Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Мобильные конформации с некооперативной гидратной оболочкой в глобулярных белках

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Мобильные конформации с некооперативной гидратной оболочкой в глобулярных белках"

;СШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР'

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШЖКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукопиои

А Д Ж У Б ЕЙ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 677.322.б/.6

МОБИЛЬНЫЕ КОНФОРМАЩИ С НЕКООПЕРАТШЮЙ ГИДРАТНОЙ ОБОЛОЧКОЙ В ГЛОБУЛЯРНЫХ БЕЛКАХ

03.00.02 - биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой от8пени

кандидата физико-математических наук

>

МОСКВА

1988

Работа выполнена в Институте молекулярной биологии ЛН СССР

Научные руководители:. доктор физико-математических

' наук В.Г.ТУМАЩН кандидат физико-математических наук Н.Г.ЕСИПОВА

Официальные оппоненты; доктор физико-математических

наук А.Ю.ГРОСБКРГ доктор биологических наук

С. Г.ГАЛАКТИОНОВ

Ведущая организация; йнстйтут органического синтеза АН Латв.ССР

на заседании специализированного иовата к ubJ.ai.iu в Московском физико-техническом институте: 141700, Московская облаоть, г.Долгопрудный, Институтский пер., д.9, МФТИ

С диссертацией мокло ознакомиться в библиотека Московского физико-технического института

Защита соотоитоя "

и

час.

Автореферат разослан

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА КАНД. 5ИЗ.-МАТ, НАУК

.М.П.СКАЧКОВ

кщ

I Актуйды

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

ость проблемы. Получение информации о простран-

■ птазшгйГ'(ЗДуктуре и динамических характериотиках белков но известной первичной структуре - важнейшее направление современной молекулярной биологии. Оно приобрело особое значение в настоящее время, когда успешно развиваются широкомасштабные работы в области генетической и белковой инженерии. В фундаментальном шганз эта проблема включает изучение всех уровней структурной организации белка.

При изучении вторичной структуры на первый план вцдвига-' ется задача определения типа конформаций, обеспечивающих необходимые для функционирования глобулы белка динамические характеристики. Ев решение непосредственно связано с построением классификации типов вторичной структуры, адекватно отражающей реально существующее в белках распределение аминокислотных остатков по конформациям.

Построение полной классификации вторичной структуры имеет также самостоятельное значение, поскольку существующая сейчас классификация ограничена и не дает возможностей для исчерпывающей топологической характеристики пространственной структуры.

Цель работы. Целью работы являлось:

1) определение и характеристика с помощью расчетных методов конформаций полипептидной цепи, обладающих повышенной подвижностью;

2) выявление типов вторичной структуры глобулярных белков, ' соответствующих таким конформациям, определено их конфор-мационных параметров и степени распространенности о помощью анализа Банка белковых структур /I/;

3} построение полной классификации типов вторичной структуры глобулярных белков на основа исчерпывающего анализа кон-формаций аминокислотных остатков по Банку белковых структур и конформацйоиних расчетов.

Нду^ная новизну. Впервые проведен полный анализ локальных конформаций аминокислотных остатков в 68 негомологичных белках из Банка белковых структур /I/. Показано, что распределение остатков на карго торсионных углов остова у и у является принципиальна ,дискретным. В В-области конформационной карты выдалан дискретный максимум распределения. Установлено, что он соответствует новому типу вторичной структуры - вытя- • нутой левой спирали, близкой к конформации типа поли-А,-про-лин II, однако отличающейся от нее и всех других выделенных ранее в белках конформаций по значениям конформационных параметров у и у> . Распространенность структуры нового типа в глобулярных белках сравнима с содержанием р -структуры.

С помощью расчетов методом Монте Карло показан некооперативный характер гидратной оболочки такой конформации. Исходя из зтих результатов, а также конформационных расчетов, сделан вывод о большей подвижности участков вытянутой левой спирали, по сравнению с. другими копформациями, в пространственной структуре глобулярных белков; соответствующий ей новый тип вторичной структуры определен как мобильная (М-) конформации.

Впервые построена полная классификация вторичных структур глобулярных белков, основанная на присутствии только пяти дискретных максимумов распределения углов <р и у на конформационной карте, представляющих все тили конформаций ами-

нокислотных остатков. Таким образом, можно сделать вывод, что число возможных вариантов посладоватальностай углов у> и у> дал фрагмента длиной п остатков значительно меньше, чем число вариантов первичной структуры (5П и 20*1 ).

Практическая значимость работы. Полученные результаты ваяны для построения реалистичной модели структуры и функционирования белковой глобулы. Сделанные в работе выводы о структурной роли различных аминокислот могут быть использованы в белковой инженерии.

Комплекс программ, созданный для работы по теме диссертации, принят во Всесоюзный фонд алгоритмов и программ и применяется в других научных учреждениях.

Апробапия работц. Материалы диссертационной работы докладывались на I Всесоюзном биофизическом съезда (Мооква, 1982), Всесоюзной конференции "Макромолекулы клетки" (Мооква, 1984), итоговой конференции йаучнах работ Института молекулярной биологии АН СССР (Мооква, 1986), Международной школе "Структура биологических макромолекул" (Пущино, 1986), расширэнной сео-сии "Конформации и функции биологичеоких молекул" (Юрмала, 1987), конференции молодых ученых Инотитута молекулярной биологии АН СССР (Москва, 1987), четвертой международной конференция* "Вода и ионы в биологичеоких системах" (Бухарест, 1987),

Публикация результатов исследований. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях.

Объем и структура диооертапии. Диссертация ооотоит из . введения, четырех глав, заключения, выводов и сшока цитируемой литературы. Объем диссертации - 122 страницу, включай 15

таблиц, 13 рисунков и описок литературы из 125 наименований.

Глава I, Экспериментальные и теоретические характеристики вторичной структуры. Литературный обзор

Иерархии структурных уровней организации глобулярного белка соответствует иерархия его динамических свойотв. В работа рассматриваются конформационние и динамические характеристики, определяемые уровнем вторичной структуры.

В большинстве экспериментальных структурных работ, и исследованиях, базирующихся на таких работах, под вторичной структурой правде всего понимают регулярные, сравнительно длинные участки полипептидной цепи. Мобильность подобных элементов структуры считается безусловно меньшей, чем в так называемых нерегулярных или неупорядоченных областях.

Конформационные расчеты, проводившиеся с учетом энергии гидратации, показали иную картину расположения локальных низ-кооноргетичаских минимумов для 20 аминокислотних остатков на карте Рамачандрана в В-облаоти, по сравнению с результатами, в которых энергия гидратации не учитывалась. Появляется дополнительная группа минимумов в районе вытянутой левой спирали (конформации типа поли- ^ - пролин П или £ -спирали). Такая же картина наблюдается и для поли- Ь -аланина.

Ряд экспериментальных данных ЯМР, ЗПР, мёссбауэровокой опектроокопии и др. свидетельствуют о значительной конформаци-онной мобильности отдельных участков белковых глобул, причем амплитуды конформационных изменений в нативных условиях лежат в диапазоне 0,1 - 2,0 X. Для различных элементов структуры, имеется такке широкое распределение по временам конформацион-

ной релаксации (от долей наносекунда до микросекунд и более), что, как показано в работах Л.А.Клюменфольда, М.В.Волъкенштей-на, В.И.Гольданского, О.Б.Птицына, А.Б.Рубина, Д.СЛернавско-го, С.Э.Шноля'и К.В.Шайтана, чрезвычайно важно дот их фунгсцяй.

Анализ возможных механизмов подвижности глобулярных белков по данным литературы позволил нам предположить, что поиск кон-формаций, обеспечивающих лх динамические свойства, должен пре- , жде всего проводиться среди вытянутых ловых спиралей, отдельные фрагменты которых были обнаружены в глобулярных белках. Предварительно необходимо было определить характер стабилизации таких структур, в которой важную роль, очевидно, играет водное окружение, а также степень их кооперативности. После определения расчетными методами конформаций полипептидной цепи, обладающих повышенными динамическими свойствами, требовалось выделить полный набор таких структур в глобулярных белках и получить статистически достоверные данные о частотах их встречаемости и соотношении с частотами встречаемости других конформаций.

Формализованная классификация вторичной структуры обычно вюшчает -спираль, р -структуру и повороты (изгибы) цепи. Такая классификация попользуется в большинстве работ по статистическому предсказанию вторичной структуры белков. Обратим внимание на особенность классификации - включенное практически во вое модели структуры еще одно конформационное состояние, а именно: неупорядоченное или нерегулярное. В то время как -спиральное и /3 -структурное коиформационные состоя-

ник характеризуются определенными гешетрическши параметрами - торсионными углами f а уз , которые задают конформа-цию остова, либой аминокислотный остаток, если он не Бключен в регулярную структуру, относят к неупорядоченному состоянию. При этш ни геометрические, ни стереохшические и энергетические параметры конформации этого остатка не принимаются во внимание, так что неупорядоченными считаются фрагменты цепи, имеющие совершенно разнув структуру к обладавщие разными свойствами. Так, по данным Чоу и Фасмана /2/, около 42$ аминокислотных остатков в белках относятся к неупорядоченным областям.

После рассмотрения работ по статистическому предсказанию вторичной структуры можно утверждать, что некооперативные подвижные конформации полипептидной цепи, определяемые как "нерегулярные™, не учтены в существующей классификации вторичной структуры. Неясна роль в белках вытянутой левой спирали, частота встречаемости и точные параметры которой не установлены.

Глава 2. Методы исследования

В работе использованы методы анализа Банка данных, конфор-мадионяых расчетов, расчетов Мояте Карло а расчетов дилольных мсглентив остова полипептидной цепа.

Для конформационного анализа фрагментов белков использовали модификацию методики Момани и Шераги 1983 года. Полную конформационяую энергию фрагмента, в попарно-аддитивном приближении, вычисляли как

и' ел,

где Ие - энергия взаимодействия двух валентно несвя-

занных атомов фрагмента. В кояформационяуи энергию включены следующие компоненты: электростатическая энергия; невалентное притяжение и отталкивание, моделировавшиеся потенциалом 6-12 Ленкард - Джонса; взаимодействия между атЬмами, участвующими в образовании водородных связей, рассчитывавшиеся с помощью потенциала 10-12; торсионная энергия. Расчеты проводила о учет да угла со поворота вокруг связи -// остова полипеп-тадной цепя. Вычисление энергия гидратации, как компонента кояформационяой энергии, проводили согласно модели гидратной оболочки по методике Ходеза и Шераги 1979 года. В этом подходе разграничивается энергия нзспецифической гидратации, зависящая от величины Исключенного объема , то есть части максимального объема сферн гидратации, недоступной Для молекул растворителя:

£ дл

*3>1 [о ДЛЯ Уtx,i>^V»|i <2'2>

и энергия специфической гидратации, характеризующая образование водородной связи между молекулой вода в гидратяой оболочке атома, способного завязывать водородные связи, я этим атомом. Свободная энергия специфической гидратации вычисляется как функция смещения молекула воды из идеальной Точки для образования водородной связи:

В I = Е ¡. [ 1 - 5 (СС)]'

(2*3)

где функция моделирует смещение молекул води.

Описанные методики были реализованы в разработанном нами комплексе программ для конформационных расчетов пептидов. В программах использован набор параметров, полученный от прсф. Г.А.Шераги. Комплекс принят во Всесоюзный фонд алгоритмов и программ.

С помощью описанной методики и программ выполняли конфор-мациошше расчеты тетрапептида Сер-Про-Лиз-Лиз, характерного для /V- и С- концевых фрагментов гистонов. Первый этап расчетов проводился без учета энергии гидратации. В процессе расчета был сделан полный перебор стартовых точек, соответствующих локальным минимумам энергии, для всех остатков. Об- • щее число конформаций, для которых минимизировалась конфор-мационная-энергия, равнялось 20 736. На втором этапе расчетов конформационная анергия минимизировалась о учетом гидратации.

Гидратную оболочку полипептидной цепи в конформацин вытянутой левой спирали моделировали также с помощью метода Монте Карло в модификации Петрополиса. Метод Монте Карло позволяет проанализировать не только те конфигурации молекул воды, которые имеют минимальную потенциальную энергию в комплексе с биополимерсы, но и те, которые отличаются от них не более, чем яа еХр В/кТ) . Это дает возможность не только указать на вероятные положения наиболее сильно связанной биополимером вода, но и судить о возможных положениях молекул воды, энергия которых близка к минимальной потенциальной энергии, то есть судить, хотя и косвенно, в динамике связанной воды.

С помощью алгоритма Метрополиса моделировали гадратпую оболочку вытянутой левоспиральной конформации - £ -спирали, тлеющей спйралыше параметры я = -2,7 в А = 3,3 Д. Углы остова <р и f равны -93°, 146°. Рассчитывались потенциальные энергии 18 молекул воды на трипептид.

В цепи Маркова были прсмоделированы 300 тыс. конфигураций молекул воды для установления стационарного распределения, со- , ответствую^ г о каноническому ансамблю. Затем были дополхнтэль-но рассчитаны 200 тнс. конфигураций для определения статистических характеристик гвдратяой оболочки п среднего числа водородных связей.

Расчеты дипольных моментов остова полипептидной цепи проводили с целью выработки физического подхода к описанию типов вторичных структур.

Дипольный момент пептидной группы - экспериментально измеряемая величина, в наших расчетах использовалось значение да-польного момента 3,46 Дебай. Вектор лежит в плоскости пептидной группы, составляет угол 56° со связью С'^-А/ ,и 'направлен в сторону атсма Н .

.Величины дипольных моментов цепи рассчитывали по аддитивной схеме, в которой дипольный момент многоатомной молекулы рассматривается как результат векторного сложения исиаатов,

принадлежащих отдельным связям: п

Г • (2.4)

Были проделаны расчеты дипольных моментов остова для регулярных конформаций цепи, а также расчета параллельных и пер-

азадакулярша спиральной оси составляющих дипольного мсыэнта пептидной группы. В последнем случае расчеты проводились для всех комбинаций углов и у , углы изменяли с интервал ил 10°.

Банк белковых структур (Брукхэвенский банх) включает практически все структуры белков, решенные методом рентгенострук-туряого анализа. В нашей работе рассмотрены конформации ода-ночных аыгнокислотиых остатков в 68 негомологичяых белках. Проанализированная выборка составила 14 894 остатка . Было рассчитано число остатков, попадающих в кавдый элемент коя-формацаоняого пространства 10° х 10° для всей карты углов у ,

. Бшш рассчитаны относительные частоты встречаемости 20 аминокислотных остатков для всех типов конформаций, соответ-ствукдах определенным областям кокформационной карты:

$?де п-у - число остатков типа I в у' -м конформационнсм районе, а А^ - общее число остатков для j -го конформаци-онного района. Вычислены также относительные доли (фракции) конформадионных районов для каадого типа аминокислотных остатков :

£ = , (2<6)

где М; - общее число остатков данного типа в выборке.

Достоверность полученных результатов в зависимости от величины выборки оценивали как:

(2.7)

где <5*2 - статистическая ошибка как функция величины выборки при п и N больше 10.

Все расчеты проводились на ЭВМ БЭСМ-6.

Глава 3. Характерные свойства мобильных конформаций полипептидной цепи

Основным вопросом, ставившимся при проведении конформа-циошшх расчетов, был вопрос о характере стабилизации вытянутой левой спирали, степени ее кооперативности и роли внутри-остаточных, ближних и средних взаимодействий.

Кроле расчетов с полным перебором стартовых точек, соответствующих локальным минимумам энергии остатков, для тетра-пептида Сер-Про-Лиэ-Лиз была проведена минимизация энергии из стартовых точек, соответствующих регулярным конформациям поли-яептидяой цепи. Расчеты проводились с учетом энергии гидратации.

Как результат полного перебора стартовых кояфорлаций н минимизации энергии показано, что в В-области существует набор энергетически выгодных конформаций, относящихся к вытянутым левым спиралям, хотя отдельные аминокислотные остатки могут принадлежать удаленным от основной конформации областям карты Рамачандрана. После минимизации энергии для регулярных конформаций наименьшие значения энергии получены для конформаций В-области, в то же время идеализированная регулярность цепа нарушается, и для некоторых из них наблюдается существенный разброс значений углов (р и р . Результаты этих расчетов приведены в таблице 1.

Результаты минимизации энергии для Сер-Про-Лиз-Лиз с учетом гидратации. В качестве стартовых точек задаются идеализированные регулярные конформации полипептидной цепи, а £ = £ ' £ min » — —6 f

19 ккал/моль.

Стартовая ЕОНф. N конф. кщ/ моль Сер lf>' l/j* Лро Г Лиз Лиз Тип конф.

£ I 0,0 -133 124 149 -102 120 -139 140 ßßßß .

А 2 1,37 -131 121 118 -123 126 -125 119 ьввь

Р* 3 1,69 -134 ИЗ 116 -132 127 -117 125 ß ßBÖ

рря 4 4,99 -85 133 142 -87 147 -88 147 ß ß в ß

du 5 19,54 44 74 82 58 56 52 59 c(Lb-RclLdL

rf« 6 55,55 -70 -43 -19 -57 -58 -55 -57 <<R <4 ¿k

Анализ результатов конформационных расчетов, в том числе энергии регулярных конформаций Сер-Про-Лиз-Лиз до и после минимизации, а также выполненных расчетов фрагмента панкреатического полипептида птиц, конформации которого близка к спирали тина поли- Ь -пролия П (РРП) согласно данным рентгено-структурного анализа высокого разрешения, показывает, что для полипептидной цепи в вытянутой левоспиральной конформации возможно, в сравнительно широких границах, изменение геометрии не сопровоядающееся значительным повышением энергии системы.

Исходя из этого, можно считать, что стабилизация фрагментов полипептицной цепи, имеющих вытянутые конформации в В-об-ласти, происходит но на уровне ближних и средних взаимодействий. Эти взаимодействия лишь ограничивают набор конформаций в В-области, энергии которых близки к локальному минимуму и различаются в небольшой степени.

В общем случав конформациошше параметры вытянутых спиральных конформаций в В-области не являются столь жестко' детерминированными, как для высококооперативных структур (типа

с(. -спирали), именно потому, что в отличие от таких структур они не стабилизируются средними взаимодействиями. Сделанные расчеты подтверждают высказанное нами предположение о слабой кооперативное™ и мобильном характере вытянутых левоопираль-ных конформаций.

Расчеты дипольных моментов остова полипептидной цепи позволили ответить на два основных вопроса - о том, каковы минимальные размеры участков для вторичных структур разных типов, и в какой степени могут меняться конформациошше параметры 'структуры, при сохранении неизменными ее основных физических свойств. Установить такие закономерности было особенно ваяно для вытянутых мобильных конформаций В-области.

Полученные результаты свидитальствуют о том, что разным спиральным конформациям соответствуют существенно различные значения проекций дипольного момента п.аптидной группы на векторы, перпендикулярные и параллельные оси спирали. Эти результаты приведены в таблице 2.

Параллельные и перпендикулярные проекции дипольного момента пептидной группы для различных типов кояфор-маций полипептидной цепи.

Тип конформации г Г

-5? -47 3,34 0,90

«ft 57 47 3,33 0,93

А* -139 135 0,03 3,46

fin -119 ИЗ 0,62 3,40

рр? -78 149 0,41 . 3,44

б. -93 146 0,38 3,44

Для конформаций типа правой и левой oí -спиралей проекция дипольного момента на ось максимальна, соответственно перпендикулярная оси проекция минимальна. Для структур типа уЗ и поли- ¿i -пролин П максимальная составляющая дипольного момента невелика, причем она практически равна нулю для антипараллельной fl -структуры, и остается небольшой для всей В-области.

Условие минимизации дипольного момента для вытянутых кон-формаций В-области выполняется душ участков длиной 2-3 аминокислотных остатка. При этом достигается взаимная компенсация перпендикулярных составляющих дипольного мсмэнта. Точные расчеты дипольных моментов регулярных вторичных структур подтверждают этот вывод.

Из проведенных расчетов следует, что для принадлежащих к В-об ласта конфорыаций дипольшй момент практически полностью компенсируется на коротких участках цепи. Эти участка могут существовать как самостоятельные структурные элементы, что чрезвычайно важно для предполагаемой роли таких структур в белках, так как позволяет их небольшим фрагментам располагаться практически в любых районах пространственной структуры, не увеличивая энергии электростатических взаимодействий.

Для получения надежных данных о характере гидратации выткнутых левосниралышх конформаций мы предприняла моделирование гидратной оболочки остова Ё, -спирали, являющейся хорошей моделью таких конформаций, методом Монте Карло.

В соответствии с результатами расчетов, каздой СО -группе соответствует два основных максимума распределения молекул зода, а каздой МИ -группе - один основной максимум. Исхода аз расстояний от этих максимумов до электроотрицательных атомов цепи, а также расчетов среднего числа водородных связей для СО' и ЫН-групп, был сделан вывод о высокой вероятности завязывания водородных связей между этими группами Я молекулами воды, кислорода которых расположены в точках максимумов. В то же' время водородные связи между молекулами вода з основных максимумах но образуются.

Анализ полного набора максимумов плотности вероятности., показал, что веем остальным максимумам, по сравнению с оспов-ными, соответствуют на порядок меньшие коэффициенты заполне-зия.

Исходя из этого, низка вероятность образования регулярной сетка соединенных водородными связями молекул вода вдоль поли-пептидкой цепи в вытянутой лавоспиральной конформации. Так ка; гидратная вода некооперативна, а геометрия полипептидной цепи не задается жестко локальными взаимодействиями, цепь в вытянутой левоспиральной конформации будет неко'оперативной и мобильной. С этой точки зрения вытянутая конформация может быть определена как мобильная (М-) конформация полипептидной цепи. Были получены результаты, которые показывают, что практически для всей Б-области сохраняется некооперативный характер кон-формаций полипептидной цепи.

Глава 4. Классификация вторичной структуры на основе анализа Банка белковых структур. Мобильная конформация как новый тип вторичной структуры

Проводившийся анализ позволяет выделять структурные типы, не учитывавшиеся ранее, так как устанавливает соответствие между типом вторичной структуры и максимумом распределения аминокислотных остатков в конформационном пространстве. Присутствие дискретного максимума демонстрирует регулярность структуры, то есть малые отклонения конформационных углов tj> , гр от типичных для данной структуры значений. Величина максимума зависит от частоты встречаемости соответствующей структуры в белках. Благодаря такому подходу возможно классифицировать все типичные конформации аолипептидной цепи без ,

ограничений, налагаемых заранее принятыми моделями с известными стереохимкческими свойствами, а также проверить соответствие реальной картины распределения принятой классификации типов вторичной структуры.

На рисунке I показано распределение остатков на у> -карте. Дискретный максимум, соответствующий -спиральной

конформации, тлеет характерные значения углов f и у : -65°, 40°. В выборке 42,7$ аминокислотных остатков принадлежит к этой конформации. -конформация зарегистирована для 2,5$ остатков, средние значения углов <р , у для уплощенного максимума этой конформации равны 75°, 15°. Картина распределения остатков в B-области имеет сложный характер. В этом районе доминируют два максимума одного порядка величины (углы f , у : -115°, 130°; -65°, 140°), рисунок 2.

Методика разделения двух максимумов в B-области выявляет физические характеристики соответствующих структурных типов. В то время как максимум, соответствующий J3 -структуре, определяется с помощью общего критерия межцепочечных водородных связей остова, второй максимум формируется за счет фрагментов цепи, свободных от водородных связей такого вида, что предполагает повышенную подвижность полипептадной цепи. Кроме того, значения углов у , у этого максимума соответствуют общему типу мобильных левоспиралышх конформаций, но не совпадают с выделявшимися ранее конкретными варианта!® этой структуры. Исходя из сказанного, максимум бил определен как соответствующей новому тану вторичной структуры - мобильной (М-) конформации .

А

Рис.1. Трехмерная картина распределения аминокислотных остатков на коиформадионяой карте. Районы максйиумов:

Я -область <*» -спирали, В -область р -структуры и мобильной (М-) конформации, Ь -область ¿и -конформации. Остатки о переходными В-к конформациями располагаются в области между Ъ и Я .

М - максимум имеет четкий дискретный характер, по количеству относящихся к пей остатков М-конформацию можно сопоставить с Р -структурой: 14,0$ - 19,1$ в М-конформацип и 19,6$? в ' р -структуре.

В области переходных конформадий зарегистировано

3,0? аминокислотных' остатков.

К областям дискретных максимумов не принадлежат только 13,1$ остатков выборки. Подавляющее большинство этих остатков

располагаются в районах, запрещенных по стерическсму критерию.

Исчерпывающий анализ локальных конформаций остова показал, что они разделяются на пять дискретных максимумов, четно проявляющихся на карте распределения. Остатки, имеющие конформа-цня &-Л переходной области и области (диффузные

максимумы), встречаются только в элементах цепи, определявших супервторзчную структуру, для которых характерна последовательность неповторяющихся углов с/> > гр Их можно определить как слова в тексте.

Рис. 2. Трехмерная картина распределения аминокислотных остатков в В-области. Максимумы, соответствующие разным типам вторичной структуры: р - .р -структура, Ы - мобильная яонформация.

Остатки из , ß и М областей могут участвовать как в таких элементах, так и в регулярных конформациях. Присутствие только пяти максимумов на карте распределения указывает на существование конечного числа основных (ключевых) "слов" в белках. Это существенно облегчает поиск структурных гомология и выявление набора ключевых "слов".

Другим аспектом классификации является то, что она позволяет разделять конформации аминокислотных .остатков на основе их принадлежности (формальной, в соответствии с параметрами

С

спирали) к правым или левым спиралям. Правоспиралъные конформации зарегистрированы дам 55,7$, а левоспиральные - для 31,2$ остатков выборки, причем большинство вытянутых конформаций -лев оспиральны е.

Анализ аминокислотного состава основных типов вторичной структуры позволил установить наиболее характерные аминокислоты для различных типов вторичной структуры и предпочтительные конформации для 20 остатков. Рассчитаны параметры предсказания вторичной структуры в соответствии с методикой Чоу и Фас-мана. Остатками - "фермерами" для М-конформации являются Про, Сер, Асн и Цис.

Анализ частот встречаемости показал, что только небольшой набор вариантов аминокислотной последовательности может реализоваться для редких конформаций.

В работе приводятся некоторые фрагменты М-конформации из полного набора таких фрагментов, полученного для выборки аз 68 белков. Результаты расчетов их распределения по длинам подтверждают слабую кооперативное^ М-конформации.

Заключенно

Новый тип вторично!! структуры - мобильная ('.1-) конформация, как показано нами, широко распространен в глобулярных белках.

Особенности структуры М-конформации но физическим причинам должны способствовать ез повышенной подвижности: как было показано, в этой структуро но образуются не только шжшптйдные водородные связи, но и отсутствует кооперативная сетка водородных связей в гвдратной оболочка.- Это резко меняет энергетику возможных конформационных движений по сравнен™ с -спиралью и р -структурой, так как основной вклад в энергию активации от вну-трицопочачних взаимодействий дают только Ван-дар-Ваальсовц контакты боковых групп и небольшие барьеры внутреннего вращения. Динамика М-конформации облегчается еще и потому, что в фазовом пространства углов <р и у тлеется набор траекторий, вдоль которых не происходит заметного изменения объема данной структуры. Это тем более важно, что движения в элементах вторичной структуры происходят в условиях конденсированной среды.

Оценка амплитуды конформационных движений при изообъемном переходе З^д-спирали в М-конформацию дает значение порядка 1,0 К на один аминокислотный остаток. Эта величина хорошо коррелирует со значениями для амплитуды конформационных флуктуаций, полученными, например, методом рэлаевского рассеяния мёссбауэров-ского излучения. Можно также отметить, что большая анизотропия информационной лабильности различных элементов белковой структуры, обнаруженная ранее методами ЯМР, ЯГР и др., объясняется, по-видимому, включением М-конформации в различные участки глобулы.

В общем случае некооперативность М-конформации обуславливает флуктуации структуры белка: короткие фрагменты мобильной

конформации обеспечивают локальную подвижность, которая в свою очередь вызывает смещение кооперативных участков структуры по отношению друг к другу.

вывода

1. Как результат исчерпывающего анализа локальных конформа-ций аминокислотных остатков 68 белков из Банка белковых структур получено распределение конформаций на карте торсионных углов остова Ч> и т}> , которое характеризуется наличием пяти дискретных, четко разделяющихся максимумов. Три из них соответствуют трем типам регулярных структур -спирали, уЗ -структуре и вновь выделенному типу структуры - слабокооперативной мобильной (М-) конформации. Два максимума соответствуют конформации </ь и переходной области В>-Я .

2. Разработана полная классификация типов вторичной структуры белков, включающая известные структурные типы - с^я -спираль , р -структуру, -конформацию и вновь вццеленные конформации - переходную В-й и мобильную (№-) конформацию, которая благодаря своим физическим свойствам играет важную роль в динамике белковой глобулы. По своей представленности в белках (19,1$) М-конформация близка к р -структуре (19,6?).

3. Определен третий основной тип вторичной структуры - мобильная (М-) конформации. Ее физические свойства, на основа исследования расчетными методами и анализа Банка белковых структур, следующие:

а) полипептидная цепь в такой конформации не стабилизируется жестко локальными взаимодействиями, которые лишь обуславливают набор энергетически выгодных конформаций фрагмента. При этом конформационная подвижнооть значительно вше, чем для конформаций, стабилизирующихся за счет взаимодействий на уровне

вторичной структуры (-спираль, ^-структура);

б) ДИП0ЛЫШ8 моменты пептидной группы взаимно компенсируются для 2-3 остатков для широкого набора конформаций в В-облас-ти, что обеспечизаат конформационную подвижность и слабую неоперативность М-конфорыации;

в) гидратвдя оболочка, играющая центральную роль в стабилизации М-конформации, также накоопаративна;

г) анализ распрадаленш длин фрагментов М-конформации по Банку белковых структур подтверждает вывод о слабой коогшра-ишности структуры такого тша.

Эти свойства обеспечивают высокую подвижность полипвптец- 1 ней цепи в М-конформации и делают ее одним из «лючевнх элементов механизма динамики белковой глобулы.

4. Аминокислотные остатки характерные для с(л , р д М-областай карты распределения формируют как регулярные конфор-мации, так и "слова" - блоки неповторяпдяхея углов ^ и у , не изменяющие общий ход цепи или образующие изгибы, Остатки, характерные для редко встречающихся конформаций и В-/? , входят только в "слова".

5. Так как дая картины распределения характерно наличие только пяти дискретных максимумов, показано, что число вариантов последовательностей углов у > г/* значительно меньше, чем число возможных вариантов первичной структуры.

6. Для обаопочивавдей статистическую достоверность выборки установлены значения углов <р и у* (конформационные параметры), .характерные .для большинства остатков основных конформаций, частоты встречаемости и предпочтительные конформации для 20 аминокислотных остатков, параметры дая предсказания структуры по методу Чоу и Фасмана.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Berhstein F.C., Koetzle Т.Р., Williams С.J.В., Meier E.F., Brice M.D., Rodgere J.H., Kennard 0,, Shimanouchi Т., Tasumi 11. The Protein Data Bank: a computer-based archival file for macromolecular structures. - J.Hol.BioL,, 1977, V.1T2, 3, p.535-542.

2. Chou P.Y., Fasman G.D. Prediction of the crcondary structure of proteins from their amino acid sequence. -Adv.Enzymol., 1978, v.74, p.45-140.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аджубей А.А., Поройков В.В., Есипова Н.Г., Туманян В.Г. Конформация типа подипролин П в глобулярных белках. - Биофизика, 1980, т.25, 2, с.363.

2. Аджубай А.А., Поройков В.В., Есипова Н.Г., Туманян В.Г. Минимум направленных диполь-дипольных взаимодействий - критерий формирования глобулы белка. - Мол., биол., 1982, т.16, 2, 0.379-385.

3. Айзенменгвр Ф., Аджубей А.А., Есипова Н.Г. Роль гидратации левой спирали типа полипролин П в конформационной подвижности глобулярных белков. - Биофизика, 1986, т.31, I, с.160.

4. Аджубай А.А., Поройков В.В., Шерман С.А. Программа для кон-формационных расчетов пептидов. Описание применения. - Гоо. фовд алгоритмов и программ - Всесоюзный научно-технический информационный центр, 1986. Регистр. № 50860000704.

5. Адкубей А.А., Поройков В.В., Шерман С.А. Колформационные расчеты пептидов. - Алгоритмы и программы^ Информационный_ бюллетень, 1987, № 3, с.14.

>. Адауйей A.A., Айзенмош-ор Ф., Туманян В.Г., Цинке М., Брод-цински 3., Есипова Н.Г. Новый тип вторичной структуры: мобильная информация пол иле пт идной цепи. Анализ Банка белковых структур. - Биофизика, 1987, т.32, I, O.I59-I6I.

К Аджубой A.A., Айзенмонгар Ф., Туманян В.Г., Цинка М., Брод-цински 3., Есипова Н.Г. Вытянутая левая спираль - третий тип вторичной структуры, обеспечивающий динамику белковой глобулы. - Биофизика, 1987, т.32, 4, с.695. E3ipova H.G., Grigolava M.V., Adzhubei I.A., Adzhubei A.A., Ramm E.I. Left-helical polypeptide conformation end БНА combining. - Studia Biophyaica, 1982, v.87, 2/3, p.169-170.

3. Makarov A.A., Adzhubei A.A., Eisenmenger F., Esipova M.G. Bon-cooperative hydration predetermines specific properties of the polypeptide chain in the conformation of the left-handed helix of the poly-¿,-proline II type. - Fourth International Conference on water and ions in biological systems. Abstracts. Bucharest, Romania, 1987, p.211.

10. Adiiiubei A.A., Eisenmenger P., Tumanyan V.G., Zinke M., Brodzineki S.; Esipova ll.G. Third' type of secondary structure: noncooperative mobile conformation. Protein Data Bank analysis. - Biochem.Biophys.Res.Commune., 19Э7, v. 146, 3, p.934-938.