Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Статистические закономерности элементов структурной и динамической организации белков

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Статистические закономерности элементов структурной и динамической организации белков"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО

ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.Ломоносова

Биологический факультет

На правах рукописи УДК 577.3

ПАНЧЕНКО АННА РОБЕРТОВНА

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУРНОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВ

03.00.02-Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ЫОСКВА-1992

Работа выполнена на кафедре биофизики биологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Ведущее учреждение: Институт Химической Физики РАН

Защита состоится " /У " саЬ^1992 года в ¿5*° часов на заседании Специализированного Совета го биофизике К.053.05.£8 при Московском Государственном Университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899,г.Москва, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет, кафедра биофизики.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан " !о " _1992г.

Ученый секретарь Специализированнегд Сонета

профессор К.В.Шайтан

А.С.Соболев

кандидат физико-математических наук Н.К.Балабаев

Б.А.Гуляев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Получены многочисленные данные о том, что ёо многих биологических процессах, таких как диффузия и связывание лигандов с активным центром ферментов и рецепторных Зелков, аллостерическом ингибировании, мышечном сокращении, тереносе электрона и других происходит изменение информационного состояния молекулы белка. Было показано, что ?аже незначительные изменения конформационного состояния молекул Зелка могут оказывать ' довольно сильное влияние на ж знутримолекулярную динамику и реакционную способность. Изучение весной взаимосвязи функциональной активности и динамики белков ¡ривело к более 'глубокому пониманию механизмов биологических ;роцессов.

■ Динамика белковой глобулы во многом обусловлена пецификой строения молекул белка-наличием в них как анонических , упорядоченных структур(а-спиралей,р-структур и р.), так и определенного статического беспорядка, выражаемого в азбр'осе значений конформационных углов полипептидной цепи, акое сочетание регулярных и стохастических свойств белковых олекул обусловливает характерные особенности структуры и лнамического поведения белков: неэкспоненциальный- характер янетики, неаррениусовские температурные зависимости констант торости белковых реакций (R.H.Austin et al,1975; A.Ansari et al 587).определенные статистические свойства поверхности бежа и ю полигоптидного остова, характерный вид корреляционных гнкций. Поэтому в настоящее время является актуальной проблема ¡хождения и изучения статистических закономерностей структурной динамической организации белковых макромолекул, ¡ли и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось: гровести статистический анализ структурных свойств 1ЛШ1ептидной цепи молекулы белка на примере анализа массивов ¡угранных углов,

ыяснить возможные причины и разработать конкретные модели для исания -аномально слабых температурных зависимостей времен лаксации,

ать интерпретацию эффектов влияния внешнего давления на намичёские свойства белков.

Научная новизна работы. Прогедено изучение статистических закономерностей массивов двугранных углов голипептидных цепей молекул белка и определены параметры распределений отклонений даугранных углов относительно различных канонических структур.

Показано, что интерпретация и физический смысл времен релаксации, получаемых методом мессОауэровской Фурье-спектроскопии сильно зависят от вида функции распределения по динамическим параметрам движения белковых фрагментов. Предложено объяснение аномально .слабых .температурных зависимостей эффективных времен релаксации.

Дана интерпретация экспериментальных данных по влиянию внешнего давления на вероятность эффекта- Мессбауэра. Получена оценка величины активационного объема конформационных движений молекул белка и эффективного поверхностного натяжения ■ внутрибелковой среда.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты углубляют и расширяют представления о сложной структурной и динамической организации белковых молекул, о связанных с конформационной подвижностью белков механизмах их функционирования. Результаты статистического анализа структурных свойств молекул белка важны для понимания закономерностей формирования пространственной структуры глобулярных белков и могут быть использованы при решении проблемы предсказания третичной структуры белков по их аминокислотной последовательности. Развитые в работе модели позволяют более точно интерпретировать экспериментальные зависимости динамических параметров от температуры и давления.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались нг международном симпозиуме по применению эффекта Мессбаузрг (Будапешт,1989), Российско-Американском семинаре по динамике белков (Черноголовка,19Э1), Российско-Германской конференции п< Мессбауэровской спектроскопии(Сергиев Посад,1992), на семинара: кафедры биофизики биологического факультета(1990,1991,1992).

Публикации.По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения трех глав, в которых изложено современное состояние проблемы основные результаты работы и их обсуждение, заключения,выводов списка цитированной литературы.

-г-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В главе I проведен анализ статистических закономерностей элементов белковых структур.Структура белков,как известно, определяется множеством факторов. Стерические и другие типы взаимодействий значительно ограничивают набор возможных конформаций полипептидной цепи. Это приводит к формированию нативных конформаций, характеризуемых наличием регулярных вторичных структур ¡правой и левой а-спиралей, параллельной и антипараллельной р-структур, полипролина II и других, а также вполне определенных типов укладки вторичных структур в пространстве. Несмотря на наличие в белках регулярных (канонических) структур при решении задач информационного анализа и предсказания пространственной структуры белков по аминокислотной последовательности необходимо проводить анализ большого числа возможных конформаций полипептидной цепи. Сложность и многомерность данных задач требует привлечения к их решению статистических методов (О.Б.Птицын, 1984). При этом общие принципы структурной организации белков можно изучать в терминах двугранных углов фиф полипептидной цепи: набор углов фиф однозначно определяет конформацию белкового остова; наглядное представление структур белков в виде конформационной карты двугранных углов во многом облегчает изучение характерных информационных свойств белковых молекул. С этой целью в I главе проведен статистический анализ массивов значений двугранных углов отдельно для правоспиральных - и р-структурных участков полипептидной цепи. Достаточно большое количество известных к настоящему времени структур бедка делает возможным применение к решению данной задачи методов математической статистики. Массивы пругранных углов были сформированы из ренггеноструктурных данных Зелковых молекул, полученных при разрешении,не превышающем 1.7А.

В .результате статистической обработки данных было гаказано, что гипотеза о нормальном распределении углов ф и ф отвергается при уровне значимости а=0.05. Кроме углов фиф шализировались также характеристики отклонений двугранных углов >т канонических структур, описывающие расположение точек на те. Расстояние или квадрат 'расстояния

¡минокислотного остатка до ближайшей канонической структуры

на конформационной карте данного

-з-

может служить характеристикой отклонения конформации данного остатка от данной канонической структуры. Было установлено, что частотные гистограммы величин отклонений а^ для массивов как правоспиральных(массив 1),так и (3-структурных участков(массив II) адекватно описываются степенными распределениями ,с отрицательными показателями .степени (Рис.1). Значения коэффициента . множественной корреляции для массива I и II оказались равными соответственно 99% и 90% (Рис.2). Параметры степенных распределений правых а-спиралей и |3-структур различаются. Оценка дисперсии распределения Рр(Зфф) на порядок превышает оценку дисперсии распределения Ра(3фф)- Это говорит о том,что значения двугранных углов р-структурных участков полипептидной цепи .характеризуются большим разбросом и менее жесткими ограничениями, чем двугранные углы правых а-спиралей.

Обратим внимание на сходство, обнаруживаемое у изучаемой в данной работе системы. двугранных углов и естественных языков, для которых выполняется степенной закон Ципфа-Мандельброта. И в том к в другом случае наблюдается однородное степенное распределение . Причину такого сходства . можно понять после рассмотрения важного свойства однородных степенных распрзделений-свойства самоподобия. Дробные показатели степени, полученные для распределений Ра(Эфф) и Р^(а|ф) указывают на то, " что изучаемая система двугранных углов обладает фрактальными свойствами. Методом боксов была подсчитана фрактальная размерность кластеров двугранных углов на конформационной карте, соответствующих а-стфальным и (3-структурным участкам полипептидной цепа. Найденная таким образом клеточная фрактальная размерность численно' равна угловому коэффициенту графиков, приведенных , на рисунке 3. Значения фрактальной размерности оказались равными: для а-спирали Ба=1.35±0.-05 и для р-структур Бр=1.30+0.09. Представления о фрактальных свойствах молекул белка были развиты в работах других' авторов: были определены фрактальные размерности полипептидных цепей(Н.«Т^ар1е1;оп • et а! 1982),поверхностей ' некоторых глобулярных белков(Р.РХеНег, 1985). Анализ фрактальных свойств кластеров двугранных углов на конформационной карте показывает, что полипептидный остов может характеризоваться не одним, а и крайней мере двумя значениями фрактальной размерности.

Общие принципы взаимосвязи структуры и динамики белког

Ш

9,14 ■

з.:4 ■

И

ш

ь).

8 г. 2 ,,,,

а.«

0.1ру

и

■■ I-

11

V ■■■

а т.

"5 '

'У..

Рис. 1. Частотные гистограммы величин отклонений двугранных углов от канонических структур(о^ лля массивов правосшгралышх (а) (ф^=-57,

ф^=-47) и р-структурных участ-

ков(Ь) (<^=-120,<1^=130").

Гистограммы нормированы на общее число соответствующих участков в рассмотренных белках.

1

(X !Ш)

Рис.2.. Результат аппроксимации' частотных гистограмм Рис 1('а,1э)г. функциями вида Р(х)=с*х . Значения параметра (1 в случае а): <1=1.35+0.04;

Ь) -.(1=0.6110. от.

Рис.3 .Число ячеек (Ы) размером б* б , необходимых для покрытия кластеров двугранных углов,как функция шага б. Прямая в дважды логарифмических координатах соответствует

зависимости Щ5)=а*6 и

построена по результатам измерений. Ба=1.35+0.05;

.30+0.09. ' Кривые 1-6

соответствуют различным положениям начала отсчета

можно изучать в рамках наиболее распространенных в настоящее Еоемя представлений о . конформациояннх подсосотояниях (H.Fraunfeider et al,1979). Имеющиеся экспериментальные данные говорят о существовании в белках целой иерархии уровней подсостояний(А.Апзаг1 et al,1985 ). Иерархия конформационных подсостояний обуславливает особенности конформационной динамики белков, -осуществляющейся как переход между подсостояниями, и предполагает определенную квазинезависимость движений отдельных фрагментов белковой глобулы. Молекула белка.таким образом, может рассматриваться как набор постепенно усложняющихся подсистем с определенными амплитудами и временами релаксации. Поэтому для более глубокого понимания механизмов функционирования и динамики белков необходимо учитывать принципиальную возможность существования функций распределения по динамическим параметрам белковой системы, а также эволюцию этих функций при изменении внешних условий.

В главе II рассмотрены- ДЕе модельные ситуации, описываемые Г-распределением по динамическим параметрам.В одном случае усреднение проводилось по квадратам амплитуд флуктуаций белковых групп:

j3a -ру а-1

Р(у)= - е у ; а>0, В>0, (1)

Г (а)

о

где уз<х„>-квадрат амплитуды флуктуации белковой ? ?

гру1шы,а =а/р -дисперсия, |1=а/(3-среднее- Г-распределения по квадратам амплитуд.В другом случае учитывалось распределение как по амплитудам, так и по обратным временам релаксации флуктуации белковых групп:

Ьа >/тс 1 _а

Р('/,гс)= Г(а) е тс , а>0,Ь>0, (2)

■■ — ? ?

где к=а/Ъ-средяее, Дк=а/в -дисперсия Г-распределения по обратным временам релаксации. Конкретный функциональный еид Г-раопределения не имеет в даннном случае большого значения; важнс лишь,чтобы (1,2) удовлетворяли опрделенным требованиям I соответствовали физическому смыслу задачи. Данные модел! используются в настоящей работе для описания температурив

эволюции параметров мессбауэровских спектров. Следует отметить, что в некоторых случаях,например, для релеевского рассеяния мессбауэровского излучения(РРМИ) спектральная функция является усредненной по всем тяжелым атомам белковой глобулы и использование функций распределения по динамическим параметрам позволяет учесть этот факт при обработке спектров РРМИ. Спектральная функция поглощения(рассеяния) 7-излучения записывается в виде:

Г -KüwOt _ -rt/2 g(u)oc Rele e <|>(Q,t) e dt, (3)

0

где Q-волновой вектор 7-излучения, Г-естественная ширина мессбауэровской линии, шр-резонансная частота поглощения. Функция Ван-Хова

-» 2 о

-i(3r(0) iQr(t) -|Q|<CAx(t)]^>/2 ф(а,t)= <е е >a е , (4)

входящая е подынтегральное выражение для спектральной функции

7-излучения, содержит всю информацию о динамике белковой глобулы.

Среднеквадратичное отклонение белковых групп за Еремя t

в рамках модели ограниченной диффузии выражается через амплитуду

<Xq2> и время релаксации -^следующим образом:

-t/x

<[AX(t)]2>=<xQ2>(1-e с) (5)

В результате усреднения функции Ван-Хова с Г-распределением по квадратам амплитуд (I):

«t>(Q,t)>= J-

1 _0У _|0|2у(<-ехр(-итЛ/2

-. е м е йу (б)

Г(а) О

получаем следующее выражение для среднеквадратичного отклонения, усредненного по всей белковой глобуле:

<[Дх(1;)]2>= 1п[ 1 + АПнГ^с)] (7)

1 » '

л |Q|

где А:

|Q|£

.0

2(3 "

В этой же главе рассмотрена более сложная модель, включающая распределение как по амплитудам, так и по обратным временам релаксации. После проведения повторного усреднения функции Ван-Хова с Г-распределением по обратным временам релаксации получаем следующее выражение:

2 ____• _а 1 -(1+А)

-а

<[Дх(г)]^>=- — р ШС (1+А) -+ -. ], (8)

|<2Г (бг/ь + 1)а

где б-ггараметр аппроксимации подынтегрального выражения.

Функидя Ван-Хова и,следовательно.корреляционная функция координат атомов белковой группы может быть получена Фурье-преобразованием Мессбауэровских спектров(5.К.ВаБОУегз ег а1,1988). Однако,как видно из полученных результатов, интерпретация найденных из экспериментальных корреляционных функций динамических параметров(амплитуды и времени релаксации движений белковых груш) не вполне однозначна. Это было показано в результате проведенной по той же схеме обработки модельных зависимостей (Т,8) и вычислении эффективных значений динамических параметров <Хд>Эф| и "Ц^ф. Было установлено, что наблюдаемые времена релаксации не совпадают по величине с истинными временами релаксации тс. В случае (7) ^дф^ всегда меньше гс и лишь при малых значениях волнового вектора О", отвечающих малым углам рассеяния 7-излучения или(и) при больших значениях параметра р, соответствующих относительно узкому распределению по квадратам амплитуд, в экспериментах будут измеряться истинные динамические характеристики. Отсюда видно, что смысл эффективных динамических характеристик•может.довольно сильно зависеть от значений параметров распределения по квадратам амплитуд. ■

Во второй части 'главы II и в главе III проводилось изучение влияния температуры и внешнего давления на значения динамических параметров, полученных в результате обработки мессбауэровских спектров. Во второй части II главы в рамках описанных выше модельных ситуаций изучено влияние температуры на значения эффективных динамических параметров <Хд>Чфф и Рассмотрены' случаи, когда средние значения ц и к" экспоненциально увеличиваются с температурой , дисперсии о2 и Дк"1 ' или уменьшаются с ростом температуры или остаются постоянными. При этом относительные дисперсии (1/|3,1/Ь) в обоих случаях

s

s

J

1

и

i с

2.4 2 1.6 1.2 9.8 8.4

1 \................

\ \ .....\..............

\ \

\

: +■ „ ~ -f \ (

: 1.........*-- ■••*•■•••••..

IT-

за

8 2i3

тошат, к.

289

3®

; 4 . Модельные температурные зависимости истинного (1) и Активных времен релаксации(2,3). Усреднение функции Цан-Хова »водилось по квадратам амплитуд флуктуаций белковых групп. )аметры Г-распределений зависят от температуры следующим

=1а~4отн ед ;2=«ЮА2;а2=0.1А4; ,-Еа/ЕТ " _1ПП.2.„2_л2„Еа/КГ

=Р-ое

,|in=100A ;о

=0ое

",а0=0.01А . 1 отн ед

13.75нс,

значения времен релаксации подученные методом MAC на САЧ

!.....!.....!.....'.....' '..........7.....:.....'..........И

5 S-

я-

Л

!.4

9.9

«.4

\

г-

X ■ *

■ - +

2?а 23 2^8 2S0

тешеротя,* температурные зависимости

же

5~. „Модельные температурные зависимости истинного (1) и ставных времен релаксации (2,3). Усреднение функции Ван-Хова >дилось по квадратам амплитуд и обратным временам релаксации уаций бэлковых групп . Параметры Г-распределения по обратным нам релаксации зависят от температуры следующим образом".

„Еа/КТ ^=10-4ОТЯ ед ^к=1Г0е:Еа/й?кп=1аЗотн ед'1;

О® > ' " - ■ \J и

.5отн ед"2,3)к=к0е_:Еа/МД0=То5ота ед"1

Дк2=200 отн ед-2.

зд ='!3.75*нс,я-значеш1я полученных МАС времен релаксации САЧ,

уменьшаются о температурой. Уменьшение относительной дисперсии с ростом температуры характерно для неупорядоченных систем, например, стекол. Что касается времен релаксации хг, то температурная зависимость обычно задается выражением

1с=т0ехр(ЕаК1Г/НТ), где оценка Еакт, полученная различными мето-■дами, составляет 4-5 ккал/моль или порядка энергии водородны> связей. В настоящей работе использовано значение Ежт=16.5кДк/моль(Ю.Ф.Крупянский и др., 1387).

Анализ модельных температурных зависимостей показал, чт< наблюдаемое Бремя релаксации отличается от истинного времен] релаксации гс при низких температурах (от 200 до 260К) становится близким к значению тс при Т=300К (Рис. 4,5). Крем того, следует отметить, что в случае(7) температурна зависимость чЭфф является более плавной, чём температурна зависимость тс. Это согласуется с экспериментальными данными о аномально слабых температурных зависимостях времен релаксации полученными методом абсорбционной мессбауэровскс спектроскопии(МАС) на сывороточном альбумине человека(СА1 (И.В.Упоров и др.,1990). Таким образом, можно сказать, чт уменьшение относительной ■ дисперсии с ростом температур оказывает компенсирующее действие на температурную зависимое: истинного времени релаксации.

Согласно независимым данным (С.Ре1зко еХ а1,199 максимальная ферментативная активность осуществляется в основ» в определенном диапазоне времен релаксаций. При этом наблюдает сужение пика температурной зависимости функциональной активное ряда ферментов при переходе от мезофяльных к термофильн бактериям. Одна из возможных причин этого эффекта мож заключаться в уменьшении относительной дисперсии распределен по временам релаксации) обсужденном выше.

Наряду с температурой давление является важным внешг параметром.Варьирование давления позволяет отдельно изучг тепловые и объемные эффекты. В главе III анализируются даш полученные методом РРМИ в работе И.П.Суздалева и др. 1992, влиянию гидростатического давления Р (до 200МПа) внутримолекулярную динамику САЧ. Измерения проводились комнатной температуре. На рисунке 8 представлена зависимо вероятности эффекта Мессбауэра (Г ) от давления. Изменение Г действием -давления можно оценить в рамках Дебаевской мод

— Ю-

вердого тела, согласно которой при Т>вв(для белков 8^110-140К) х2>=кТ/Шц. Из соотношений для константы Грюнайзена 7 и зотершческой сжимаемости получаем при малых ртР :

-а2

Гр=е 0 (1+2а§7РтР),(7Ртр<<1> (9)

2 |а"|2И , -а2 ле а°= : Г°=е =0'105-

ндексы 0 и р относятся соответственно к нулевому давлению и авлению Р. Значения константы Грюнайзена для белков точно не звествы. Расчетное значение 7 для белков составляет 0.6+0.25. ля молекулярных кристаллов 7=3. Величины адиабатической и зотермической сжимаемостей для сывороточного альбумина быка звняются соответственно Ю.5*10~^Па и 14.6*10_11Па_-'-. Как щно из рисунка 8 модель твердого тела плохо описывает ссперименталыше данные даже при максимальных значениях энстанты Грюнайзена и изотермической- сжимаемости: давление ичительно сильнее влияет на внутримолекулярную динамику САЧ, ш это следует из вышеприведенных оценок. Неадекватность шсания экспериментальных данных моделью Дебая обусловлена,по-щимому, тем, что в данной модели не учтена конформационная деикность белков.

Рассмотренная в работе модель конформационной подвижности >едполагает, что происходящие по типу ограниченной диффузии мжения белковых групп с амплитудами, превышающими амплитуды ленткых колебаний, требуют образования флуктуащгонных ■лостей. Данные модели в значительной степени осноеэны на нетической теории жидкостей(Я.И.Френкель,1975 ). Энергия тивации й* образования флуктуационной полости радиусом И0 язана с преодолением 'сил- поверхностного натяжения и работой сширения против сил внешнего давления:

С*=4тс{ф + 4/Зтсф, (10)

е Нд-критический размер полости, необходимой для ограниченной модиффузии групп белка, а-коэффициент эффективного верхностного натяжения флуктуационной полости. Из выражения я величины внутрибелковой эффективной микровязкости, ределяемой Б*: т)=г]0ехр (0*/КГ), можю получить следующее ранение для зависимости времени релаксации движений белковых /пп от давления:

- А±-

28 V

Рис.6, Поверхность зависимости вероятности эффекта Мессбауэра от давления и активационного объема V для случая 7(3^=0.85*10-1 °Па~1 при п0=0.3.

Гг 0.18

0.16 ■

0.14

0.12

0,10

Рис. 7, Поверхность зависимости вероятности эффекта Мессбауэра от давления и параметра П_ для случая 7(Зт=0.85*1СГ1О11а при

100 -150 £00

от давления вероятности

РГМПаЗ

Рис. 8. Зависимость от давления вероятности эффекта

Мессбауэра(I ),полученная из экспериментально измеренной

зависимости доли упругого рассеяния (Гд)(Г^=0.95Г ). а) и

Ъ) зависимости Г от давления в рамках модели твердого тела Дебая при различных значениях параметра

a)7Рг=0.85*1СГ10Па-1 (Рт=и.1*1СГ 11Па 1,7=0.6)

b) 7РТ=4.38*10-1 °Па "1 (рт=14. 6*10-11 Па"1, 7=3)

c) зависимость Г'(Р) по модели ограниченной диффузии

~±г

тс=т0ехр(7*Р/м:), (II)

■де У*-активациошшй объем образования флуктуационной полости, 'огда, используя выражение для вероятности эффекта Мессбауэра для рупп, подаижность которых осуществляется по механизму ираниченной диффузии,(К.В.Шайтан,1980) получаем:

2 1

2< г р v Р/ЕЕ

t =1 -а^е ^ lexpíap у + Пде lnyJdy, (12)

О

де Пд=г0/2т^, т^-время жизни мессбауэровского ядра. Таким Оразом, в рамках данной модели зависимость вероятности эффекта зссбауэра от давления определяется зависимостью от давления как жглитуды а^, так и времени релаксации. В работе рассмотрены два лучая:

1)цЗт=0.85+10_10Ба_1;

2)7j3T="4.38*IQ_IOna_I.

результате вычисления í при различных значениях параметров nQ V* при значениях параметров (1,2) были построены поверхности эеисимости вероятности эффекта Мессбауэра от давления и стивационяого объема при фиксированных значениях параметра nQ, также поверхности зависимости вероятности эффекта Мессбауэра ? давления и параметра nQ при фиксированных значениях, стивационного оЬъема (Рис.6,7). Из рисунков 6,7 видно, что i жблизительно линейно растет с увеличением давления до 200 МПа. ¡счет показывает, что в районе реально допустимых значений фаметров(0.05:31^0.5; 5A3^V*<[QQA3) модельная зависимость г'от ¡Ьления попадает в область экспериментальных точек í (Р) при ©дующих значениях параметров модели: в случае I):10A3$V*^20A3;O.Un0?;0.4, в случае 2) :10А3а*г20А3;0.0531^0.1'. лученное значение йдй1.5А( в предположение сферической нфигурации флуктуациошюй полости) близко к EQ некоторых дкостей, вычисляемых в рамках представлений кинетической орш зки^костей (К.В.Шайтан ,1935). Величина активационного ьема V зЮсм3/моль(15А3) согласуется с. экспериментально ределенной величиной V* для реакций связывания лигандов лекулами миоглобина и гемоглобина (H.Praunlelder et al,1990).

Таким образом, механизмы конформационной подвижности яков непосредственно связаны с образованием и миграцией

флуктуационных полостей радиусом порядка II. Образование флуктуационных полостей требует энергии активации, связанной с локальным разрыхлением внутриглобулярннх связей (0*о= 4-7КгЕ^ Используя характерные значения энергии активации конформационных движений при низких давлениях получаем оценку для эффективного поверхностного натяжения а=0.1 Н/м.. Оценка величины о показывает, что при Н0<"'А имеется относительно широкое распределение по радиусам .флуктуационных полостей,бо многой определяющее распределение по динамическим параметрам V модификацию температурных зависимостей эффективных значешй амплитуд и времен релаксации. В свою очередь обсужденная выше динамическая гетерогенность является следствием весьма сложного строения гиперповерхности потенциальной энергии,характеризующейся наличием большого числа локальных минимумов потенциальной энергии.Такое строение гиперповерхности по-видимому связано со стереохимическими особенностями шлипептидной цепи,которые находят 'свое отражение в характере распределений по двугранным угла]

■ ВЫВОДЫ.

--^ Ч'

1.Найдено, что отклонения двугранных углов 'относительно

канонических правой а-спирали и ¡3-структур адекватно описываются степенным распределением.

2.Показано, что параметры найденных степенных распределений правых а-спиралей и р-структур различаются.Оценка дисперсит распределения р-структур на порядок превышает оценку дисперсю-распределения правых а-спиралей.

3.Вычислены фрактальные размерности кластеров двугранных углоз на конформационной карте, соответствующих правым а-спиралям з р-структурам. Соответствующие значения фрактальных размерносте] составили: Бй=1.35±0.05,Цр=1.30+0.09.

4.Показано, что интерпретация и физический смыс полученных в результате Фурье-обработки Мессбауэровски спектров времен релаксации в большой степени определяют значениями параметров функции распределения.

5.Установлено, что аномальные температурные зависимости време корреляции, наблюдаемые в случае иммобилизованного САЧ,могу быть интерпретированы как результат компенсации аррениусовсга температурных зависимостей скоростей релаксации температурным! зависимостями параметров распределения по амплитудам и обраи временам релаксации.

- ±М --

.Показано, что модель конформационной подвижности белков, знованная на представлениях о фшуктуационных полостях, эрошо описывает экспериментальные данные по влиянию £ешнего давления на величину вероятности эффекта Мессбауэра. .Получена оценка величины активационного объема, зрактеризувдего степень воздействия внешнего давления, зтановлено, что данная величина У*=10-20А3(б-12см3/моль) )гласуется со значениями активационного объема молекул белка, >лученными при изучении связывания лигандов молекулами »лков. Соответствующая оценка коэффициента эффективного >верхностного натяжения флуктуационной полости составила 0.1Н/м„ ю по порядку величины совпадает с коэффициентом поверхностного >тяжения некоторых сильно ассоциирова1Шых жидкостей. Показано, что эволюция функций распределения по динамическим фаметрам при изменении внешних условий, по-видимому, может [ть одним из элементов механизма регуляции ферментативной ;тивности.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: Упоров И.В..Николаев И.Н..Панченко А.Р.,Шайтан К.В. О влиянии рины спектра времен релаксации на температурные зависимости раметров мессбауэровских спектров.-Биологические науки, 1989, 7, с.25-29.

Kurlnov 1Д. .Krupyanskil Yu.P..Panchenko A.R.,Suzdalev I.P., oroY I.V..Shaitan K.V., Rubin A.B., Goldanskii V.l. tramolecular dynamics of hydrated DNA studied by Raylelgh attering of Mossbauer Radiation.-Proceeding or conference on e application of Moss6auer Radiation.-Budapest,October,1989. Цондог X., Шайтан K.B., Упоров И.В., Панченко А.P. рочно-рекомбинационная модель конформационяых флуктуаций.-П.ВИНИТИ, N1435, В-90,от 15.03.90.

KurlnoT I.V. ,Krupyanskil Yu.F.,Panchenko A.R. .Suzdalev I.P., orov I.V.,Shaitan K.-V.,Rubin A.B., Goldanskii V.l. tramolecular dynamics oi hydrated DNA studied by Raylelgh attering of Mossbauer Radlaticn.-Hyperflne interactions, 1990, 58,pp.2355-2358.

Занченко A.P., Шайтан K.B. Возможные эффекты влияния

динамической неупорядоченности биологических систем на характеристики внутримолекулярной подвижности, определяемые *■ методом мессбауэровской спектроскопии.-Биофизика,1992с. б.Панченко А.Р.,Шайтан К.В. О механизме влияния давления на внутримолекулярную динамику белков.-Молекулярная биология,1992, т,26,еып.5,стр.1116-1121.

4.11.92 г. Зак.5197Р Тир.125 эка. Уч.-иэд.л. 1.0 Отпечатано на ротапринте в ОНТЛ ПНЦ РАН