б (Дебай). В случае более протяженных молекул, а также молекул с заряженными группами на концах боковых радикалов, т.е. с радикалами, в составе которых есть карбоксильные или аминогруппы (типа глутамата, аспарагипа и др.), значения их дипольных моментов уже как минимум в 2 раза превышают величину этого параметра в компактных молекулах, с простыми алифатическими радикалами (аланин, валин и т.п.).

Резонно считать, что потенциальная способность молекулярной структуры к конформациоппой лабильности, к различным подвижкам валентных связей, определяется спектром частот колебательно-вращательных степеней свободы молекулы и, следовательно, в определенной степеии определяется ее энтропийным фактором. В своей работе мы, при анализе устойчивости изомерных форм аминокислот, всегда выполняли как расчеты спектров нормальных колебаний, так и расчеты основных вращательных спектроскопических констант этих молекул. Поэтому, естественным

образом, через использование формализма статсумм, нами были сделаны соответствующие оценки и значений абсолютных энтропий Б0 для всех изомерных форм этих молекул. Важно отметить, во-первых, что в низкочастотном спектре колебаний всех оптимизированных структур отсутствуют мнимые значения частот (и это говорит об устойчивости найденных конформаций), а во-вторых, наблюдается довольно заметное различие значений абсолютных энтропий у разных молекул аминокислот. При этом, наибольшими величинами Б0 характеризуются аминокислоты с разветвленной и наиболее подвижной системой алифатических связей своих радикалов, т.е. такие аминокислоты, как аргинин и лизин. Таким образом, представления о значительном вкладе в общую энтропию системы энтропии бокового аминокислотного остатка, имеющего высокую колебательно-вращательную подвижность, здесь оказываются вполне справедливыми и они позволяют достаточно четко различать все эти структуры по данной термодинамической характеристике.

Рис.1. Структуры конформеров аспартата (Asp) и глутамата (Glu): с внутримолекулярной водородной связью и без нее. Слева - наиболее стабильный изомер.

В целом можно заключить, что нейтральные формы газофазных молекул аминокислот характеризуются, вообще говоря, довольно широким диапазоном значений тенлот образования, величин инсрциальных дефектов, энтропийных факторов и значений дипольных моментов. Все эти параметры достаточно дифференцированы и хорошо различимы для разных классов аминокислот. Обращают на себя внимание особенности структуры молекул кислых аминокислот: их боковые группы способны образовывать внутримолекулярные водородные связи с атомами остова, что в дальнейшем (при образовании и наращивании длины пептида) может приводить к изменению торсионных углов «фи» (C-N-Ca-C) и «пси» (N-C-Ca-N), величина которых характеризует принадлежность каждого конкретного аминокислотного остатка к той или иной вторичной структуре.

Поскольку в реальных условиях аминокислоты функционируют как системы с разделенными зарядами, за счет влияния раствора, нами были проведены расчеты изменения всех анализируемых структурных свойств и для цвитгер-ионных состояний этих молекул. Важно отметить достаточно хорошее соответствие рассчитанных геометрических параметров этих форм с данными кристаллографических экспериментов, в которых, как известно, связанная вода (т.е. полярное окружение молекул аминокислот) всегда присутствует. Оценки теплот образования изолированных цвиттер-ионных форм аминокислот показали, что велнчши этого параметра оказывается в среднем на 25-35 ккал/моль меньше, чем у нейтральных форм. Такой же результат наблюдается и в других теоретических работах, с использованием более точных, ab initio схем расчета. Уменьшение термодинамической стабильности цвиттер-ионов аминокислот свидетельствует о несколько пониженной устойчивости таких форм в безводной, газовой фазе. В растворе же стабилизация этих форм достигается за счет наличия большого количества водородных связей ионной структуры с молекулами воды. Тем не менее, полученные нами данные относительно изменения этого параметра в ряду исследуемых аминокислот (которые, кстати, оказались симбатными изменениям теплот аминокислот в нейтральных формах) позволяют говорить о сохранении здесь выше сделанного разделения молекул по группам стабильности в зависимость от конкретной химической структуры их боковых радикалов. В целом, можно сказать, что основные выводы сделанные выше относительно многих структурных свойств для нейтральных аминокислот остаются справедливыми и для случая их цвиттер-ионных форм.

Как известно, в формировании пептидных связей в олигопептидах принимают участие карбоксильные и аминогруппы при Са-атоме связывающихся аминокислот. Поэтому представлялось важным изучить исходную конформацнонную лабильность разных типов аминокислот и выделить у них наиболее устойчивые локальные формы (копформеры). В данной работе мы, с использованием полуэмпирической РМЗ техники, провели конформационный анализ всех 20 L-аминокислот с целью обнаружения дополнительных устойчивых конформеров с различными возможными цис- и трансвзаимными ориентациями -СО и -CaN связей (рис. 2).

Как показал расчет, из получешплх восьми устойчивых изомерных форм одиночных аминокислот наибольшее внимание обращают на себя два типа конформеров. Один га них отвечает изомеру глобального минимума потенциальной энергии молекулы. Во всех аминокислотах это примерно однотипные структуры с цис-одинаковой ориентацией связей с тяжелыми атомами. Так, в аланиноподобных эта форма близка к структуре 1 (рис.2). В аминокислотах, имеющих боковой радикал с

разветвленной системой валентных связей, глобальному минимуму энергии соответствует вторая форма (структура 2, рис. 2). В кислых и основных аминокислотах — это третья форма. Все они, тем не менее, по геометрическим параметрам, оказываются далекими от структуры аминокислот в альфа-спиралях. Другой тип конформеров, принадлежащих виду /лрднс-конформеров, хотя пространственно довольно значительно отличается от первого, однако термодинамически он оказывается всего на 1-2 ккал/моль менее стабильным. На рис. 2. это структуры 5 и 6. В тоже время структура этих конформеров уже хорошо согласуется с наблюдаемой геометрией остатков аминокислот в альфа-спиральных участках. Вполне возможно, что при определенных внешних условиях (т.е. начиная с некоторого размера удлиняющейся пептидной цепи и при наличии некоторого количества молекул связанной воды) энергетика этого типа конформеров может стать доминирующей. Так, что олигопептидная цепь из линейно организованной, естественным образом может легко перейти в структуру регулярной спирали.

Рис.2. Различные конформеры аминокислоты (на примере молекулы глицина)

Рассчитанные величины инерциальных дефектов и дипольных моментов всех рассмотренных конформеров оказались изменяющимися в довольно значительных пределах. Это вполне ожидаемый результат, вследствие различий в пространственной ориентации целых групп атомов в молекуле каждой аминокислоты. Наблюдается также и заметные различия значений абсолютных энтропии для различных структурных изомеров, что связано с частотными изменениями колебательно-вращательных степеней свободы молекулы при таких конформационных перестройках. Также была оценено изменение энергии Гиббса для различных конформационных состояний аминокислот. Важно отметить, что в данном контексте ДДО следует понимать не в традиционном смысле, а как некоторую характеристику, включающую энтропийный фактор и описывающую энергетику переходов между разными конформерами. В результирующих сечениях этой поверхности свободной энергии молекул аминокислот тоже получены дополнительные локальные минимумы, отвечающие все тому же выделенному устойчивому второму типу конформеров, а именно, структурам 5 и 6, (рис. 2). В целом, расчеты подтвердили существование двух особых конформаций у каждой аминокислоты: одна из них отвечает глобальному минимуму полной энергии молекулы и соответствует цис-ориентации С=0 и СаК групп. Она более энергетически выгодна в вакууме, в изолированной среде. В случае же образования пептидных связей вполне вероятна активная заселенность другой, конформации, близкой уже к транс-ориентации С=0 и СаК групп в исходной аминокислоте.

Таким образом, на основании анализа особенностей одиночных молекул аминокислот можно заключить, что появление в структуре бокового радикала аминокислоты кислых или основных боковых групп (которые потенциально могут являться донорами или акцепторами электрона) приводит к резкому повышению (более чем на 25%) теплоты образования и, таким образом, резко меняет стабильность молекулы в целом. Из всего многообразия возможных изомерных форм каждой молекулы аминокислоты выделяются 2 конформера - один отвечает геометрии звена альфа-спирали; второй - бета-структуры. Цвиттер-ионпые формы аминокислот в вакууме характеризуются как пониженной термодинамической стабильностью, так и меньшим числом структурных изомеров.

Мопопептиды

Следующим этапом данной работы явилось исследование особенностей геометрии и свойств электронной структуры метиламидов Ы-ацетил-а-Ь-аминокислот (монопептидов), как простейших моделей для изучения поведения аминокислотного остатка в составе пептидной цепи. Считается, что основные конформациониые возможности молекулы монопептида достаточно надежно описываются, главным образом, распределением значений пары торсионных углов <р («фи») и у/ («пси»), отвечающих поворотам вокруг связей С"—N и С"—С' (рис.3).

(на примере метиламида М-ацетил-а-Ь-аланина)

Для длинных полипептидов экспериментально определенные углы <р к у/ практически всегда оказываются в хорошей корреляции с «разрешенными» областями информационных карт монопептидов. Для а-спиральных участков белков угол ¡р может изменяться в пределах (-60°)-(-100°), а угол ч> - от (-25°) до (-50°). Для р-структур эти углы принимают значения в области, соответственно, (-110°) и (+140°). В литературе выделяют пять основных типов устойчивых конформаций монопептидов: И (или ав), отвечающая геометрии звена а-спирали; В (или С5Ы), отвечающая геометрии элемента {5-слоя, а также редкая левосниральная конформация Ь (или оО и две структуры с внутримолекулярными водородными связями М (или С-Г) и Н (или С"). Несмотря на такое разнообразие стабильных форм монопептидов, в их структуре все же проявляется статистически устойчивое преимущество двух типов топологии химических связей во фрагменте Ы-С"-С=0: цис- и транс-ориентация связей С=0 и Са-1Ч.

Проведенный нами анаши профилей поверхности потенциальной энергии (ППЭ) и РМЗ-расчеты как структурных, так и спектральных и термодинамических свойств монопептидов всех 20-и аминокислот позволяет отметить, что основным конформером глобального минимума ППЭ практически для всех многопептидов является В-форма

(или, иначе, €5"'). Исключение составляют молекулы монопептидов аспартата и глутамата: их боковые группы весьма эффективно образуют либо внутримолекулярные бифуркационные водородные связи (конформеры ВР), либо образуют дополнительную водородную связь с остовом цепи (Ю- конформеры). Поэтому для монопептидов аспарагиновой и глутаминовой кислоты наиболее стабильным является конформер, близкий к М-типу, с разворотом С=0 и Са-Ф1 связей, напоминающим транс-форму, характерную больше для а-спиральных участков полипептидных цепей. Во всех остальных случаях второму минимуму ППЭ монопептидов обычно отвечает конформер Я (или Пи), с разворотом связей С=0 и С-Ы, близким к т/хгнс-конформации. Для некоторых монопептидов эту «вторую ступень» в энергетической шкале молекулы занимают конформеры с внутримолекулярными водородными связями - М (иначе С7'ч) или Н (С7>х). У них степень транс-разворота С=0 и С°-К связей в определенной мере зависит от природы боковой группы аминокислотного остатка. Среди изученных нами форм наименее термостабильной является форма Ь (0[.), соответствующая геометрии левой спирали. Это может рассматриваться, как косвенное подтверждение редкой встречаемости такого типа образований во вторичной структуре глобулярных белков.

В качестве существенного, на наш взгляд, аргумента справедливости установленной иерархии основных конформеров монопептидов является характер поведения их свободных энергий. Согласно полученным результатам (рис. 4), энергия Гиббса и энтальпия образования монопептидов в ряду их основных конформеров (Л, Ь, В, М, Н) изменяются симбатно. Но в тоже время график изменения ДЛО° дает более резкие различия в энергетике конформеров. Это, с одной стороны, свидетельствует об определенной роли энтропийных вкладов в балансе энергетики монопептидов, а с другой - характеризует разную колебательную активность разных изомерных форм.

Рис.4. РМЗ-рассчиганные изменения энтальпии и свободной энергии основных конформеров монопептидов изолейцина, лизина и метионина

Для подтверждения тезиса о важности колебательной динамики в формировании энергетики равновесных структур рассматриваемых молекул, мы проанализировали данные о специфике низкочастотного спектра нормальных колебаний 20 монопептидов. Поскольку в термодинамическую стабильность молекул наибольший вклад обычно дают длинноволновые колебания, то в таблице для сравнения приведены только частоты

первых трех колебательных мод. Выяснилось, что нижние колебательные частоты разных конформеров монопептидов заметно отличаются. Более того, выделяются явно пониженные значения колебательных частот именно у тех конформеров, которые отвечают наиболее устойчивым формам, а именно - В и R. Это как раз те основные структуры, которые формируют a-спирали и р-слои. По-видимому, действительно, характер спектра низкочастотной колебательной динамики монопетидов может выступать лимитирующим фактором формирования вторичной структуры пептидных образований.

Важно отметить, что для монопептидов аспартата и глутамата эффективное внутримолекулярное водородное связывание боковой ОН-группы и карбонильного кислорода основной цепи дополнительно усиливает преимущество /ираноподобного разворачивания 0=С и Ca-N связей в остове. Можно сказать, что такая зафиксированная «предрасположенность» молекул монопептидов аспартата и глутамата к образованию структур, геометрически удовлетворяющим условиям спирализации, позволяет выделить эти аминокислотные образования в особый класс «модуляторов фолдинга» a-спиралей.

Олигопептиды

Расчет и анализ набора свойств ди-, три-, тетра- и пента-пептидов показал, что выделяемая нами существенная роль внутримолекулярной водородной связи в стабилизации «спиральной закрутки» молекулярного остова молекул аспартата (Asp, D) и глутамата (Glu, Е) (а также их монопептидов) сохраняет свою важность и в этом случае. Для олигопептидов такое водородное связывание приобретает уже множественный, бифуркационный характер. Наиболее четко он проявляется в том случае, когда карбоксильная группа аспартата или глутамата присутствует в депротонированной форме, т.е. когда оба атома кислорода этой группы имеют возможность быть вовлеченными в образование внутримолекулярных водородных связей. В качестве примера, для структуры изолированных олигопептидов аланиновой природы D(A„), где п = 2^4, с депротонированным аспартатом в начале цепи, было показано, что, именно благодаря бифуркационным водородным связям, образованным заряженной карбонильной группы аспартата, и группами H-N основной цепи, остов таких пептидов становится все более изогнутым и, в итоге, при достаточном количестве остатков, пептидная цепь принимает вид первого витка альфа-спирали. Аналогичные наблюдения были сделаны и для второй потенциальной «затравки» — остатка глутамата (Glu), который тоже имеет в своем составе карбоксильную группу и поэтому он в депротонированной форме также обладает устойчивой изначальной «закруткой» своего молекулярного остова.

Интересные результаты были получены для случая аланиновых октапептидов DAAAAAAA и ЕААААААА (с остатком аспартата и глутамата соответственно - на N-конце). Здесь, на уровне организации всего двух витков спирали, такая закрученная форма олигопептида уже весьма устойчива. При этом величины торсионных углов <р и у/ в регулярной спиральной части молекулы DAAAAAAA оказываются лежащими, соответственно, в пределах от -60° до -70° и в пределах от -30° до -40°, и это согласуется как с расчетами других авторов, так и с экспериментальными данными по эти углам в канонических a-спиралях.

С целью более наглядного представления процесса спирализации длинных олигопептидных цепочек в работе были выполнены молекулярно-динамические (МД)

расчеты олигопептидов, состоящих из восьми-, двенадцати- и шестнадцати остатков глицина, аланина, валина, лейцина, изолейцина, цистеина, с различным местоположением аспартатного или глутаматного остатка. Также нами бьши рассмотрены гетероаминокислотные последовательности включающие как спиралеобразующие, так и спиралеразрушающие остатки (8-EAAAVWG, 8-DSVASVAS, 8-ECSAILAL и 12-DAGAGAGAGAGA), а также цепочки, на N-хонце которых отсутствовали кислые аминокислоты Asp и Glu (например, чистый полиаланин) и цепочки состоящие из чередующихся остатков аланина и валина. Наиболее стабильное воспроизведение «сворачивания» указанных молекул в спирали происходит при использовании силового поля OPLS. Хотя эмпирические поля типа AMBER, CHARMM и OPLS были созданы специально для работы с белками и нуклеиновыми кислотами, однако, только параметризация OPLS оказалась более надежной в оценке вкладов нековалентных взаимодействий и потому более адекватной в описании динамики пептидов в газовой фазе. Полученные результаты в иллюстративной форме представлены на рисунке 5. Анализ МД-траекторий всех указанных соединений выявил следующие общие закономерности.

Согласно расчетам, процесс «сворачивания» аминокислотной последовательности в спиральную форму происходит в несколько стадий. Сначала боковая группа кислого остатка (Asp или Glu) «находит» ближайший к ней атом азота основной цепи и, «подтягивается» к нему через водородную связь. После этого, остов цепи изгибаясь формирует дополнительные Н-связи. Очень скоро боковая группа Asp или Glu окружает себя сетью водородных связей, а сам остов оказывается свернутым в своеобразный «завиток». Дальнейшее развитие процесса идет путем достаточно быстрого достраивания и наращивания числа регулярных межвитковых пептидных водородных связей либо до конца цепочки, либо до начала действия какого-нибудь структурного фактора, терминирующего спирализацию. Расчет показал, что точка начала спирализации линейной цепочки определяется локализацией в ней остатка Asp или Glu, т.е. начало искривления молекулярного остова и образование регулярных межвитковых водородных связей происходят только на остатках, следующих за Asp или Glu в направлении от N- к С-концу. Данный результат вполне совпадает с экспериментально наблюдаемым аналогичным направлением биосинтеза а-сгтирали белковой цепи на рибосоме. При этом, если мы имеем дело с относительно коротким олигопептидом, например, аланиновым октапептидом, и в нем Asp оказывается встроенным в середину цепи, то здесь явных вот ков спирали не возникает. Тем не менее, даже в этом случае можно наблюдать как боковая (заряженная карбоксильная) группа «затравочного» Asp все же координирует вокруг себя через бифуркационные Н-связи пептидные атомы азота оставшихся за ней 3-х аминокислотных остатков цепи, пытаясь таким образом сформировать структуру витка спирали. В случае же более длинной последовательности с Asp в середине цепи, например, 12-мерного полиаланина, полноценные витки спирали всегда наблюдались лишь после Asp, т.е. только в районе С-конца.

12-ЕвввАААААААА

16-ОААААААААААААААА

Л { { ? ? ?

12-АААААААААЛАА

Рис.5. Исходные вытянутые цепочки олигопептидов и их 100-пс свернутые формы.

Вид сбоку и с торца.

Чтобы проанализировать процесс спирализации с точки зрения изменения свойств электронной структуры молекулы, мы разделили всю траекторию динамики на участки по ! О пс, после чего выделили конформеры, соответствующие этим точкам, и провели для них необходимые квантово-химические расчеты. Оказалось, что РМЗ-оптимизированные и МД-струхтуры этих конформеров геометрически достаточно близки, что позволяет распространить РМЗ-оценки термодинамических и спектральных свойств таких конформеров на все рассмотренные этапы процесса спирализации. Отсутствие среди рассматриваемых конформеров метастабильных форм (характеризующихся мнимыми колебательными частотами) дало возможность оценить не только энтальпийные характеристики, но и через формализм статсумм оценить многие энтропийные параметры спирализации. На рисунке 6 приведены изменения теплоты образования и гиббсовой энергии при спирализации молекулы 8-ВААААААА.

Рис.6. Изменение свободной энергии (1) и теплоты образования (2) в процессе спирализации молекулы аланинового октапептида с включенным на N-конце остатком аспартата.

Обращает на себя внимание резкое изменение энтальпии в течение первых 20 не процесса (кривая 2). Такое увеличение термодинамической стабильности системы является отражением начала комнактизации молекулы за счет формирования внутриостовных водородных связей в области аспартата. Дальнейший выход энталышйной кривой 2 в затухающую колебательную фазу отражает процесс завершения регуляризации межвитковых пептидных Н-связей с небольшими флуктуациями геометрии спирализованного остова олигопептида около положения равновесия. При этом, разные стадии процесса «закручивания» пептида оказывается характеризуются и разным видом спектра нормальных колебаний соответствующих конформеров. Так, если для начального состояния олигопептида - состояния вытянутой цепочки, длинноволновая граница спектра нормальных колебаний лежит в области очень низких частот, порядка 5 см"', то для конформера 20 пикосекундной молекулярной динамики, где начинают формироваться внутримолекулярные Н-связи, эта граница мод уже сдвигается в область 10 см"1. Для полностью организованной спиральной структуры с формировавшейся сеткой водородных связей граница спектра перемещается еще дальше в высокочастотную область и лежит уже в районе 20 см"1.

Поскольку наибольший вклад в термодинамику колебательных процессов вносят, как известно, самые низкочастотные моды, то согласно полученным данным ясно, что в рассматриваемой кинетике спирализации олигопептида состояние колебательной энтропии должно играть значительную роль. Из графика 1 (рис.6) видно, что энтропийный вклад в суммарную энергетику процесса действительно оказывается не малым. При этом, хотя изменения гиббеовой энергии и остается симбатными изменениям энтальпии, по имеет более пологий характер, что свидетельствует о важном вкладе энтропийного фактора в процессе организации альфа-спиралей. Олигонептиды без остатков Asp и Glu, т.е. полностью лишенные «зародышевых» центров за время 100 пикосекундной МД спирали так и не образовали (рис. 6, два нижних случая), что является подтверждением важной роли кислых аминокислот для спирализации цени или, по крайней мере, для значительного ускорения этого процесса.

В дальнейшем, на основе статистики распределения аминокислотных остатков в альфа-спиральных участках природных белков, мы обосновали ключевую иниицирующую роль в данном процессе кислых и основных аминокислотных остатков -аспартата, глутамата, аргинина, лизина и гистидина. Именно они чаще остальных расположены непосредственно в начале (в так называемой «N-cap» зоне - Asp, Glu) и на конце (в «С-сар» зоне - Arg, Lys, His) спирали, или за 1-2 остатка от условных границ спирали. Основные же аминокислотные остатки (Arg, Lys, His) рассматриваются нами в качестве факторов, либо терминирующих прямую спирализацию, либо запускающих обратную спирализацию. Предпосылками для данного предположения послужили как уже упомянутая статистика распределения аминокислот в спиралях, так и возможность боковых групп основных остатков также образовывать водородные связи с остовом цепи. Отметим, что число бифуркационных водородных связей, свивающих остов цепи, как при прямой, так и при обратной спирализации, увеличивается при появлении в боковой группе «затравки» заряда. В дальнейшем, значительная часть расчетов проводилась именно для цепей, содержащих депротонированные кислые или протонированные основные аминокислоты.

Терминирование спирализации и «обратная» спирализация моделировались в ходе МД-расчета (в силовом поле OPLS) коротких олигопептвдов с включенными в их состав положительно заряженными остатками аргинина (Arg), лизина (Lys) или гистидина (His) - в середине последовательности или на ее С-конце. Анализ рассчитанной МД-траектории показал, что геометрия молекулы, с включенным в ее состав «терминирующим спирализацию» остатком, претерпевает значительные изменения: положительно заряженная боковая группы 7-го остатка успешно конкурирует за водородное связывание с группами С=0 основной цепи, что приводит к разрыву межвитковых Н-связей и излому геометрии остова молекулы. Вместе с разрывом указанных внутримолекулярных водородных связей, в молекуле образуются новые - уже между заряженной боковой N-H группой терминирующего остатка и неподеленными парами кислорода из С=0 основной цепи. Результатом данных конформационных перестроек и переключения сетки водородных связей является нарушение спирализации участка цепи, причем строго в направлении от N-конца к С-концу аминокислотной последовательности (рис. 7)

Рис.7. Исходная спиральная цепочка 12-ти аланинов с включенным в середину остатком лизина; та же молекула после 100-пс МД-симуляции.

Таким образом, заряженные аминокислотные остатки могут, по-видимому, реализовывать как «прямую спирализацию», так и ее терминацию. Помимо этого, существует предположение, что образование альфа-спирали, в принципе, может стартовать и с С-конца цепи. То есть, может реализоваться как бы «обратная» спирализация олигопептида - случай, когда процесс образования вторичной структуры

направлен против направления синтеза цепи. Ключевым моментом здесь является наличие на С-конце цепи положительно заряженных остатков - аргинина, лизина или гистидина - именно они, по нашему мнению, запускают «обратную» спирализацию. Моделирование такого процесса осуществлялось следующим образом: олигоиептиды различной длины и природы, с обязательным включением в состав молекулы (на С-конце) остатка лизина, аргинина или гистидина (в качестве «затравки» для спирализации) подвергались 100-пс молекулярной динамике в силовом поле ОРЬ8. Перед расчетом геометрия системы была в обязательном порядке оптимизирована. Некоторые результаты расчета показаны на рисунке 8. Анализ траектории молекулярной динамики, отражающей «обратную» спирализацию олигопептида, подтвердил предположенную способность основных аминокислотных остатков инициировать процесс образования витков спирали на С-конце последовательности.

Рис.8. Исходные «вытянутые» цепочки олигопептидов с основными «затравками» и структуры этих же молекул после 100-пс МД-симуляции. Вид сбоку и с горца.

Благодаря бифуркационным водородным связям, остатки аргинина (Arg) или лизина (Lys) или гистидина (His) также способны образовывать первый виток спирали -но, в отличие от кислых остатков - уже на С-конце цепи. Как и в случае прямой спирализации, этот процесс можно условно разделить на ряд стадий. Сначала протонированная боковая тругта остатка аргинина, лизина или гистидина «находит» ближайший к ней атом карбонильного кислорода основной цепи и «подтягивается» к нему, путем образования водородной связи. После этого, остов цепи, изгибаясь, формирует дополнительные Н-связи вокруг протонированной боковой группы «затравки», образуя своеобразный «завиток». Дальнейшее развитие процесса, в целом, подобно «прямой» спирализации — происходит путем достаточно быстрого достраивания

и наращивания числа регулярных межвитковых пептидных водородных связей либо до конца цепочки, либо до начала действия какого-нибудь структурного фактора, терминирующего спирализацию.

Энергетические характеристики «обратной» спирализации, в целом, подобны таковым у «прямой». Квантово-химический расчет отдельных стадий процесса «закручивания» остова пептида показал, что в ходе спирализации, инициированной на С-конце макромолекулы основными аминокислотными остатками, тоже наблюдаются изменения в спектре нормальных колебаний, причем в области низкочастотных мод. Как и в случае прямой спирализации, для начального состояния олигопептида - состояния нерегулярной цепи - длинноволновая граница спектра нормальных колебаний лежит в области очень низких частот, порядка 3 см'1. Однако, уже для конформера 30 пикосекундной молекулярной динамики, где начинают формироваться внутримолекулярные Н-связи, эта граница мод уже сдвигается в область 8 см"1, а для полностью организованной спиральной структуры, со сформировавшейся сеткой водородных связей, граница спектра перемещается еще дальше в высокочастотную область и лежит уже в районе 11 см .

В целом отметим, что различия в характеристиках «прямой» и «обратной» спирализации отнюдь не драматически велики. Оба этих процесса протекают по механизму образования сетки водородных связей, следствием чего является изменение геометрии остова цепи олигопептида в спиральную конформацию. Данные геометрические перестройки имеют в качестве движущей силы уменьшение энтропии, что подтверждается квантово-химическими расчетами отдельных стадий спирализации. Принимая во внимание четко направленный характер биосинтеза белка, отметим, что в рибосомальном канале возможна реализация лишь прямой спирализации пептидной цепи, в то время как при ренатурации, скорее всего, запускаются оба типа спирализации - и К- и С-конец нерегулярной цепи эффективно и быстро восстанавливают альфа-спираль «навстречу» друг другу.

Важно отметить, что в пользу тезиса о необходимости наличия «затравок» спирализации говорят и данные о предпочтительном содержании остатков аспартата, глутамата, аргинина, лизина и гистидина в начале и конце альфа-спиральных участков природных белков, причем этот феномен рассматривается не как причина, а как следствие. Между тем, в многочисленных опытах по замене кислых аминокислотных остатков на аланин и другие альфатические аминокислоты показано, что после такой процедуры степень спиральности протеина сильно снижается, что можно интерпретировать как последствия удаления инициатора спирализации.

Спирализация в водной среде. Влияние растворителя

Конечно, реальные молекулы аминокислот, пептидов и белков функционируют не в вакууме, а в условиях водного и ионного окружения, поэтому следующим логическим шагом в нашем исследовании был учет влияния, прежде всего, водного окружения на структуру исследуемых молекул - в приближении «супермолекулы» (с явным учетом молекул среды). В первую очередь, была сделана оценка роли водородных связей молекул воды в организации структуры одиночных аминокислот и, в первую очередь, их цвиттер-ио1шых форм. На примере цвиттер-ионных комплексов «глицин + 12Н20» и «аланин + 12Н20» было рассмотрено влияние молекул воды первой гидратной оболочки на конформацию аминокислот. Проведенный оптимизационный

конформационный расчет показал, что по отношению к изолированному цвиттер-иоиу его гидратировашия форма претерпевает дополнительную подвижку основного торсионного угла Н-Са-С=0. Если в 'исходной форме этот угол б низок к 10°, то при гидратации он увеличивается примерно до 60°. Проведенное более полное сравнение геометрических параметров полученной гидратировапной формы таких аминокислот с кристаллографическими экспериментальными данными из Protein Data Bank, для соответствующих аминокислот в структуре белков, выявило их довольно хорошее взаимное соответствие, поэтому в целом, можно сказать, что наличие связанной воды действительно облегчает организацию аминокислотных остатков в структуру альфа-спирали.

После изучения динамического поведения молекул олигопептидов в газовой фазе и обоснования механизма ускоренной спирализации остова молекулы в силу образования бифуркационных водородных связей, было оценено влияние на этот процесс молекул растворителя (воды). В расчетах использовалась модель «водного ящика» («водного бокса») («water box») с расстоянием до ближайшей стенки 10 А. Водное окружение моделировалось известной параметризацией TIP3P. Перед расчетами «растворению» и оптимизации с градиентом полной энергии 0.001 ккал/моль в водном боксе подвергались олигопептиды, динамическое поведение которых ранее было изучено в газовой фазе: DAAAAAAA (полиаланин с аспартатом на N-конце), ЕАААЛААА (полиаланин с глутаматом на N-конце), AAAAAAAH (полиаланин с гистидшюм на С-конце). Время расчета молекулярной динамики равнялось 100 пс; это было обосновано как равным временем с газофазной системой, так и длительностью расчета крупной системы: водного комплекса пептида - на персональном компьютере.

Анализ МД-траектории показал, что динамика спирализации растворенной молекулы пептида оказывается сильно замедленной, по крайней мере, на два порядка -ввиду наличия у водного комплекса пептида гораздо большего числа степеней свободы (по сравнению с изолированной молекулой). Времена образования на протяженной молекуле пептида первых спиральных нуклеаций оказываются сдвинутыми из области десятков пикосекунд, характерных для «спирализации» газофазного олигопептида - в область наносекунд, полученных для сворачивания в спираль гидратированного олигопептида. Данный факт можно объяснить влиянием воды - не только как существенной части системы, драматически увеличивающей число степеней свободы комплекса «пептид-водное окружение», но и выступающей в роли конкуре:гта за места водородного связывания на поверхности остова молекулы.

В целом, компактизация олигопептндной цепи, изначально взятой в нерегулярной конформации и изменение углов «фи» и «пси» в сторону значений, близких к параметрам звена альфа-спирали, начинает наблюдаться в области времен порядка 200 пс - в ходе расчета молекулярной динамики аланинового октапептида с аспартатом на N-конце последовательности. Полученный результат хорошо согласуется как с теоретическими, так и с экспериментальными данными других авторов по динамическому поведению белков и пептидов в растворах и может рассматриваться как доказательство сохранения постулируемого механизма образования первого витка альфа-спирали при учете в системе эффектов влияния растворителя.

Заключение:

Исследование особенностей электронной структуры отдельных аминокислот, коротких пептидов, а также исследование динамического поведения таких молекул является важной фундаментальной задачей, которая может успешно решаться с помощью современных методов компьютерного молекулярного моделирования.

В данной работе впервые в едином приближении проведены детальные и последовательные исследования сразу нескольких классов молекул: аминокислот, модельных монопептидов и олигопептидов; показана возможность формирования бифуркационной водородной связи в боковых группах кислых аминокислотных остатков и обоснована ключевая роль такой связи в инициировании альфа-спиральной нуклеации на К-конце спиральных участков; методическая новизна работы заключается в совместном использовании двух дополняющих друг друга теоретических подходов -квантово-химического и молекулярно-динамического, что позволило связать особенности электронной структуры заряженных остатков с их ролью в динамическом поведении пептидов.

Подробно исследованные особенности электронного строения пептидов и аминокислотных остатков позволили обосновать ключевую роль боковых групп кислых и основных аминокислот не только для сталибизации альфа-спиралей, но и для их ускоренного сворачивания. На основе результатов удалось уточнить существующий механизм начала спирализации полипептидной цепи.

Результаты проведённых теоретических исследований имеют большое значение как для понимания фундаментальных процессов сворачивания пептидов и белков, так и для рационального дизайна конструируемых биомакромолекул.

Выводы:

1. Заряженные аминокислотные остатки аспартата, глутамата, аргинина, лизина и гистидина не только стабилизируют альфа-спирали в пептидах и белках, но и обладают уникальным свойством инициировать образование элементов вторичной структуры такого типа. Следствием данного процесса является наблюдаемое пограничное расположение таких остатков - до или после спирального участка в последовательности.

2. Механизмы инициации «прямой» и «обратной» альфа-спирализации олигопептидов имеют общую природу. Ключевой вклад в этот процесс вносят боковые группы кислых и основных аминокислотных остатков, формирующие бифуркационные водородные связи с остовом пептида, приводящие к «спиральному» закручиванию его структуры.

3. В водной среде предлагаемый механизм инициирования первого витка альфа-спирали сохраняется, однако динамика спирализации растворенной молекулы оказывается замедленной, по крайней мере, на два порядка.

4. Предлагаемый механизм запуска образования альфа-спирали не противоречит экспериментальным данным и может использоваться для уточнения предсказательных алгоритмов определения содержания такого типа вторичной структуры в новых пептидах.

Список публикаций по теме диссертации

1. Кондратьев М.С., Кабанов 'А.В., Комаров В.М. ««Спиралеобразующие» конформеры в структурной организации метиламидов М-ацетил-альфа-L-аминокислот. Квантово-химический РМЗ анализ». Биофизика, 2007. том 52, №3. стр. 401-408.

2. Кондратьев М.С., Самченко А.А., Комаров В.М., Кабанов А.В. «Сравнительный конформационный анализ вращательных изомерных форм свободных метиламидов К-ацетил-альфа-Ь-аминокислот». «Математика. Компьютер. Образование» Том 13,2006. стр.443-452.

3. Кондратьев М.С., Самченко А.А., Комаров В.М., Кабанов А.В. «Некоторые аспекты структуры и информационной лабильности природных L-аминокислот и модельных олигопептидов». «Математика. Компьютер. Образование» Том 12, 2005. стр.899-916.

4. Kondratycv M.S., Kabanov A.V., Samchenko АЛ., Komarov V.M. «Aspartic and Glutamic acids are important for alpha-helix folding». JBSD, 2007. Vol.24, Iss.6. P.756.

5. «Квантово-химический анализ термодинамических и спектральных характеристик изомерных форм 20 аминокислот». Тезисы доклада на конференции «Математнка.Компыотер.Образование», Дубна, 2004.

6. «Особенности электронной структуры спиральной конформации коротких пептидов». Тезисы доклада на 8-й Международной Пущинской школе-конференции «Биология - наука XXI века». Пущино, 2004.

7. «Полуэмпирическое РМЗ-исследование пространственной организации коротких олигопептидных последовательностей». Тезисы доклада на третьем Съезде биофизиков России. Воронеж, 2004.

8. «РМЗ-исследование особенностей энергетики и пространственной структуры 20 аминокислот и некоторых пептидов». Тезисы доклада па Симпозиуме но конформациям и структуре молекул. Пущино, 2004.

9. «Некоторые аспекты структуры и информационной лабильности L-аминокислот и модельных олигопептидов». Тезисы доклада на конференции «Математика.Компьютср.Образование», Пущино,2005. стр.192.

10. «РМЗ-исследование структурных свойств основшлх конформеров 20 природных L-аминокислот». Тезисы доклада на конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины». Москва, 2005.

11. «Конформационная лабильность природных L-аминокислот и некоторых олигопептидов в изолированном состоянии и в воде». Тезисы доклада на 9-й Международной Путинской школе-конференции «Биология - наука XXI века». Пущино, 2005. cip.31.

12. «Сравнительный информационный анализ вращательных изомерных форм свободных метиламидов >1-ацетил-альфа-Ь-аминокислот». Тезисы доклада на конференции «Математика.Компьютер.Образование», Дубна, 2006. стр.217.

13.«Что может являться инициирующим началом альфа-спирали?» Тезисы доклада на 10-й Международной Пущинской школе-конференции «Биология - наука XXI века». Пущино, 2006.

14. «Структурные особенности монопептидов, тяготеющих к спиральной организации аминокислотных последовательностей». Тезисы доклада на Конференции по конформациям и структуре молекул. Санкт-Петербург. 2006.

15.«Оценка роли аспартатных и глутаматных аминокислотных остатков в спирализации структуры модельных и нативных олигопептидов». Тезисы доклада на конференции «Математика.Компьютер.Образование», Пущино, 2007. стр.277.

16.«Aspartic and Glutamic acids are important for alpha-helix folding». Albany 2007. The 15 th Conversation. State University of New York. Albany, NY, USA. June 19-23 2007

17. «Моделирование процесса спирализации и деспирализации олигопептидов, содержащих «затравочные» и «терминирующие» точки». Тезисы 1П Российского симпозиума «Белки и пептиды», Пущино, 16-21 сентября 2007 г. стр. 42.

18. «Анализ эффективности образования альфа-спиралей в аминокислотных последовательностях различной природы. QM и MD-исследование». Тезисы XV Международной конференции «Математика.Компьютер.Образование» Дубна, 28 января-2 февраля 2008, т.15.стр.181.

19. ««Обратная» альфа-спирализация олигопептидов и факторы, ее запускающие». Тезисы 12-ой Международной Пущинской школы-конференции «Биология -наука XXI века», стр.33.

20. «Боковые цепи монопептидов аспартата и глутамата способны индуцировать изменение углов «фи» и «пси». Депротонирование карбоксильных групп и спирализация остова». Тезисы доклада на конференции «Математика.Компьютер.Образовапие», Пущино, 2009. стр.263.

Подписано в печать:

20.01.2009

Заказ № 1484 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование механизма организации спиральной структуры олигопептидов"

Актуальность проблемы4

Цель и задачи исследования7

Научная новизна8

Практическая значимость работы8

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Кондратьев, Максим Сергеевич

Выводы:

1. Заряженные аминокислотные остатки аспартата, глутамата, аргинина, лизина и гистидина не только стабилизируют альфа-спирали в пептидах и белках, но и обладают уникальным свойством инициировать образование элементов вторичной структуры такого типа. Следствием данного процесса является наблюдаемое пограничное расположение таких остатков — до или после спирального участка в последовательности.

2. Механизмы инициации «прямой» и «обратной» альфа-спирализации олигопептидов имеют общую природу. Ключевой вклад в этот процесс вносят боковые группы кислых и основных аминокислотных остатков, формирующие бифуркационные водородные связи с остовом пептида, приводящие к «спиральному» закручиванию его структуры.

3. В водной среде предлагаемый механизм инициирования первого витка альфа-спирали сохраняется, однако динамика спирализации растворенной молекулы оказывается замедленной, по крайней мере, на два порядка.

4. Предлагаемый механизм запуска образования альфа-спирали не противоречит экспериментальным данным и может использоваться для уточнения предсказательных алгоритмов определения содержания такого типа вторичной структуры в новых пептидах.

Заключение:

Исследование особенностей электронной структуры отдельных аминокислот, коротких пептидов, а также исследование динамического поведения таких молекул является важной фундаментальной задачей, которая может успешно решаться с помощью современных методов компьютерного молекулярного моделирования.

В данной работе впервые в едином приближении проведены детальные и последовательные исследования сразу нескольких классов молекул: аминокислот, модельных монопептидов и олигопептидов; показана возможность формирования бифуркационной водородной связи в боковых группах кислых аминокислотных остатков и обоснована ключевая роль такой связи в инициировании альфа-спиральной нуклеации на 1Ч-конце спиральных участков; методическая новизна работы заключается в совместном использовании двух дополняющих друг друга теоретических подходов — квантово-химического и молекулярно-динамического, что позволило связать особенности электронной структуры заряженных остатков с их ролью в динамическом поведении пептидов.

Подробно исследованные особенности электронного строения пептидов и аминокислотных остатков позволили обосновать ключевую роль боковых групп кислых и основных аминокислот не только для сталибизации альфа-спиралей, но и для их ускоренного сворачивания. На основе результатов удалось уточнить существующий механизм начала спирализации полипептидной цепи.

Результаты проведённых теоретических исследований имеют большое значение как для понимания фундаментальных процессов сворачивания пептидов и белков, так и для рационального дизайна конструируемых биомакромолекул.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Кондратьев, Максим Сергеевич, Пущино

1. Rose G.D., Fleming P. J., Banavar J.R., Maritan A. A backbone-based theory of protein folding. //Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 2006. V.103. P.16623-16633.

2. Anfinsen C.B. Principles that govern the folding of protein chains. // Science. 1973. V.18. P.223-230.

3. Jeffrey G.A., Saenger W. Hydrogen bonding in biological structures. Springer-Verlag. 1991.569 P.

4. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х т. — M.: Мир., 1985. 367 стр.

5. Гурская Г.В. Структуры аминокислот. — М.: Наука., 1966. 159 стр.

6. Финкелыптейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. — М.: Книжный дом «Университет», 2002.376 стр.

7. Berman Н.М., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissig H., Shindyalov I.N., Bourne P.E. The Protein Data Bank. //Nucleic Acids Research. 2000. V.28. P.235-242.

8. Pauling L., Corey R.B. The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. //Proc.Nat.Acad.Sci.USA. 1951. V.37. P.205-211.

9. Pauling L., Corey R.B. Configurations of Polypeptide Chains With Favored Orientations Around Single Bonds: Two New Pleated Sheets. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1951. V.37. P.729-740.

10. Pauling L, Corey R.B. The polypeptide-chain configuration in hemoglobin and other globular proteins. //Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1951. V.37. P.282-285.

11. Elliott A. and Malcolm B. R. Chain Arrangement and Sense of the a-Helix in Poly-L-Alanine Fibres. // Proc.Roy.Soc.London. 1959. A. 249. P.30-41.

12. Fasman G.D., Blout E.R. The Synthesis and the Conformation of Poly-L-serine and Poly-O-acetyl-L-serine. // Journal of the American Chemical Society. 1960. V.82. P.2262-2267.

13. Auer H.E., Doty P. The conformational stability of alpha-helical nonpolar polypeptides in solution. //Biochemistry. 1966. V.5. P.1716-1725.

14. Chou P.Y., Fasman G.D. Conformational parameters for amino acids in helical, betasheet, and random coil regions calculated from proteins. // Biochemistry. 1974. V.13. P.211-222.

15. Chou P.Y., Fasman G.D. Prediction of protein conformation. // Biochemistry. 1974. V.13. P.222-245.

16. Спирин A.C. Структура рибосомы и биосинтез белка. М: Высшая школа, 1986.

17. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах, 2-е издание. М.: Мир, 1993.

18. Levinthal С. Are there pathways for protein folding? // J.Chim.Phys. PCB. 1968. V.65. P.44-45.

19. Karplus M. The Levinthal paradox: yesterday and today. // Fold.Des. 1997.V.2. P.69-75.

20. Shakhnovich E.I. Theoretical studies of protein-folding thermodynamics and kinetics. // Curr.Opin.Struct.Biol. 1997. V.7. P.29-40.

21. Honig B. Protein folding: from the Levinthal paradox to structure prediction. // J.Mol.Biol. 1999. V.293. P.283-93.

22. Shastry M.C., Roder H. Evidence for barrier-limited protein folding kinetics on the microsecond time scale. //Nat.Struct.Biol. 1998. V.5. P.385-392.

23. Jones C.M., Henry E.R., Hu Y, Chan C.K., Luck S.D., Bhuyan A., Roder H., Hofrichter J., Eaton W.A. Fast events in protein folding initiated by nanosecond laser photolysis. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1993. V.90. P.l 1860-11864.

24. Pascher Т., Chesick J.P., Winkler J.R., Gray H.B. Protein folding triggered by electron transfer. // Science. 1996. V.271. P.1558-1560.

25. Mines G.A., Pascher Т., Lee S.C., Winkler J.R., Gray H.B. Cytochrome С folding triggered by electron transfer. // Chem.Biol. 1996. V.3. P.491-497.

26. Nolting B. Temperature-jump induced fast refolding of cold-unfolded protein. // Biochem.Biophys.Res.Commun. 1996. V.227. P.903-908.

27. Ballew R.M., Sabelko J., Gruebele M. Observation of distinct nanosecond and microsecond protein folding events. //Nat.Struct.Biol. 1996. V.3. P.923-926.

28. Ballew R.M., Sabelko J., Gruebele M. Direct observation of fast protein folding: the initial collapse of apomyoglobin. //Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1996. V.93. P.5759-5764.

29. Eaton W.A, Muñoz V., Thompson P.A., Chan C.K., Hofrichter J. Submillisecond kinetics ofprotein folding. // Curr.Opin.Struct.Biol. 1997. V.7. P.10-14.

30. Tsong T.Y., Baldwin R.L. A sequential model of nucleation-dependent protein folding: kinetic studies of ribonuclease A. // J.Mol.Biol. 1972. V.63. P.453-469.

31. Tsong T.Y., Baldwin R.L., Elson E.L. The sequential unfolding of ribonuclease A: detection of a fast initial phase in the kinetics of unfolding. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1971. V.68. P.2712-2715.

32. Ptitsyn O.B. Thermodynamic parameters of helix-coil transitions in polypeptide chains. //Pure.Appl.Chem. 1972. V.3 l.P .227-244.

33. Finkelstein A.V., Ptitsyn O.B. Statistical analysis of the correlation among amino acid residues in helical, beta-structural and non-regular regions of globular proteins. // J.Mol.Biol. 1971. V.62.P.613-24.

34. Ptitsyn O.B. Stages in the mechanism of self-organization of protein molecules. // Dokl.Akad.Nauk SSSR. 1973. V.210.P.1213-1215.

35. Pande V.S., Grosberg A.Yu., Tanaka Т., Rokhsar D.S. Pathways for protein folding: is a new view needed? // Curr.Opin.Struct.Biol. 1998. V.8.P.68-79.

36. Dill K.A., Chan H.S. From Levinthal to pathways to funnels. // Nat.Struct.Biol. 1997. V.4.P.10-19.

37. Wolynes P.G. Energy landscapes and solved protein-folding problems. // Philos.Transact.A Math.Phys.Eng.Sci. 2005. V.363. P.453^64.

38. Bogatyreva N.S., Finkelstein A.V. Cunning simplicity of protein folding landscapes. // Protein Eng. 2001. V.14.P.521-523.

39. Лим В.И. Котрансляционное, косекреторное сворачивание белка и его ренатурация из денатурированного состояния. //Биофизика. 1991. Т.36. №3.441-454.

40. Fedorov A.N., Baldwin Т.О. Cotranslational protein folding. // J.Biol.Chem. 1997. V. 272. P.32715-32718.

41. Башаров M.A. Котрансляционное сворачивание белков. // Биохимия. 2000. Т.65. Вып. 12. С.1639-1644.

42. Колб В.А. Котрансляционное сворачивание белков. // Молекулярная биология. 2001. Т.35, №4. С.682-690.

43. Wright P.E., Dyson H.J., Lerner R.A. Conformation of peptide fragments of proteins in aqueous solution: implications for initiation of protein folding. // Biochemistry. 1988. V.20. P.7167-75.

44. Teale J.M., Benjamin D.C. Antibody as immunological probe for studying refolding of bovine serum albumin. Refolding within each domain. // J.Biol.Chem. 1977. V.10. P.4521-4526.

45. Blond-Elguindi S., Goldberg M.E. Kinetic characterization of early immunoreactive intermediates during the refolding of guanidine-unfolded Escherichia coli tryptophan synthase beta 2 subunits. // Biochemistry. 1990. V.29. P.2409-2417.

46. Спирин A.C. Молекулярная биология. Биосинтез белка. М.: Высшая школа, 1984.

47. Lim V.I., Spirin A.S. Stereochemical analysis of ribosomal transpeptidation. Conformation of nascent peptide. //J.Mol.Biol. 1986. V.188. P.565-574.

48. Tanford C. Protein denaturation. // Adv.Protein.Chem. 1968. V.23. P.121-282.

49. Anfinsen C.B., Scheraga H.A. Experimental and theoretical aspects of protein folding. // Adv.Protein.Chem. 1975. V.29. P.205-300.

50. Kim P.S., Baldwin R.L. Specific intermediates in the folding reactions of small proteins and the mechanism of protein folding. // Annu.Rev.Biochem. 1982. V.51. P.459-489.

51. Kim P.S, Baldwin R.L. Intermediates in the folding reactions of small proteins. // Annu.Rev.Biochem. 1990. V.59. P.631-60.

52. Privalov P.L. Stability of proteins. Proteins which do not present a single cooperative system. // Adv.Protein.Chem. 1982. V.35.P.1-104.

53. Creighton Т.Е. Protein folding. // Biochem.J. 1990. V.270. P.l-16.

54. Finkelstein A.V., Reva B.A. A search for the most stable folds of protein chains. // Nature. 1991. V.351. P.497-499.

55. Dill K.A., Bromberg S., Yue K., Fiebig K.M., Yee D.P., Thomas P.D., Chan H.S. Principles of protein folding a perspective from simple exact models. // Protein Sci. 1995. V.4. P.561-602.

56. Baum J., Brodsky B. Folding of peptide models of collagen and misfolding in disease. // Curr.Opin.Struct.Biol. 1999. V.9. P. 122-128.

57. Kelly J.W. The environmental dependency of protein folding best explains prion and amyloid diseases. //Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1998. V.95. P.930-932.

58. Jaenicke R. Folding and association of proteins. // Prog.Biophys.Mol.Biol. 1987. V.49. P.l 17-237.

59. Tsou C. Folding of the nascent peptide chain into a biologically active protein. // Biochemistry. 1988. V.27. P. 1809-1812.

60. Fischer G., Schmid F.X. The mechanism of protein folding. Implications of in vitro refolding models for de novo protein folding and translocation in the cell. // Biochemistry. 1990. V.29. P.2205-2212.

61. Jaenicke R. Protein folding: local structures, domains, subunits, and assemblies. // Biochemistry. 1991. V.30. P.3147-3161.

62. Baker D., Agard D.A. Kinetics versus thermodynamics in protein folding. // Biochemistry. 1994. V.33. P.7505-7509.

63. Chasse G.A., Rodriguez A.M., Mak M. L., Deretey E., Perczel A., Sosa C. P., Enriz R. D. and Csizmadia I. G. //J.Mol.Stract.(THEOCHEM). 2001. V.537. P.319-361.

64. Socci N.D., Onuchic J.N., Wolynes P.G. Protein folding mechanisms and the multidimensional folding funnel. // Proteins. 1998. V.32. P.136-58.

65. Dobson C.M. NMR spectroscopy and protein folding: studies of lysozyme and alpha-lactalbumin. // Ciba.Found.Symp. 1991. V.161. P.167-181.

66. Fersht A.R. From the first protein structures to our current knowledge of protein folding: delights and scepticisms. //Nat.Rev.Mol.Cell.Biol. 2008. V.9. P.650-654.

67. Mirny L.A., Finkelstein A.V., Shakhnovich E.I. Statistical significance of protein structure prediction by threading. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 2000. V.97. P.9978-9983.

68. Dill K.A., Ozkan S.B., Shell M.S., Weikl T.R. The protein folding problem. // Annu.Rev.Biophys. 2008. V.37. P.289-316.

69. Daggett V. Protein folding-simulation. // Chem.Rev. 2006. V.106. P.1898-1916.

70. Ефимов A.B., Кондратова M.C. Сравнительный анализ межспиральных полярных взаимодействий в различных упаковках а-спиралей в белках. // Молекулярная биология. 2003. Том.37, №3. Стр.515-521.

71. Рахманинова А.Б., Миронов А.А. Изменение энтропии свободной полипептидной цепи при образовании водородных связей. // Молекулярная биология. 2001. Том.35, №3. Стр.451-461.

72. Go N. The consistency principle in protein structure and pathways of folding. // Adv.Biophys. 1984. V.18. P. 149-164.

73. Go N. Theoretical studies of protein folding. // Annu.Rev.Biophys.Bioeng. 1983. V.12. P.183-210.

74. Karplus M., Weaver D.L. Diffusion-collision model for protein folding. // Biopolymers. 1979. V.18. P.1421-1437.

75. Ptitsyn O.B. Structures of folding intermediates. Curr.Opin.Struct.Biol. 1995. V.5.P.74-78.

76. Galzitskaya O.V., Higo J, Finkelstein A.V. a-Helix and р-Hairpin Folding from Experiment, Analytical Theory and Molecular Dynamics Simulations. // Current Protein & Peptide Science. 2002. V.3. P.191-200.

77. Daidone I., D'Abramo M., Di Nola A., Amadei A. Theoretical characterization of alpha-helix and beta-hairpin folding kinetics. // J.Am.Chem.Soc. 2005. V.127. P.14825-14832.

78. Nolting В., Agard D.A. How general is the nucleation-condensation mechanism? Proteins. 2008. V.73. P.754-764.

79. Levitt M., Warshel A. Computer simulation of protein folding. // Nature. 1975. V. 253. P.694-698.

80. Tanaka S., Scheraga H.A. Model of protein folding: inclusion of short-, medium-, and long-range interactions. //Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1975. V.12. P.3802-3806.

81. Wright P.E., Dyson H.J., Lerner R.A. Conformation of peptide fragments of proteins in aqueous solution: implications for initiation of protein folding. //Biochemistry. 1988. V.27. P.7167-7175.

82. Sansom M.S., Tieleman D.P., Berendsen H.J. The mechanism of channel formation by alamethicin as viewed by molecular dynamics simulations. // Novartis.Found.Symp. 1999. V.225. P.128-141.

83. Skolnick J., Kolinski A. Dynamic Monte Carlo simulations of a new lattice model of globular protein folding, structure and dynamics. //J.Mol.Biol. 1991. V.221. P.499-531.

84. Sung S.S., Helix folding simulations with various initial conformations. // Biophys.J. 1994. V.66. P.1796-1802.

85. Sung S.S., Folding simulations of alanine-based peptides with Lysine residues. // BiophysJ. 1995. Y.68.P.826-834.

86. Cheung M.S., Garcia A.E., Onuchic J.N. Protein folding mediated by solvation: water expulsion and formation of the hydrophobic core occur after the structural collapse. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 2002. V.99. P.685-690.

87. Zhou R. Trp-cage: folding free energy landscape in explicit water. // Proc.Natl.Acad.Sci. USA. 2003. V.100. P.13280-13285.

88. Herges T, Wenzel W. In silico folding of a three helix protein and characterization of its free-energy landscape in an all-atom force field. //Phys.Rev.Lett. 2005. V.94. P.018101.

89. Levy Y, Onuchic J.N. Water mediation in protein folding and molecular recognition. // Annu.Rev.Biophys.Biomol.Struct. 2006. V.35. P.389-415.

90. Sasaki S., Noda Y. Aquaporin-2 protein dynamics within the cell. // Curr.Opin.Nephrol.Hypertens. 2007. V.16. P.348-352.

91. Snow C.D, Sorin E.J., Rhee Y.M., and Pande V.S. How well can simulation predict protein folding kinetics and thermodynamics? // Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 2005. V.34. P.43-69.

92. Scheraga H.A, Khalili M., Liwo A. Protein-folding dynamics: overview of molecular simulation techniques. // Annu.Rev.Phys.Chem. 2007. V.58. P.57-83.

93. Шайтан K.B., Терёшкина К.Б. Молекулярная динамика белков и пептидов. Методическое пособие. М: МГУ, 2004.

94. Михайлюк Максим Григорьевич. Молекулярная динамика элементов вторичной структуры и пространственно-временные корреляции атомных групп в белках. Дисс. на соискание ученой степени канд.физ-мат. наук. Москва. 2003.

95. Forcellino F., Derreumaux P. Computer simulations aimed at structure prediction of supersecondaiy motifs in proteins. //Proteins. 2001. V.45. P.159-166.

96. Gumbart J., Wang Y., Aksimentiev A., Tajkhorshid E., Schulten K. Molecular dynamics simulations of proteins in lipid bilayers. // Curr.Opin.Struct.Biol. 2005. V.15. P.423-431.

97. Karplus M., Kuriyan J. Molecular dynamics and protein function. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 2005. V.102. P.6679-6685.

98. Richardson J.M., Lopez M.M., Makhatadze G.I. Enthalpy of helix-coil transition: missing link in rationalizing the thermodynamics of helix-forming propensities of the amino acid residues. //Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 2005. V.102. P.1413-1418.

99. Marqusee S., Robbins V.H., Baldwin R.L. Unusually stable helix formation in short alanine-based peptides. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1989. V.86. P.5286-90.

100. Karpen M.E., Tobias D.J., Brooks C.L.3rd. Statistical clustering techniques for the analysis of long molecular dynamics trajectories: analysis of2.2-ns trajectories ofYPGDV. // Biochemistry. 1993. V.32. P.412-420.

101. Baldwin R.L. Alpha-helix formation by peptides of defined sequence. // Biophys.Chem. 1995. V.55. P.l27-35.

102. Takano M., Yamato Т., Higo J., Suyama A., and Nagayama K. Molecular dynamics of a 15-residue poly(L-alanine) in water: Helix formation and energetics. // J.Am.Chem.Soc. 1999. V.121.P. 605-612.

103. Daura X., Gademann К., Jaun В., Seebach D., van Gunsteren F., and Mark A.E. Peptide Folding : When Simulation Meets Experiment. // Angew.Chem.Int.Ed. 1999. V.38. P.236-240.

104. Hummer G., Garcia A.E., Garde S. Helix nucleation kinetics from molecular simulations in explicit solvent. //Proteins. 2001. V.42. P.77-84.

105. Hiltpold A., Ferrara P., Gsponer J., and Caflisch A. Free Energy Surface of the Helical Peptide Y(MEARA)6 // J.Phys.Chem.B. 2000. V.104. P.10080-10086.

106. Vila J.A., Ripoll D.R., Scheraga H.A. Physical reasons for the unusual alpha-helix stabilization afforded by charged or neutral polar residues in alanine-rich peptides. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 2002. V.97. P.13075-13079.

107. Gnanakaran S., Nymeyer H., Portman J., Sanbonmatsu K.Y., Garcia A.E. Peptide folding simulations. // Curr.Opin.Struct.Biol. 2003. V.13. P. 168-174.

108. Garcia A.E, Sanbonmatsu K.Y. a-Helical stabilization by side chain shielding of backbone hydrogen bonds. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 2002. V.99. P.2782-2787.

109. Ramajo A.P., Petty S.A., Starzyk A., Decatur S.M., and Volk M. The alpha-Helix Folds More Rapidly at the C-Terminus Than at the N-Terminus. // J.Am.Chem.Soc. 2005. V.127. P.13784-13785.

110. Foresman J.B., Frisch /Eleen «Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods», Second Edition. //Pittsburgh: Gaussian Inc. 1996.

111. Кларк Т. «Компьютерная химия»: пер. с англ. // Москва: Мир — 1990.

112. Weiner S J., Kollman Р.А., Nguyen D.T., and Case D.A. An all-atom force field for simulations of proteins and nucleic acids. // J.Comp.Chem. 1986. V.7. P.230-252.

113. Hartree D.R. «The wave-mechanics of an atom with a non-Coulomb central field. Part I. Theory and methods» // Proc.Camb.Phil.Soc. 1928. V.24. P.89-132.

114. Moller C., Plesset M.S. Moller-Plesset perturbation theory of order n for electron correlation. //Phys.Rev. 1934. V.46. P.618-624.

115. Pople J., Beveridge D.L. (Approximate Molecular Orbital Theory» // McGraw-Hill, New York-1970.

116. Dewar M.J. «The Molecular Theory of Organic Chemistry» // McGraw-Hill, New York 1969.

117. Dewar M.J., Thiel W. Ground States of Molecules. The MNDO Method. Approximations and Parameters. //JAm.Chem.Soc. 1977. V.99. P.4899-4912.

118. Dewar M.J., Zoebisch E.G., Healy E.F., Stewart J.P. AMI: A New General Purpose Quantum Mechanical Molecular Model. // J.Am.Chem.Soc. 1985. V.107. P.3902-3909.

119. Stewart J.J.P. Optimization of Parameters for Semiempirical Methods. I. Method. // J.Comput.Chem. 1989. V.10. P.209-220.

120. Stewart J.J.P. Optimization of Parameters for Semiempirical Methods. II. Applications. //J.Comput.Chem. 1989. V. 10. P.221-264.

121. Stewart J.J.P. Optimization of Parameters for Semiempirical Methods. Ш. Extension of PM3 to Be, Mg, Zn, Ga, Ge, As, Se, Cd, In, Sn, Sb, Те, Hg, Tl, Pb, and Bi. // J.Comput.Chem. 1991. V.12. P.320-341.

122. Stewart J.J.P. MOPAC: A General Molecular Orbital Package. // Quant.Chem.Prog.Exch. 1990. V.10. P.86-97.

123. Stewart J.J.P. Application of Localized Molecular Orbitals to the Solution of Semiempirical Self-Consistent Field Equations. // Int.J.Quant.Chem. 1996. V.58. P.133-146.

124. Becke A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. // J.Chem.Phys. 1993. V.98. P.5648-5652.

125. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. // Phys.Rev.B. 1988. V.37. P.785.

126. Miehlich В., Savin A., Stoll H., Preuss H. Results obtained with the correlation energy density functionals of Becke and Lee, Yang and Parr. // Chem.Phys.Lett. 1989. V.157. P.200-211.

127. Weiner S.J., Kollman P.A., Case D.A., Chandra Singh U., Ghio C., Alagona G., Profeta S., Weiner P. A new force field for molecular mechanical simulation of nucleic acids and proteins. // J.Am.Chem.Soc. 1984. V.106. P.765-784.

128. Weiner S.J., Kollman P.A., Nguyen D.T., Case D.A. An all-atom force field for simulations of proteins and nucleic acids. //J.Comp.Chem. 1986. V.7. P. 230-252.

129. McCammon J.A., Gelin B.R., Karplus M. Dynamics of folded proteins. // Nature. 1977. V.267. P.585-590.

130. Минкин В.И., Симкин Б .Я., Миняев P.M., «Теория строения молекул». М., Наука, 1997.

131. Немухин А.В., Компьютерное моделирование в химии. // Соросовский образовательный журнал. № 26, 1998, стр. 48-54.

132. Степанов Н.Ф., Потенциальные поверхности и химические реакции. // Соросовский образовательный журнал. № 10, 1996, стр. 33-38.

133. David С. Young Computational Chemistry. Willey & Sons Publication, Inc. 2001.

134. Dos Santos H., De Almeida W.B. MNDO/AM1/PM3 quantum mechanical semiempirical and molecular mechanics barriers to inertial rotation: a comparative study. // J.Mol.Struct(THEOCHEM). 1995. V.335. P.129-139.

135. Wang J., Cieplak P. and Kollman P.A. How well does a Restrained Electrostatic Potential (RESP) model perform in calculating conformational energies of organic and biological molecules?//J.Comput.Chem. 2000. V.21. P.1049-1074.

136. Sellers H.L., Schafer L. Investigations Concerning the Apparent Contradiction between the Microwave Structure and the ab Initio Calculations of Glycine // J.Am.Chem.Soc. 1978. V.100. P.7728-7729.

137. Cox J. and Pilcher G. Thermochemistry of Organic and Organometallic Compounds. // Academic Press New York, NY, 1970.

138. Ngauv S., Sabbah.R., Laffitte.M. Thermodynamique de composes azotes. III. Etude thermochimique de la glycine et de la L-a-alanine // Thermochim.Acta. 1977. V.20. P.371-380.

139. Sabbah R., Laffitte M. Thermodynamique de composes azotes. IV. Etude thermochimique de la sarcosine et de la L-proline //Bull.Soc.Chim.Fr. 1978 V.l. P.50-52.

140. Sabbah R., Laffitte M. Enthalpy of formation of solid L-proline // J.Chem.Thermodyn. 1978. V.10. P.100-102.

141. Sabbah R., Minadakis C. Thermodynamique de substances soufrees. II. Etude thermochimique de la L-cysteine et de la L-methionine // Thermochim. Acta. 1981. V.43. P.269-277.

142. Герцберг Г. Электронные спектры и строение многоатомных молекул. Пер. с англ.-М.: Мир, 1969.

143. Гурская Г.В. Структуры аминокислот. — М.: Наука, 1966.

144. Wright L.R., Borkman R.F. Ab Initio Self-Consistent Field Calculations on Some Small Amino Acids // J.Am.Chem.Soc. 1980. V.102. P.6207-6210.

145. Csaszar A.G. Conformers of gaseous glycine. // J.Am.Chem.Soc. 1992. V.114. P.9568-9575.

146. Попов E.M. Проблема белка. Т.З. Структурная организация белка. М.: Наука, 1997. 604 с.

147. Ramachandran G.N., Ramakrishnan С. and Sasisekharan V. Stereochemistry of polypeptide chain configurations. // J.Mol.Biol. 1963. V.7. P.95-99.

148. Ramachandran G.N., and Sasisekharan V. Conformation of polypeptides and proteins. // Adv.Protein Chem. 1968. V.23. P.283-437.

149. Leach S., Nemethy G. and Scheraga H.A. Computation of the sterically allowed conformations of peptides. // Biopolymers. 1966. V.4. P.369-407.

150. Scott R.A. and Scheraga H.A. Conformational analysis of macromolecules. Ш. Helical structures of polyglycine and poly-L-alanine. // J.Chem.Phys. 1966. V.45. P.2091-2101.

151. Bohm H-J. and Brode S. Ab Initio SCF calculations on low-energy conformers of N-Acetyl-N-methylalaninamide and N-Acetyl-N-methylglycinamide. // J.Am.Chem.Soc. 1991. V.l 13. P.7129-7135.

152. Frey R.F., Coffin J., Newton S.Q., Ramek M., Cheng V.K.W., Momany F.A. and Schaefer L. Importance of correlation-gradient geometry optimization for molecular conformational analysis. // J.Am.Chem.Soc. 1992. V.l 14. P.5369-5377.

153. Shang H.S. and Head-Gordon T. Stabilization of helices in glycine and alanine dipeptides in a reaction field model of solvent. // J.Am.Chem.Soc. 1994. V.l 16. P.1528-1532.

154. Bisetty K., Catalan J.G., Kruger H.G. and Perez J.J. Conformational analysis of small peptides of the type Ac-X-NHMe, where X=Gly, Ala, Aib and Cage. // J.Mol.Struct.(THEOCHEM). 2005. V.731. P.127-137.

155. Stepanian S.G., Reva I.D., Radchenko E.D. and Adamowicz L. Conformers on nonionized proline. Matrix-isolation infrared and post-Hartree-Fock ab initio study. // J.Phys.Chem. 2001. V.105. P.10664-10672.

156. Mohle K. and Hofmann H-J. Stability order of basic peptide conformations reflected by density functional theory // J.Mol.Model. 1998. V.4. P.53-60.

157. Кондратьев M.C., Самченко A.A., Комаров B.M., Кабанов А.В. Некоторые аспекты структуры и конформационной лабильности природных L-аминокислот и модельных олигопептидов. // «Математика. Компьютер. Образование». 2005. Том 12. Стр.899-916.

158. Кондратьев М.С., Самченко А.А., Комаров В.М., Кабанов А.В. Сравнительный конформационный анализ вращательных изомерных форм свободных метиламидов N-ацетил-альфа-Ь-аминокислот. // «Математика. Компьютер. Образование». 2006. Том 13. Стр.443-452.

159. Кондратьев М.С., Кабанов А.В., Комаров В.М. «Спиралеобразующие» конформеры в структурной организации метиламидов М-ацетил-альфа-Ь-аминокислот. Квантово-химический РМЗ анализ. // Биофизика. 2007. Т.52. №3. Стр.401-408.

160. Птицын О.Б. Стадийный механизм самоорганизации белковых молекул. // Докл.АН СССР. 1973. Т.210, Стр.1213-1215.

161. Zagrovic В., Snow C.D., Shirts M.R. and Pande V.S. Simulation of Folding of a small alpha-helical protein in atomistic detail using worldwide-distributed computing // J.Mol.Biol. 2002. V.323. P.927-937.

162. Ananda K, Vasudev P.G., Sengupta A., Raja K.M.P., Shamala N., Balaram P. Polypeptide helices in hybrid peptide sequences. // J.Am.Chem.Soc. 2005. V.127. P.16668-16674.

163. Leach S., Nemethy G. and Scheraga H.A. Computation of the sterically allowed conformations of peptides. // Biopolymers. 1966. V.4. P.369-407.

164. Scott R.A. and Scheraga H.A. Conformational analysis of macromolecules.III. Helical structures of polyglycine and poly-L-alanine. // J.Chem.Phys. 1966. V.45. P.2091

165. Bloom S.M., Fasman G.D., de Lozé С., and Blout E.R. The Effect of Amino Acid Composition on the Conformations of Synthetic Polypeptides, Polymers and Copolymers of L-Methionine S-Methyl-L-cysteine and L-Valine. // J.Am.Chem.Soc. 1962.V.84, P.458-463.

166. Kotelchuk D., Scheraga H.A. The Influence of Short-Range Interactions on Protein Conformation, I. Side Chain-Backbone Interactions within a Single Peptide Unit. // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1968. V.61. P.l 163-1170.

167. Cook D.A. The relation between amino acid sequence and protein conformation. // J.MoI.BioI. 1967. V.29. P.167-171.

168. Cochran D.A., Penel S. and Doig AJ. Effect of the N1 residue on the stability of the a-helix for all 20 amino acids. //Protein Science. 2001. V. 10. P.463-470.

169. Iqbalsyah T.M. and Doig AJ. Effect of the N3 residue on the stability of the a-helix. //Protein Science. 2004. V.3. P.32-39.

170. HyperChem(TM) Professional 7.51, Hypercube, Inc., 1115 NW 4th Street, Gainesville, Florida 32601, USA.

171. Ren P. and Ponder J.W. Polarizable Atomic Multipole Water Model for Molecular Mechanics Simulation. //J.Phys.Chem.B. 2003. V.107. P.5933-5947.

172. Пермяков C.E., Пермяков E.A. Использование методов белковой инженерии в исследовании кальцийсвязывающих белков. // Биофизика. 2000. Т.45. №6. С.990-1006.

173. Kondratyev M.S., Kabanov A.V., Samchenko A.A., Komarov V.M. Aspartic and Glutamic acids are important for alpha-helix folding. // JBSD. 2007. V.24. P.756.

174. Jeffrey G.A., Saenger W. «Hydrogen bonding in biological structures» // SpringerVerlag — 1991 569 P.

175. Papoian G.A., Ulander J., and Wolynes P.G. Role of Water Mediated Interactions in Protein-Protein Recognition Landscapes. // J.Am.Chem.Soc. 2003. V.125. P.9170-9178.

176. Papoian G.A., Ulander J., Eastwood M.P., Luthey-Schulten Z., and Wolynes P.G. Water in protein structure prediction. //Proc.Nat.Acad.Sci.USA. 2004. V.101. P.3352-3357.

177. Levy Y. and Onuchic J.N. Water and proteins: a love-hate relationship. // Proc.Nat.Acad.Sci.USA. 2004. V.101. P.3325-3326.

178. Yao S., Torres A.M., Azad A.A., Macreadie I.G., Norton R.S. Solution structure of peptides from HIV-l Vpr protein that cause membrane permeabilization and growth arrest. // J.Pept.Sci. 1998. V.4. P.426-435.

179. Takemura K., Kitao A. Effects of water model and simulation box size on protein diffusional motions. // J.Phys.Chem.B. 2007. V.l8. P.l 1870-11872.2101.