Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структурно-функциональная организация пептидных гормонов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Структурно-функциональная организация пептидных гормонов"

АГЕНТСТВО БИОИНФОРМАТИКИ И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА МЕЖДУНАРОДНОЙ НЕПРАВИТЕЛЬСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ „ФОРУМ УЧЕНЫХ. И СПЕЦИАЛИСТОВ ЗА СОВЕТСКО-АМЕРИКАНСКИЙ ДИАЛОГ«

На правах рукописи

УДК 547.466; 547.96

АХМЕДОВ Намик Абдулаввал оглы

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕПТИДНЫХ ГОРМОНОВ

03.00.16 — Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва —1991

>

Диссертациоклая работа выполнена в Бакинском Государственном Университете им.М.Э.Расулзаде

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,профессор Л.А.Грибов, доктор физико-математических наук,профессор В.Е.Колмогоров, доктор химических наук,профессор С.П.Ионов.

Ведущая организация: Институт молекулярной биологии АН СССР Защита состоится "|9" И-К><Л.$ 1991 г. часов

на заседании специализированного совета Д. 170.01.01 при Агентстве биоинфориатики и экологии человека маждународ-ной неправительственной организации "5орум ученых и специалистов за советско-американский диалог" по адресу: 117342, Москва, ул.Бутлерова,15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агентства биоинфориатики и эколргии человека

Автореферат разослан'

•7» сионЗ 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета С.Н.Добряков

доктор физико-математических . наук

х:еш 3

г>ций Общая характеристика работы.

"Актуальность. Гормональная система саморегуляции состояния животных и человека осуществляет управление и координацию многочисленных процессов жизнедеятельности. С ее помощью и в тес.юй взаимосвязи с нервной и гуморальной системами регуляции организм поддерживается в нормальном состоянии и адекватно реагирует на изменения экологических условий.

функционирование гормональной системы реализуется синтезируемыми железами внутренней секреции специальными соединениями — гор/онами, в основном представляющими собой сравнительно низкомолекулярные пептиды. Взаимодействия со специфическими рецепторами самых различных органов и тканей, регулируют обмен веществ, размножение и развитие организма, влияют на сон, память, болевые ощущения, двигательную активность, ритмитику работы сердца и многое другое.

Определение механизмов функционирования горюнов и влияние внутренних и внешних фактров на активность их взаимодействия с рецепторами, а также установление физико-химической основы работы гормональной системы саморегуляции в живых организмах явл-ется одной из наиболее актуальных проблем биологии. Ее решение представляет первостепенное значение и в экологическом аспекте.

Основополагающим для выявл.ния принципов Функционирования пептидных гормонов является знание структурной организации их молекул. Определение пространственного строения и конформацион-ных возможностей олигопептидов, необходимо для последующего изучения механизмов узнаврния, стимулирования и регуляции биологических процессов. Установление структурно-функциональной организации молекул пептидных гормонов позволит приблизиться к решению многих проблем экологии человека.

Решение конформмионной проблемы пептидных горюнов и установление их пространственной организации открывает путь к решении аналогичной проблемы белковых молекул. Разработанный подход в определенной степени может служить основой для развития молекулярной экологии, ибо влияние окружающей среды в конечном счете сводится и взаимодействию биологически активных частиц окружающей среды с биорецепторами организма.

Пространственная структура пептидных гормонов исследуется с помощью разнообразных методов: КД и ИК-спектроскогои, романовской спектраскогага; спиновых, флюоресцентных меток и ШР, диализа на тонких пленках и метода рентгеноструктурного анализа, которые да»т лишь косвенные сведения о строении пептидных молекул. Поэтому установление пространственной структуры пептидных гормонов методом теоретического конфорлационного анализа является ос-обешю информативным и актуальным.

Определение пространственного строения пептидных молекул на основе стабильных контор,¡аций соответствующих аминокислотных остатков не мо&ет быть осуществлено из-за огромного числа в принципе возможных конс[ор:ационншс состояний. Поэтому необходимо было сначала создать метод априорного расчета стабильных конфсрма-ций олигопептидов, основанный на поиске по известной аминокислотной последовательности и затем провести расчеты конйор^ационных возможностей биологически активных пептидных горюнов, чему в первую очередь и была посвящена данная работа.

Изучение простанственной структуры пептидных гормонов откр-• ываэт путь к исследованию их структурно-функциональной зависимости. Знал пространственное строение молекулы, можно модифицировать ее аналоги, которые могут выполнять ту или иную Функцию природного горюна. Таким образом можно создавать новые актизнкэ

препараты с определенным спектром физиологического действия путем их теоретического прогнозирования - целенаправленно синтезировать пептида и ингибиторы вредных экологических примесей. Цель и задачи работы. Основная цель настоящей работы заключалась в установлении принципов структурной и структурно-функциональной организации пептидных гормонов. Для этого были решены следующие задачи:

I.Определение конфорлационных возможностей большого числа коротких модельных пептидов и выявление стерических взаимоотношений меяду близко расположенными в цепи аминокислотными остатками.

2.Создание метода априорного расчета стабильных конформаций оли-гопептздов, основанного на поиске по известной аминокислотной последовательности и предложенной классификации всех возможных структурных вариантов олигопептидов.

3.Нахождение конформациошшх возможностей многочисленных, разнообразных по физиологическим свойствам пептидных гормонов, содержащих от пяти до тридцати одного аминокислотных остатков.

4.Конструирование искусственных аналогов исследованных горюнов, пространственная структура которых в своей совокупности отвечает набору низкоэнергетических,физиологически активных конфорлаций. Научная новизна. Разработан метод априорного расчета стабильных конформаций олигопептидов, осноьанный на поиске по известной аминокислотной последовательности пространственных структур, обладающих минимальной потенциальной энергией, плотной упаковкой и согласованностью всех внутри- и недостаточных взаимодействий.На основе предложенного метода выполнен анализ пространственного строения многочисленных и разнообразных по физиологическим свойствам пептидных гормонов / экзорфинов, тимопентина, дельта-сон индуцирующего пептида, Мо.£-и -энкефалинов, с<-, ^ -, и ^р-эндор^инов, й-, у-меланотропинов, секретна / , после-

б

довательности которых включают от пяти до свше тридцати аминокислотных остатков.Сконструированы искусственные аналоги тимоп-ентина, дельта-сон индуцирующего пептида, мегионин- и лейцин -энкефалинов, £ -меланотропина быка, о<-меланотропина и секретина Пространственная структура этих аналогов отвечает набору низкоэнергетических физиологически активных конформаций природных гормонов.

Автор выносит на защиту: I.Метод априорного расчета стабильных конформаций олигопептидов. 2.Определение конформационных возможностей модельных пептидов и пространственного строения экзорЪинов, тимопентина, метионин -и лейцин-энкефалинов, Ы--, у-, ¿"-и £ -эвдорфинов, и-,^ -,

-меланотропинов, секретина. 3.Конструирование синтетических аналогов тимопентина, энкефалинов, меланотропинов и секретина.

Научно-практическая ценность. Разработанный в диссертации метод априорного расчета стабильных конформаций пептидных гормонов показал возможность предсказания геометрии и конформационных свойств биорегуляторов с помощью теоретического конформационного анализа.Решение ¡информационной проблемы олигопептидов открывает путь к расчету белковых и экологически вредных молекул.

Конструирования искусственных аналогов, выполняющих вполне определенные функции природной молекулы, открывает широкие перспективы количественного изучения функционирования пептидных гормонов, для поиска лекарственных препаратов, субстратов, ингибиторов, антител, акцепторов вредных экологических примесей, сделав этот поиск целенаправленным.

Созданный метод априорного расчета стабильных конформаций пептидных гормонов апробировался в Бакинском государственным университете, в Институте биоорганической химии АН СССР, Всесоюз-

ном заочном институте гшщзвой промышленности и может быть использован в других учреждениях, где решается конг*ормационкые задачи молекулярной экологии, биофизики, биохимии, бисоргашгчесгой химии и других смежных дисциплин.

Апробация работы и публикация. Материалы диссертации докладывались автором на I Советско-французском симпозиуме по физичесгой химии белков и пептидов/Пущино, 1975/,I Всесоюзном Совещании по органической кристаллохимии/Рига,1975/,У,У1 и УН Всесоюзных симпозиумах по межыолекулярному взаимодействию и конформациям молекул/ Алма-Ата, 19Ю; Вильнюс, 1982;Цущино, 1986/,III,У и УН Всесоюзных симпозиумах по химии и физике белков и пептидов/Киев,1974; Баку, 1980;Таллинн, 1987/,Конференции молодых ученых по физико-химической биологии/Баку,1981/,I Всесоюзном биофизическом съезде /Москва, 1982/.Симпозиуме системы мозговых и внемозговых пептидов /Ленинград,1984/,Всесоюзной конференции по актуальным вопросам физиологии и патологии сна/Москва, 1985/,У1 Симпозиуме по конТ-ор-мационным изменениям биополимероз в растворах/Тбилиси,1985/, II Всесоюзной конференции по математическим и вычислительным методам в биологии,биомолекулярным системам/Цущино, 1987/.

Основные положения диссертации отражены в 49 статьях,также в материалах и тезисах вышеупомянутых конференций, симпозиумов и съездов.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 4Г7 страницах машинописного текста ¡г содержит 32 рисунка, 88 таблиц. Работа состоит из введения.двух частей, 12 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 273 наименования.

Пространственная структура пептидных горюнов исследуется с помощь» разнообразные Физико-химических методов: ОД и ИК спектроскопии, раыановской спектроскопии, спиновых, флюоресцентных

меток и ДЫР, диализа на тонких пленках и рентгеност]. уктурного анализа, которые дают лишь косвенные сведения о строении пептидных молекул.

Для исследования структурно-функциональной организации пептидных гормонов необходимо найти целый набор стабильных конфорлацпй и предсказать их реализацию в различных физиологических условиях. С помощью существупцях физико-химических методов выполнить такую задачу невозможной Ншшфорович Г.В., Галактионов С.Г., Чипе не Г.Н. В кн. "Конфорлации пептидных биорегуляторов".-«. "Медицина",1983,С. 192).

Выполнен теоретический конфоркационный анализ ряда природных пептздов и белковых фрагментов, содерзацих от трех до двадцати двух аминокислотных остатков и отличашцихся характером выполняемых функций. Имеющиеся данные свидетельствуют о перспективностЕ теоретического подхода к анализу пространственного строения этих соединений. Однако, нельзя считать, что выполненные исследования базируются на общей пространственной организации олигопептидов. Многие упрощения, неизбежные щи решении конформационной задачи, не представляются вполне оправданными. В значительной степени это связано с отсутствием классификации конфорлационных состояний олигопептидов, которая охватила все возможные. варианты структур и была обоснована с физической точки зрения.

Согласно методу теоретического конфоркациошюго анализа, учитывая специфику пептидной цепи, потенциальная энергия представляется в следувдем виде:

Е 3 Енев. + Еал. Т Ев.с. ? Еторс. где Енев>- энергия взаимодействия валентно несвязанных атомов,

которая определяется с помощью потенциала 1еынарда-Джонса"6-12",

предлогеиного Скоттом и Шерагой.

Е^ - энергия электростатических взаимодействий, которая учитывается в монопольном приближении.

®в.с.~ энеРП1Я водородной связи, определяемая кривой Морза. ®торс.~ торсионная энергия.

Определение стабильной пространственной структуры пептидного гортона, соответствующей его физиологически активному состоянию, не может быть выполнено путем минимизации внутренней энергии молекулы по всем переменным. Это становится возможным при разделении конформационной задачи пептидных гормонов на ряд более простых задач и их последовательного решения. Если в стабильных конфорлациях тлеет место согласованность внутримолекулярных взаимодействий,то возможен поэтапный,фрагментарный подход. Для этого надо проанализировать три вида взаимодействий, еоторые определяют состояния аминокислотных остатков в стабильных конфорыациях олигопептвдов. К этим взаимодействиям относятся во-первых, взаимодействия атомов одного аминокислотного остатка между собой (ближние взаимодействия), во-вторых, взаимодействия остатка с соседними по цепи остатками (средние взаимодействия) и взаимодействия остатка с удаленными по цепи остатками (дальние взаимодействия). '

В основу теории структурно ' организации олигопептидов положены следующие принципы, предложенные Е.М. Поповым (Попов Е. Ы. В сб."Физика молекул", 1980, Т.8, С. 69-113):

1. Трехмерная структура и конфордацаонные динамические свойства олигопептвдной молекулы в физиологических условие полностью

. определяется аминокислотной последовательностью.

2.Стабильные конфор'-ацкл олитопептида отвечают минимуму внутрен-

ней энергия.

3. Стабильные ковфорыации олигопедтида являются наиболее плот-ноупакованншш структурой и,следовательно,на всех стадиях самопроизвольного свертывания пептидной цепи внутримолекулярные взаимодействия валентно несвязанных атомов превалируют над межмолекулярныма взаимодействиями.

4. В стабильных кокфорыацпюс олигопептида имеет место согласованность между веема видами внутримолекулярных вевалентных взазмоде йствий.

Методом теоретического конформаци^нного анализа исследованы конформационные возможности двадцати аминокислот. Выводы теоретического анализа находятся в хорошем согласии с данными экспериментальных исследований. Сравнение значений углов основных н боковых цепей аминокислотных остатков, найденных теоретическим путем, со значениями, найденными из рентгеноструктурно-го анализа белков, показало, что их конформавдонные состояния почта полностью определяются ближними взаимодействиями.

Предположение о согласованности между ближними, средними и дальними взаимодействиями дает возможность изучать сначала средние, а затем дальние взаимодействия.Для учета средних взаимодействий в случае о< -спирали достаточно рассмотреть нона-пептидный фрагмент, а в ^-складчатом листе - пентапептидный. Длина фрагмента не так ваша. Дело в том, что в случае нонапзп-тида и даже в большинстве случаев пентадептида невозможно изучать их когфоркациошше возможности на основе стабильных структур соответсгвухяюи монопептидов. Результаты исследования аминокислот показали, что в среднем каждый монопептидный участок имеет 10 низкоэнергеткческих конформаций, поэтому при изучении пространственной структуры пентапептидной и нонапептвдноЯ мола-

кул на основе данных по монопептидам пришлось бы рассматривать

с 9

10 я 10 различных вариантов соответственно.

Практический интерес для разратотки метода конформагдонно-го анализа пептидов могло представить сопоставление результатов независимого конфорггадяошгого анализа специальных сергй молекул дипептидов (а-1, п. ) и ( п., п.+ I) и трипептпда (а-1, п., п.+ I), полученных на основе данных по монопепищам( п-1), ( п. ) и ( п. + I) о результата® априорного предсказания набора структурных вариантов трипептпда ( а-1, п., п.+1), содержащего все его низкоэнергетические конформационные состояния,полученные на основе известных конформавдонных возможностей двух смеа-1шх дипептидов ( п. -I, п, ) и ( п., а +1). Такоесопоставлеша могло открыть путь к выяснению конформационной специфики пептидов, послужить обоснованием для фрагментарного, поэтапного подхода и привести к создании соответствующего метода- конформаци-ошюго анализа при соблюдении ряда условий. Во-первых, в том случае, если взаимодействия двух смежных остатков приводят к заметной дифференциации оптимальных форм каддого из них.Во-вторых, если наиболее предпочтительные конформацшг трипептвда представляют собой комбинации из ограниченного набора наиболее предпочтительных конформаций соответствующих дипептидов.Наконец, непременным условием является достаточно четкая энергетическая дифференциация конформационных состояний пептидов.

Изучение пространственного строения пептидов и разработку метода их ковфордационного анализа начали с рассмотрения всех потенциально возможных конформаций следующих соедшш й.включа-щзх гидрофобные и полярные боковые цепи: С^ео-Р^-РЬе.-МНС" ? ^СО-Леа.-^еа.-Лео.-МНе'''

ССО-РЬе-^ба-МНС" , ЪСО-Жа.-РИь-ННО?, О*ео - Рк РЬе-мне^ еЬо-Жа.-Р/> е -л е«. - № еы, С'СО-РЬг- Р-Ю-МС*, С'СО-Р-ю-РЬг-КНе-, СЪо- РЬе- Рхо- РЬе- МНС?, С^СО- Рт.о- Р^е -Рхо- NН С^ Ссо-л-.п-льп-ме'', Ссо-Мп-Мр-нас* c7co-Jlsи-S]s^^-Jsp-t^HC*

Результаты расчета этих модельных пептидов показали, что соблюдаются вше указанные условия. Проведенный анализ также показал, что электростатические взаимодействия полярных и заряженных боковых заместителей приводят к дополнительной стабилизации тех форм, которое предпочтительны по другим вида:! взаимодействий. Образование водородных связей не вносит существенного энергетического перераспределения набора оптимальных конформаций. В предпочтительных по энергии структурах трипептида имеет место согласованность между дисперсионными и электростатическими взаимодействиями и водородными связями. Специфические на три-пептидном участка стабилизирующие взаимодействия реализуются при наиболее выгодных моно- и дипептвдных конформапдонных состояниях.

В пептидных молекулах конфорладаонше состояния аминокислот задаются значениям двугранных углов ^ , , , у. и т.д., которые однозначно определяют конфорыащш фрагмента. Значения углов Ц> , у основной цепа находятся в разрешенных областях £ , Б ,1 2 Р конфораагионной карты. Форма остатка определяет в какой разрешенной области находятся значения , У данного состатка.Форды основной цепа фрагмента разделены на отдельные типы, которые названы шейцами пептидного скелета. Формы одного шейда имеет почти одинаковый ход основной шпх и подобное расположение боковых цепей. В общей случае у фраг-

мента из п. аминокислотных остатков могут реализоваться 2 различных шейпов.

Пространственная классификация пептвдньыс структур по кон-формациям, форлам и сейпам построена по принципу "дерева".2се конфордации делятся по форлаи основной цепи, а форы - по лей-пам. Количество форт в кадцом шейпэ определяется числом возможных комбинаций р., В , Ь и Р форы остатков.Число нонфорла-цкй казной форгы зависит от природы остатка. Все тейпы и форы предполагалтся равноценными. Возможна энергетическая дифференциация пространственной структуры олигопептидной молекулы на трех уровнях - шейпа, форли и конфорвдега.

При обсуждении пространственного строения пептидных горюнов конфорлационные состояния остатков удобно характеризовать с помощью идентификатора типа X , где X = Я , В , Ь или Р, 1т. - номер остатка в последовательности, а индексы у характеризуют положение боковой цепи •••); с = ^ =...= 1 соответствует значению углов £ в области 0 + 120°, 2 - 120 + -120° и 3 - -120 + 0°.

При исследовании пространственной структуры олигопептидных молекул конечный результат не зависит от принципа разбиения на фрагменты, поскольку имеется согласованность иедду блишпши, средними и дальними взаиыодейстЕ тми. Но правильное разбиение может резко сократить путь к расчету структуры молекулы.

Серьезным является вопрос отнесения той или иной конфорга-пт к низкоэнергетической или высокоэнергетической.Наличие некоторых фактов позволяет оценить пороговое значение б.юргии. В йелковых структурах отсутствуют аминокислотные остатки (кроме

) о Р форюй и рб^ко встречаются с 1л формой, энергия этих фори выше приблизительно на 2,0 и 1,5 ккал/молв, чем Я

и В форм. В белках перед пролином почти не встречается форма аминокислотных остатков (кроме G&j ) .которая уступает другим 4,0 - 5,0 ккал/моль.

При выборе конфорлаций фрагментов для дальнейшего расчет£ брался довольно широкий энергетический интервал. Кроме того, классификация структур по шейпам, формам основной цепи и конфс рлациям намного облегчила этот выбор. При переходе от малого фрагмента к большому, особенно в коротких участках, оставляли« конфорлации всех возможных типов, независимо от значения их относительной энергии. Таким образ; а сначала происходил отказ от конфорлации, потом от форлы основной цепи и, наконец, на последнем этапе от тейпов пептидного скелета.

Пространственная структура молекулы J3 - казоморфина-5 исследована на основе результатов расчета трипептядных фрагма! тов С01 СО -Phc.-Pt0-Pfr<z. -NHC* , С^СО -Ртх> -РЬе. -Poo-NI и монопептида глицина. Исходный набор структурных: вариантов включал 96 конфорлаций 16 фор/ основной цепи, принадлежащих 4 различным шейпам. Глобальная кон£орлация молекулы BjKBjBR шейпа с-}ее тлеет компактную структуру со обличенными боковыми цепями Тут. , Роо , РКе. .

При анализе пространственного строения тимопентина -Jlxg - Lys -Льр -Vat -Тут. предварительно расчитывались конфорлационные состояния N-концевого трипептида, нулевые приближения которого форшровалксь из низкоэнергетических ковформаций соответствущих мет ал амидов N -ацетил- L, -аминокислот. Всего было составлено 200 исходных вариантов, принадл жацих четырем шейпам пептидного скелета. Результаты расчета свидетельствуют о резкой энергетической дифференциации исходных вариантов трипептида. В интервал 0-6,0 ккал/моль попадают

.конформации J)-^ - Lys" -Л*p лишь двух типов - ее н

В расчете тимопентина учтены все конфорыации с различными формами основное цепи. шейпов е.е. и ej трипептвдного фрагмента, отнэсительная энергия которых не превышает 6,0 ккал/моль, а также предпочтительные монопептидныа состояния остатков валюта и тирозина. Составленный набор исходных, приближений тимопенти-на включал около 150 вариантов, принадлежащих восьми шейпаы пептвдного скелета.Минимизация энергии свидетельствует о четком разделении оптимальных конформаций пентапептида на два группы. Одна из них включаеи представителей шейпов , ,

eeej и ееее., энергия которых попадает в интервал 0 - 8,0 ккал/моль."Энергия всех конформаций второй группы ,

ее^е и ^«-JJ / превышает 8,0 ккал/моль. •

Специфика аминокислотной последовательности Дельта-Сон Индуцирующего Пептида /ДСИП/про диктовала следующую расчетную схему, Втчалэ были рассмотрены информационные состояния концевых дипептидных участков и центрального пентапептидного участка б^у1 - . Исходные рриближения пентапептида составлены из R , В - форм остатка GCy , R, В, Li , Р - фора , R, В, L - форм остатков Jsp

/каждая форма при трех состояниях боковой цепи/ и и В, U - форм остатка Sit? . Составленный таким образом набор исходных приближений включает 432 структурных варианта,которые имеют 144 различные формы основной цепи, принадлежащие 16 шай-пам пептидного скелета. Несмотря на существенную знергетичос-купдифференциацию конформациошшх состояний фрагмента у -- Szx, по шеЗпу пептэдгаго скелета э окончательный расчвз ДЗИП-а нами были включены самые низяоэнергетнческиэ варианты

16 • всех 16 шейпов пентапептвда. Состыковка конформаций фрагментов осуществлена двумя способами: с помощью свернуто* и разверну- . той форы основных цепей граничных участков Л Со. - и

Se.ru -G% . Таким образом, более 300 рассмотренных структурных вариантов ДШП-а различались по форме и принадлежали к 256 /максимально возможному числу для нонапептида/ шейпам пептидного скелета. Перебор различных положений боковых цепей Tip , Лsp и C&i выполнен для низкоэнергетических конформаций нонапептида.

Результаты расчета ДСИП-а показа®., что в энергетический интервал 0-10,0 ккал/моль попадают девять конформаций восьми различных шейпов пептидного скелета. Кратко отметим особенности самых предпочтительных конформаций шейпов /I/ и ее^ес^ее /II/,имеющих энергию соответственно 0 и 1,1 ккал/моль,а также конформации типа ^HSS /У1/, которые хотя и обладают сравнительно большей энергией (4,5 ккал/моль). В псевдоциклической структуре ДСИПа' II сближены Ц- и С-конце-вые остатки, несущие противоположные заряды. Боковая цепь . ориентирована к последующим остаткам и нависает над участком

. леа-ее/

. Боковая цепь G&i напрвлена в сторону предшествующих остатков и взаимодействует с участком Зе.т?-6£и&. Общие вклады стабилизирующих контактов Jlsp с участками Тут, и

JlEaf-Sfij8 равны.

Структура типа Je+ijfee (У1) наиболее компактна и лучше всего удовлетворяет дисперсионным межостаточным взаимодействиям. Однако несущие заряды N- и С-концевые остатки последовател-

f

ьности удалены как друг от друга, так и от боковой цепи J)sp , поэтому в конформации У1 относительно невелик вклад в стабилизацию электростатических взаимодействий. Вследствие свернутого

характера основной цепи центрального участка сближенными в У1

средах или при взаимодействии с заряженными группами рецептора, то есть при ослаблении внутримолекулярных электростатических контактов, относительная энергия конформации У1 понизится и равновесие сместится в ее сторону. .

Глобальная конформация ДСИПа ^е^ е^е наилучшим образом удовлетворяет сразу обоим стабилизирующим факторам - дисперсионному и электростатическому. Основная цепь тлеет- преимущественно свернутую форму, что сближает многие остатки и делает структуру весьма компактной; энергия дисперсионных взаимодействий в этой конформации лишь немного уступает соответствующему энергетическому вкладу у самой компактной структуры У1. Кроме тсго, в кок-

формации I свернутая пептидная цепь с обеих сторон экранирована

1 9

боковыми цепями остатков Т^-р и , которые" эффективно взаимодействуют практически со всеми остатками, фи этом имеет место наилучшая взаимная ориентация остатков Тър , (Ми и Л^ в отношении электростатических взаимодействий между ними. Результаты расчета ДСИПа согласуются с данными спектральных исследований (Набиев Н.Р. и соавт., Биоорганическая химия, 1982, Т.8,С.900-

Набор начальных структурных вариантов Ме-4 -энкефалина формировался исходя из геометрии оптимальных конформаций отдельных аминокислотных остатков. Всего было получено 202 негодных кон-формационных состояния с 92 различными формами основной цепи, 'принадлежащими 16 шейпам. Результаты расчета показали, что дифференциация оптимальных структур молекулы имеет место не только по шелп?ч, но и по формам основной цепи и конформационным состо-

904),

яниям. В энергетический интервал 0-5 ккал/моль попадают 15 конформаций 5 различных шеипов.

Результаты нонформационного анализа Ьец-энкефал.ша очень близки расчётным даннш И«-4 -энкефалина. Налденные нами структуры энкефалинов находятся в хорошей согласии с экспериментальными и теоретическими данными. .

КонформационныЙ анализ -эндорфина выполнен по представленной на рис.1 схеме. Последовательности 1-5, 1-16, 1-17 и 1-19 • расчитывались как свободные молекулы МгА -энкефалина, с/-, ^ -и У-эвдорфинов с отрицательно заряженное карбоксильное группой, и как фрагменты £-эндорфина.

Для определения стабильных конформаций о^-эндорфина минимизации подверглось около 400 структурных вариантов. Полученные в результате оптимальные конформации гормона чрезвычаЛно резко дифференцированы по энергии, как в отношении тейпов, так и форм основной цепи и конформационных состояний. Относительная энергия 16 конформаций о*-эндорфина не превышает 10 ккал/моль. Они разделены нами на три группы А,В и С. Общим элементом в каждой группе является шейп пептадного остова центрального фрагмента

М<ЦГ- . Его шейп в группе А (еШ$Нв) отличается от ше-

£ €

¿па в В(^555345в) 'олько дипептидным участком МгГ-ТКл? , структура которого в первом случае относится к развернутому (е) & во втором - к свернутому . Различия шеипа С (ее{е^а) более серьёзны. Как и у о<-эндорфина, у ^"-эндорфина тоже имеются три группы конформаций А,В и С, энергетически и энтропийно неравноценных. Между конформациями А ы- а ^-эндорфинов имеются некоторые различия. В интервал 0-10 ккал/моль попали двадцать вариантов 5*-эцдорфина. Из них 14 составляют групду А со струн-турой центрального фрагмента М«А - Г и» еН££Нв и 6 - группу

Лгмаса-

! г зг * г*: и г г и г г *г ? е е г г ег ? 5 г е

I г 3 4 5 6 Т в 9 Ю 11 12 ») 1« »» 1» 17 1в 19 зо 21 22 2) >4 >9 8« 27 26 29 » М

Втсунок I. Схема конформационного анализа эндорфинов.

-С £ £ * 3

• йюунок 4, Схема конформационного анализа секретина.

В е) . Все структурные варианты группы С у ¿Г-эндор-

фина стерически несостоятельны.

При увеличении длины цепи от ((-я ¡[-и далее к £"-эн-дорфину наблюдается определенная преемственность в пространст-ванноЯ организации гормонов. Во всех случаях, например, предпочтительными оказываются структуры группы а, а приемлемые состояния N-концеЕых участков трех эедорфинов отвечают лучшим состояниям свободной молекулы метионин-энкефалина. Мевду тем, имеются и различия, которые, может быть, сказываются на функциональных свойствах гормонов. В ряду конформа,тий А, расположенных в порядке увеличения значений дЕ, переход от в jj1- и к f-эн-дорфину сопровождается перераспределением конформационных состояний энкефалиновых фрагментов:

о<-эццорфин - eJ^J еее$ ^^-Jе eiSe

у-эндорфин - eeef e^f eji е

£-эедорфин - etfj в}}} еее$ -Ш е

Одновременно происходит изменение конформационных состок-ниЛ общего у трёх гормонов участка, примыкающего к противоположному концу ^-спирального центрального фрагмента - Рю Тенты образом, удлинение цепи до J-эндорфина ведет к конформ-оцротол перестройке N - и С-концевых фрагментов.

В заключительную часть конфорыационного анализа ^-эндор-фина также включено большое число .промежуточных стадий рис.I . Значительная протяженность области перекрывания последователь-носте» Тух - His и -G&n позволила существенно сократить количество исходных для минимизации приближений JJ-эвдо-рфина и свести благодаря отому конформационных анализ молекулы к расчёту 48 структурных вариантов. После частичной и полной минимизации, а также снятия, где это было возможным, наталкива-

Таблица I.

Шейды пептидного скелета низкоэяаргетических конфорыаций ß -эцдорфина.

Шайп

дЕ.ккал/моль

А3 А4

Аб

h H

efffeffffffeefff - fe

efffoe

ffeefe

feeefee ffeeff feffef eeefef feefef V.efeeef ffefef effeee ее - ffffco - ffefef

О

0,7

5.1 5,6 6,9

8.2

5.1

6.2 1,9

N

Я

низ, оказалось, что kl всего набора лишь девять конфэрмаци* ^р>-эндорфина обладают энергией л Е, не превышающей 10,0 ккал/ моль табл.1 . Все выгодные пространственные структуры гормона на участке Туа.1-Phe.'* имеют одно и то же конформационкое состояние, отвечающее одной из наиболее предпочтительных оптиыаль альных конформаций свободной молекулы ^-эндорфина ( аЕ=5,3 ккал /моль) . На участке Туъ -Lys у _р-эндорфина возможны два состояния, представляющие собой лучшие структуры 5" -эндорфина ( а Е=0 и 5,5 ккал/моль ) , на участке Ту-* - Jin - три, а Тух -His?' - семь состояний, также относящихся к самым низкоэнергетическим конформациям соответствующих свободных фрагментов.

Энергия средних межостаточных взаимодействий у Aj составляет -1Й4,9; а у ¿2 —153,5 ккал/моль. Стабилизирующий эффект дальних взаимодействий у последовательности из 31 аминокислотного остатка заметно ещё уступает сила средних взаимодействий. У конформадии Aj и Ag юс энергия составляет соответственно -20,7 и -24,0 ккал/моль. На '.некоторых участках пептидной цепи _р-эндорфина выбор конформационного состояния за счёт средних взаимодействий оказывается практически однозначным. К таким конформационно жестким нуклеациям относятся гексапептидный фрагмент еи-Рхо- , а также два пентапептидных фрагмента: Vat - Lys и Jtfaî'-Jb " . Промежуточные отрезки цепи, особенно, С-концэвоЛ участки ^-эвдорфина следует считать конфор-мационно яабильншм. Пространственное строение гормона характеризуется немногочисленный радом близких по энергии конформа-ционных состояний. Расчётные результаты не противоречат данным экспериментальных работ по эндорфинам.

Теоретический конфориационный анализ молекулы с*"-мелано-тропина выполнен по схема, представленной на рис.2. Детальный

конформационный анализ о< -меланотрогмна привел по существу к единственно,! трехмерной структуре трвдекапвптида. Энергетические характеристики оптимальных, конформаций молекулы приведены в табл.2, где видно, что изменение шейпа пептидного скелм-а, а в пределах одного шеЛпа, изменение формы основной цепи, гриво-дят к резкому увеличению энергии. Разрыв в энергии между двумя самыми предпочтительными структурами с величинами л Е=0 и 1,1 ккал/ыоль и следующими за ними конформациями составляет около 8-9 ккал/моль. Повышение энергии при переходе от структур I и 3 к 2,4-10 связано главным образом с потерей стабилизирующих контактов между и С-концевыми остатками, т.э. с ослаблением дальних взаимодействий. В глобальной конформации взаимодейс-ствия удаленных по цепи фрагментов Туг -Ме^4 с Р%о -Уа-б'3 составляет около -8,5 ккал/моль.

Имеющиеся экспериментальные исследования пространственного строения адренокортикотропина и с^-меланотропина соответствуют изложенным результатам теоретического конформациошого анализа.

£ -меланотропины быка и человека содержат соответственно 18 и 22 аминокислотных остатка. Основные этапы фрагментарного анализа пространственного строения ^р-меланотропина быка показаны на рис.З, Расчёт конформаг "онных возможностей каждого из выделенных в схеме фрагментов, в свою очередь, включал несколь-

1 _ 42.

относительная энергия которых не превышала 6,0 ккал, лоль. Отобранные варианты гептапептида принадлежали следующим шести шейпам. еЩвв, ее^е, , ее^ее, еШЯ , е-(Яе « ^еЦее, а гексапептида-десяти шейпам: еЩе, И о}], №ее, Щев,

Рис.2. Схема конфорыационного анализе оС-ыеланотропина

Fïic.3. Схема информационного анализа j>-меланотропина быка.

Таблица 2.

Низадэнергетпческиэ конфориации оС-цэланотрошша.

Конф. энергия, ккал/моль

* Шэйя Конфоршция ¿B E E E

HB. эл. торс.

1 eff^ ÍÍXeee tee B22H1 £12E222R31E2 3B3B3322B31 Ш2122BB3 a -81,1 5,4 10,4

2 B22R1E12R222R31R23B3B3322S31FB2322BB1 9,3 -72,0 5,5 10,4

3 lit// K22Hiai2R222H31S23B3B3322B31RB2122BB3 1.1 -80,5 5,2 11,0

4 et/ \eX B22E1E12R222R31R23B3B3322R31LB1 222^3 8,9 -71,6 7,3 7,8

5 ell - titee? - ief B22H1R12H222S31R23B3B3322B31I31222^3 8,1 -73,1 6,9 9,2

б B22E1E12E222E31R23B3B3322B31 ?B1222^3 8,9 -71,2 7,4 7,3

7 ell - tttett ^etl B22R1R12^22^1 R23B3a3322E33BB1222^3 8,6 -71,3 -6,7 7,7

8 1 B22R1R12R222E31ß23B3H3322R33RB1222^3 9,9 -70,4 7,6 7,3

9 ttt - iffefe - let R22E1H12E222H31R23B3K3322H33LB1222^3 9,0 -71,7 6,3 9,1

10 tee - tttttt - tel E12B1B32R222R31E33S2R3322R21RB1222^3 9,8 -72,4 5,2 11,7

•$ее-$£ , ее^ее, е-$$ее, еее^, в^вЦ . Всего было рассчитано около 500 структурных вариантов 60-ти различных типов основной цепи в зависимости от конкретной ситуации анализировались возможные комбинации боковых цепей остатков , и Лох)" •

Завершающая стадия исследования пространственного строения молекулы ^-меланотропина быка потребовала рассмотреть все комбинации известных конформационных состояний фрагментов Льр -Тхр и -Л^р , разделенных остатком^ . Эта задача ре-

шалась путем построения серии конформационных карт -^ц при всех комбинациях структурных вариантов двух фрагментов, что позволило выбрать нулевые приближения для остатка глицина. Таким образом, количество подлежащих анализу структур молекулы ^-меланогропина быка, отличающихся только шейпам пептздного скелета, составило 168 - число комбинаций из 21 типа структур

Мр- т-^

, четырёх типов Ч^-р -Зет- и двух - Зет. -Льр Кроме того, для каждого шейпа рассчитывался, если это имело смысл, ряд конформационных состояний фрагментов, моделирующих возможные структурные молекулы -меланотропина человека. В таблице 3 приведены формы основной цепи гормона, относительная энергия которых попадает в достаточно широкий интервал 0-12,0 ккал/моль; их всего 12. Столь резкая дифференциация конформа-

. 1 I»

ций Л$р --мр по энергии, которая наступила при объединении низкоэнергетических состояний свободных фрагментов в единую цепь свидетельствуют об уникальности условий реализации значитель ных стабилизирующих взаимодействий между удаленными остатками при максимально плотной упаковке и согласованности взаимодействий на всех участках последовательности природного октадека-пегггида. Из таблицы 3 ввдно, что все предпочтительные структуры молекулы ^ -меланотропина представляют собой комбинации '

трёх конформаций участка Jip -МеА. • восьми - и двух

конформаций участка (Цу , имеющих минимальные значения

энергии для указанных фрагментов в свободном состоянии. Расчёт

с*-меланотропина привёл к заключению о значительной конформа-

Ц I о

ционной жесткости гептапептидного фрагмента Г1е.1 - (Щ/ . Расчёт же £ -меланотропина, содержащего точно такой же участок в положении 7-13, показал, что при ином окружении он относится к наиболее лабильным фрагментам молекулы.

В правой части табл.3 приведены энергетические вклада внутри- и межостаточных дисперсионных и электростатических взаимодействий, а также торсионная энергия. Сни свидетельствуют об альтернативном характере стабилизации различных низкоэнергетических конформаций молекулы гормона. Например, в глобальной конфор-мации энергия дисперсионных межостаточных взаимодействий на 5,0 ккал/моль ниже соответствующий энергии у непосредственно следующей за ней конформации с л &=0,5 ккал/моль. Благодаря этому положение равновесия становится чувствительным к внешним условиям; оно будет смещаться в сторону второй структуры при переходе от полярной среды к более гидрофобной. Конформация, уступающая глобальной 8,7 ккал/моль, на первый взгляд, мало перспективна. Высокая энергия этой конформации связана с относительно небольшим вкладом в стабилизацию межостаточных электростатических взаимодействий. Однако она является самой стабильной по дисперсионным взаимодействиям.

Специфика аминокислотной последовательности р-меланотропина человека (Ля!Ь^4-(&Л 01и-Ко - Ту-Л

Л-З'-Г*Ы4'- Н^- РКе"-Л,сГ-Тт.р'- рчо<Э-

„ и, м,й) а -1

гт-о 5р 1 продиктовала следутув схему ее конформаци-

онного анализа. Сначала исследовались информационные возможно- ■

Таблица 3.

Швйпы паетидяого скатата ннзкоэнаргвитасккх конфорыациг ß -ыаданотрошша быка.

Шэйл

Коаф.энаргия, хкад/моль -Е

1 Енв. ЕЭЛ. 5 торс,

0 -94,9 -4,4 17,7

V -90,4 -4,6 17,5

7,6 -83,3 -3,0 12,3

10,7 -83,5 3,1 10,4

0,5 -88,8 -3,6 11,4

3,4 -36,0 -3,4 11,6

1,9 -89,9 -3,9 14,1

3,5 -85,7 -4,0 11,6

3.0 -89,7 1,1 10,1

4,2 -86,3 -3,7 12,6

6,6 -83,1 -4,0 12,1

S,7 -97,2 14,1 10,2

1 2

3

4

5

6

7

8 9

10 11 12

eiltet.

îeitee

etttee

сти дипептидных фрагментов -lys и Ljs -J)sp . На основе их результатов были выяснены конформационные состояния тетр-апептидного фрагмента

<3в/ -Jtsp . Низкоэнергетичесние конформа-ции Ж и тетрапептвдного фрагмента QLT послужили изу-

чению пентапептида Л С«. -Л$р . С использованием данных по монопептидам был рассчитан пенталептидный фрагмент -«Лтд . Используя полученные данные по пентапептвдам Жа. -Лsp и G&j -формировались исходные приближения для анализа пространственной структуры ft-концевого декапептвда Жа- -Jfaj . Из расчёта ^-меланотропина выбраны низкоэнергетичесние состояния до-декапептидного фрагмента

У молекулы J3-меланогропина человека было проанализировано 220 начальных приближений, составленных из 20 оптимальных конформаций фрагмента Л&эи -Л-uj ° и II оптимальных конформаций фрагмента Me^'-Js^ . В результате полной и частной минимизации энергии, построения конформационных карт и снятия наталкиваний оказалось, что только девять оптимальных конформаций обладают относительной энергией, не превышающей 10 ккал/моль (табл.А) .

Глобальные и некоторые другие низкоэнергетические конформ-ации J> -меланотропинов человека и быка имеют одинаковые состояния фрагментов МеЛ -Лsp и

и отличаются состояниями участков ЛspJ-Met11 и JJsp'-Ma.t'. Следовательно, ответственными за одинаковые функции у этих молекул являются очень близкие по своей структурной организации С-концевые додекапеп-тедные участки гормонов.

Молекула ^-меланотропина состоит из 12 аминокислотных остатков - V-Vae-Mti^4- H : s- P/ic - Jxg1- Tip- J$p-Jb) -« Расчёт этого гор/она окасался многоступенчаты!

Tatoma 4«

Шейлы пептидного скелета ннзкоэяаргетических конфорыаций j, -малаяотротана человека.

Конф. анергия, ккал/ыоль "Мл ^яв. Еторс>

1 2

3

4

5 efff

6

7 \ xfffffe

8 Э

/ efffef - eeefe 0 -129,1 6,2 16,4

fffeff ^ feeff 3,6 -121,1 -5,7 24,2

\ ^eeeff 5,5 -115,1 -9,7 24,5

\ feeffe - eeefe 4,9 -119,1 -6,8 24,5

- íííííe - eeeff 8,0 -113,4 -3,3 18,3

\ fffeff ^ feeff veeeff 8,1 8,8 -112,6 -113,7 -2,3 -0,6 16,6 19,6

íífifí - eeefe 9,1 -122,4 2,3 22,8

- feefff - eeeff 9,4 -114,1 4,4 13,2

и трудоёмким, что связано со слабой дифференциацией конформаци-онных состояний по энергии и, следовательно, с необходимостью анализа большого количества структурных вариантов. Потребовалось рассмотрение целого ряда ди-, три- и тетралептидов, низкоэнергетические конформации которых послужили исходными в расчёте фрагментов Туг-1 -Phef, His и На завершающем этапе были спользованы низкоэнергетические структуры гексапептида Tj-v -Phef и октапептида Hi-S - , принадлежащих соответственно 21 и 27 шейпам пептидного скелета. Всего было проанализировано 228 конформаций ^-меланотропина, 216 форм основной цепи, 168 шейпов. Улнимизация энергии не выявила существенной детерлина-ции оптимальных структур..В интервал 0-10,0 ккал/моль поп&чо 78 конформаций 14 типов.

Пространственная структура секретина исследована по представленной на рис.4 схеме, в которой порядок расчёта фрагментов указан стрелками. Результаты конформационного анализа секретина представлены в схематической, наглядной форме на рисунке 5. Изображенная на рисунке 5 схема демонстрирует, таким образом, все типы точнее, семейства низкоэнергетических.конформаций каждого фрагмента, их генезис, наличие конформационно жестких и вариабельных участков; кроме' того, она многое говорит о причине и порядке спонтанного свертывания пептидной цепи молекулы и о пути перехода одного конфорлационного состояния в другое.

Найденные низкоэнергетические состояния секретина показали, что основной результат может быть сформулирован следующим образом; пространственное строение гормона в условиях полярной среды представляет собой два семейства конформаций VH -^е^е^у -Va и , отличающихся друг от друга состоянием центр-

ального тетрапептидного участка J-^-Lau"^-^-Jisp (рис.б].

Ич'-Лг,"! I «и'-и»" I

' I: ' 11 к '

„ , <5Н '■< КЭ

ЩГНЗ

| |

Рис.5 Схематическое представление основных результатов расчёта пространственной структуры секретина.

V, и У^ - вариабельные N - и С-концевые фрагменты, состоящие соответственно из шести и пяти аминокислотных остатков. Они могут принимать совершенно различные конформации, сравнительно мало отличающиеся по энергии. Фрагменты \/м и V,. разделены конформационно жестким участком последовательности ТКх

1

-цел! , который может находиться в одной из практически изоэн-ергетических пространственных форм. Одна форма содержит

около пяти витков о<-спирали, а другая предст вляет

собой два Ы-спиральных участка, соединенных между собой нерегулярной цепью, которая может быть реализована двумя различными способами ВДВШ и ВВ1ВД . Переход между двумя практически эквивалентными по энергии структурами и , по-ви-

димому, имеет строго кооперативный характер, поскольку любое

единичное изменение информационного состояния одного из остат-

. И Л 1Г

ков на участке J/тл -Jisp сопровождается редким увеличением энергии.

Теоретический информационный анализ секретина привел к такой структурной организации молекулы, которая не исключает реализацию гормоном целого рада самых разнообразных функций, требующих строго специфических взаимодействий с различными рецепторами.

Проведенное сравнение теоретических и экспериментальных работ показало, что полученные для молекулы секретина теоретические структуры находятся в удовлетворительном соответствии, /Bodanazky ГЛ., Hanzrnann i. Int.J.Peptide Protein Res.,1983, V.21.P.216-218,Gronenborn A.M.et all.PEBS Let.1987,1.215.P.63./

Определение пространственной структуры природных гормонов дает возможность перейти к изучению на количественной основе структурно-функциональной организации молекул этого класса. Экспериментальные изучения структурно-функциональной организации пептидов ведутся на основе данных о биологической активности и их искусственных аналогов. Однако, пептиды выбираются всегда без знания пространственного строения природных и синтетических молекул, т.е. пытаются найти зависимость между химическим строением и биологической активностью. Все попытки оказались малоэффективными. Структурно-функциональная зависимость пептидных гормонов изучается методом проб и ошибок. Поэтому возникает необходимость теоретического подхода и исследованию структурно-функциональной организации.

Е.М.Поповым предложен подход (Попов Е.М. Уолекул.биология, 1985, Т. 19, С. II07-II38J , который заключается в теоретическом определении характера химических модификаций, которые

необходимы для ввделения той или иной актуальной и длясоответст-вующей функции природного олигопептида конформации. По сравнению с прямой структурной задачей априорным расчётом конформации по известной аминокислотной последовательности возникающая здесь задача противоположна по своей постановке, и поэтому автором названа обратная структурная задача. Общая цель её состоит в целенаправленном конструировании химического строения молекулы, заведомо принимающей такое пространственное строение, которое необходимо для реализации вполне определенной функции.

Ближние взаимодействия определяют исходный набор конформа-ций аминокислотных остатков. Поэтому ближние взаимодействия, моно выбрать определенные наборы разрешенных состояний и воздейс-ствоать на пространственное формирование пептидных молекул. Классификация пептидных структур по конформациям, формам и тейпам дает возможность решить обратную задачу на три этапа. Вначале детерминируется соответствующий шейп пептидного скелета, затем форма основной цепи и, наконец, конформации.

Цри замене в цепи любую аминокислоту на пролин, предшествующий остаток если он не является глицином не может находится в Р форме основной цепи. Появление у метильной группы при азоте резко ограничивает конформационные возможности как собственного, так и предшествующего остатка. В этом случав основная цепь такого дипеятидного участка может иметь только B-B, B-L, L--В и I-I формы основной цепи. ■

Замены у oi -аминокислоты I -конфигурагт! на 2>-конфигурацию не влияет на геометрию и конформационную свободу монопептида. Дня L-аминокислот ( кроме GCy и Рю) низкоэнергетическими являются области B,R,L (l-наименее предпочтительна ), а для

2) -аминокислот - Р*, Ь*, R*, т.е. если у I-остатка Р область является полностью нереальной, а I-менев выгодной, чем R и В, то у 2>-остатка запрещена В*, a R* менее выгодна чем Р* и I* .

На основе пространственной структуры Дельта-Сон-Индуцирую-щего Пептида ДСИП предложены j Z-JICol/-) [ Pío*]-j Рт-о'/-; jVo-f2, Va.t*j-jjjlsnj-j j T^) -аналоги, имитирующие различные информационные состояния природной молекулы.

Расчёт показал, что реальными для /й-Л&^-ДСИПа являются две конформации из девяти низкоэнергетических ( BgglPPBjBRjjB 1у , bgjppbbjbbgj^! у).

При замене Gíy1 на Pao* из наиболее низкоэнергетических конформаций ДСИП остается лишь RjjRPKRjBI?gjBBgjj jy^ Реальны-

г> б

ми и равнойероятными у год -аналога являются лишь две конформации - BgjBBIBgEBj^BBggl /Па/, B2IBRBB2RE^2Ba32I/II6/, имевшие разные формы основной цепи, но принадлежащие к одному типу eef ее ^ ее. При введении Рт-о* вместо низкоэнергетическим является лишь одно конформационное- состояние - RjjFPRRj-BRgjBBgjj /I/.

Включение в последовательность сразу двух остатков с объемными и негибкими боковыми цепями /Va£^Va£y существенно изменило энергетическое распределение конформаций природного но-напептида. Глобальной оказалась структура типа {jejijee. /У1Н/ имеющая для ДСИПа самую высокую энергию. Конформации шейпов eejeejee, Je}JJe/e, íej1S5ee и jjeeefee имеют невысокую энергию.

j у

Замена Jlsp на Jsn делает реальными для этого аналога структуры лишь одного типа eejeejee. Замена Se-ь на Тут? не приводит к заметной дифференциации конформаций. Набор низкоэнерг-етичосих состояний Tjjt -аналога содержит те же ртруктурныв

варианты, что иприродная молекула. Использование тирозиновой модификации в качестве аналога природной последовательности следует признать нецелесообразным. На это указывают результаты теоретического конформационного анализа самьЫ непосредственнш образом.

К такому же выводу пришли авторы работ /Набиев Н.Р. и др. Биоорган, химия, 1582, Т.8, С.900-Э04/.

Результаты, полученные в рсчёте молекулы тимопентина ЦьЧЯзр-Уа^-Т^ч5 явились основой для анализа конформацион-ных возможностей синтетических аналогов./^',) }б&иЛ}~ и /СЦу1/ • Глобальная кокформация у аналогов, как и у тимопентина принадлежит шайпу . У аналога понижена энергия

конформации шайпа еее^, в отношении конформации других шейпов энергетические распределзния практически эквивалентны.

Замена остатка на сказывается наиболее существенно на конформации: с полностью развернутой формой основной цепи, которые становятся более реальными. Распределение конформаций аналога /ЗД^/ резко отличается от распределения тимопентина. Реальными, по существу, являются лишь структуры типа е ^ 5

На основе стабильных состояний ыегионин-энкефалина исследованы следующие его аналоги /»-чЯйь/-; ¡2) }

/ж2,

пространственные структуры которых в своей совокупности отвечают набору.■ низкоанергетических конформаций природного нейро-пептида.

№

Дня расчёта аналогов' /Л2а.4/-, ¡2>-Жс?1- ,

■1-, ¡жг, ння. и е//-; тМ)-,

/J/^7-, Ia-Jl^Jl&f,Jk//-, Jz-Ж^ Qif,

Jl^l-y 12>-Ж*.г, M*f, L^j-, ж«?, Jsn 6I~,

I si-j&x.z? je^, I <z>-je<£? jeaf, Hlsc}-; ¡z>-

Лт-д6/ -лейцин-энкефалина выбраны оптимальные конформации молекулы. Расчёт позволил выяснить возможность различных замен аминокислот в последовательности лейцин-энкефалина.

На основе установленных предпочтителнных структур J, -мела-нотропина быка и о<-меланотропина исследованы конформационные возможности их искусственных аналогов: ¡MJ'I-} l^M^j-j - J, -меланотропин и j P-r.o°l - <А -меланотропин. Полученные результаты показывают пути целенаправленного синтеза аналогов меланотропинов, моделирующих вполне определенные конформации природной молекулы.

Как видно из табл.4, наиболее низкоэнергетические формы основной цепи принадлежат к двум семействам /а и б/. Предполагая, что структуры aj-a^ и б-рб^ являются физиологически активными кон^рмационными состояниями молекулы, поставим следующую цель: во-первых, найти такие синтетические аналоги, конформационные возможности которых моделировали бы структуры секретина семейства а и делали бы невозможным структуры семейства б /или наоборот/, во-вторых, предложить аналоги, исключающие возникновение структур одного семейства /например, все варианты 6j-6^/ и отличающиеся друг от друга вероятностью реализации конформа-ций только в пределах другого семейства /ат-а4/.

I 13

Замена в последовательности секретина остатка Lvj на Рас/1 и N/ЧеЛыл делает невозможным реализацию всех конформа» ций семейства б, имеющих на этом участке »¿-спираль. В то же время такие замены существенно не влияет на стабильность конф-

ормаций семейства а, поскольку у них остаток Лтд'*- находится в В-форме. Таким образом, оба синтетических соединения будут лишены / и только по стеричэским причинам / функций гормона, осуществляемых посредством конформаций семейства б (табл.5) .

Структуры а^-а^ отличаются конформ&ционными состояниями своих N- и С-концевых фрагментов HíS-Pbe-6 и LeM-Va¿ и, очевидно, для смещения равновесия требуется их модификация. Результаты расчета молекул аналогов /ЛбаР^о'1/- и ¡ShJ]ùx!} Pxo^f-показывант, что у первого аналога глобальной становится конфор-мация аз, а у второго - aj.

Подобным образом можно целенапрвленно менять конформацион-ное состояние С-концевого пентапептада. Как видно из приведенных в табл.5 дачных, при комбинации замен остатка 6%. на I- и á>-J)£a?S с заменой L«mZ на Рхо*4 легко удается сделать самой выгодной любую из конформаций семейства д секретина.

Модификации последовательности секретина - замены Jlsp на W, Glu3 на на Jsn - самые незначительные в ст-

ерическом отношении, но весьма существенные в электронном. Расчёт показал, что снятие отрицательных зарядов с боковых цепей остатков J$p 1 и (уСи благоприятствуют «/-спиральным конф-орыациям семейства б. У аналога (jj$WУ се1фетина структуры ag и Bj почти изоэнергетичны, а у аналогов

ч/Л&п } равновесие нацело смещено в сторону структуры бр Они могут быть рекомендованы для изучения физиологической активности конформаций семейства б (табл.5} .

Таблица 5.

Относительная энергия /ккал/моль/ предпочтительных нои-формаций секретина и его синтетических аналогов.

Обозначение конформаций

а1 *2 аз а4 б1 б2 б3

Секретин 0 1,2 4,4 6,1 1,6 6,1 1,7 6,5

/ Рго13 / 0 1,5 3,4 5,5 - - -

/ МеНЬэи13/ 0 3,1 3,4 6,6 - - -

/ А1а4,Рго13/ 1,1 2,9 0 2,3 - - -

/ Б-А1а4,Рго13/ 0 1,8 3,4 5,6 - - -

/ Рго13,П-А1а25/ 1,0 0 4,8 4,8 - - -

/ Рго13,Л1а25,Рго26/ 0 - 4,0 - - - -

/ А1а4,Рго13,Б-А1а25/ 2,2 1,3 2,8 0 - - -

/ 0-А1а4,Рто13,В-А1а25/ 0,9 0 5,3 6,6 - - -

/В-А1а4,Рго1^А1а25рго26/ 0 - 4,9

/А1а4,Рго13А1а2 5рго2 б/ 0,9 - 0

/ Аап3 / - 0 - - 0,4 - - -

/ С1п9 / О - - -

/ Аап15/ - 0 - - -

Примечание. Прочерк означает, что относительная энергия конформаций превышает Ю ккал/моль.

ОСНОВНЫЕ Н23УЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1Л1зучены конформациокныо возможности большого числа коротких модельных пептедов и выяснены стерические взаимоотношения между близка •расположенными в цепи аминокислотными остатками.Доказано, что в дипептидном фрагменте взаимодействие остатков приводит к заметному детерминированию их конформационшх состояний.Низкоэн-ергетические конформации дипептидов представляют собой выборочные комбинации предпочтительных конформационных состояний моноп-оптидов,а конформации трипептидов - комбинации еыгодных состояний смежных дипептидов.Переход к более сложному фрагменту всякий раз сопровождается прогрессирующей дифференциацией оптимальных пространственных структур по энергии.

2.Разработан метод априорного расчета стабильных хонйсрлаций олигопептидов,основанный на поиске по известной аминокислотной последовательности пространственных структур,обладающих минимальной потенциальной энергией,плотнейшей упаковкой и согласованностью всех внутри- и межостаточных взаимодействий.Метод включает естественную классификацию всех возможных структурных вариантов олигопептидов по трем категориям / шейпам, Сортам и конформациям/, связанных мевду собой.

3.Используя предложенный метод,выполнен анализ пространственного строения многочисленных и весьма разнообразных по физиологическим свойствам пептидных гормонов,последовательности которых включают от пяти до свыше трех десятков аминокислотных остатков. Для каждого гормона выявлен набор наиболее I .редпочтительных по энергии конформационных состояний,отличающихся по ориентациям боковых цепей,формам и шейпам пептидного скелета.Для каждого типа структур определена присущая ему стабилизирующая система межостаточных взаимодействий и оценены вклада, в конформационную энергию от невалентных,электростатических и торсионных взаимодействий.

4.Для олигопептидов,состоящих из нескольких десятков аминокислот, предложен механизм самопроизвольной укладки пептидной цепи в на-тивное состояние.

5.05общая полученные результаты теоретического кон<?орлационного анализа большого числа природных гормонов показано,что наиболее предпочтительные кон^рлации олигопептидной молекулы характеризуются,во-первых,тем,что сни включают только те состояния остатков, которые отвечают наиболее низкоэнергетическим формам свободного монопептида,во-вторых,сни представляют собой сочетания самых выгодных форм смежных,более коротких фрагментов и,в-третьих,они обладают такой формой пептидного скелета которая соответствует одной из наиболее предпочтительных кснЖормаций аланинового олигоп-оптэда.При этом имеет место согласованность между всеми видами стабилизирующих взаимодействий.

6.Методом теоретического конформационного анализа показано,что в нативных условиях пептидный горюн не является флуктуирующим образованием,а представляет собой ограниченный набор низкоэнергетических конфор/аций,каэдая из которых может быть реализована в зависимости от физиологических условий окружающей молекулы среда. Каздая из них,в принципе,может быть физиологически активной и доминировать в кон<*ормациошом равновесии в зависимости от условий окружающей среды.

7.Полифункциональность пептидных гормонов объяснена наличием в физиологических условиях набора низкоэнергетических коифорыаций, которые могут отличаться между собой структурным типами,фермами основной цепи и положениями боковых цепей.

8.Установлено,что стабилизирующий э-Мект дальних взаимодействий

у молекул £ -меланотропина человека,секретина и -экцорфина,сос-тоящихся соответственно из 22, 27 и 31 аминокислотных остатков, заметно уступает силе средних мете статочных взаимодействий. Д~:ка

пептвдной цепи еще недостаточна для реализации у них,как в случае белков,одной трехмерной структуры.

9.Составлены наборы искусственных аналогов тимопентина,дельта-сон ивдуцирующего пептвда, ы- и ß -меланотропшов.энкефалинов и секретина.Совекупность пространственных структур аналогов каждого горюна отвечает набору низкоэнергетических,физиологически активных конформаций природной молекулы. Апробирован подход к целенаправленному поиску искусственных аналогов гор/она,обладающих различными функциями из полифункционального спектра действия природной молекулы.Подход открывает широкие перспективы количественного изучения функционирования пептадных горюнов,поиска лекарственных препаратов и ингибиторов вредных экологических примесей.

10.Созданы основы нового научного направления,которое показывает, что с помощью метода теоретического информационного анализа иок-но определить пространственную структуру сложных молекул эндогенного и экзогенного происхождения пептидной природы и предложить их аналоги.Это направление иыеет важное значение для развития количественной молекулярной экологии.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Kreissler U.A.»Akhmedov N.A..Arkhipova S.F.,Lipkind G.M.,Popov K.M.//Analyse confornationelle du N-Acetyl-L-Pheriylalalyl-L-Fhe-ny lalanlne methylamld.-J.Chim.Fhya-1974.V.6,P.913-919.

2.Липки1д Г.М. .Ахмедов H.A.,Попов Е.М.//Взаимообусловленность информационных состояний смежных остатков ^ пептидной цепи. Тез.докладов III Всесоюзного симпозиума по химии пептидов и белков.Киев.I974.C.86.

3.Попов Е.М. .Ахмедов H.A. .Лишшчч Г.¡¿.//Подход к расчету ста-

Сильных конформаций олигопептидов. 1.Ди- и три-пептиды с остатками аланина и фенилаланина.Еиоорган.химия.I375.T.I.0.I268-I279.

4.Липкинд Г.М. .Ахмедов H.A..Попов Е.М.//Подход к расчёту стабильных конформаций олигопептидов.II. Три- и ггенгалепгиды с чередующимися остатками аланина и фенилаланина.Биоорган.химия.1975. Т.1,0.1280-1290.

5." Akhmedov N.A..//Method of calculation of stable conformations of oligopeptides. Abstracts of Soviet-French

symposium on physical chemistry of proteins and peptides. Puchino-on-Oka. 1975.P.42-43.

о.Ахмедов H.A..Мельников П.Н..Липкидц Г.М..Попов Е.М.//Метод расчёта стабильных конформаций олигопептидов.Тез.докладов I Всесоюзного совещания по органической кристаллохимии.Рига.IS75G9I

7.Мельников П.Н..Ахмедов H.A. .Липкинд Г.М..Попов Е.М.//Подход к расчёту стабильных конформаций олигопептидов.III.Олигопептиды

с чередующимися остатками пролина и фенилаланина.Еиоорган.химия I976.T.2.C.28-42.

8.Ахмедов H.A.,Липкивд Г.М..Мельников П.Н..Попов Е.М.//Подход

к расчёту стабильных конформаций олигопептидов.17.Ди- и три-пе-птиды с остатками аспарагина и спарагиновой кислоты.Еиоорган. химия. 1976. Т. 2. С. 746-761.

9.Ахмедов H.A. .Касумов И.А.,Касумов O.K..СулеЛманова Е.В.,Абба-слы P.M. .Годзсаев Н.М.//Теоретический конформационный анализ пептидов мозга.Гез.докладов У Всесоюзного симпозиума по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул. Алма-Ата. IS80.

С. 106.

Ю.Ахмедов H.A..Касумов O.K..Абасова H.A. .Годжаев Н.М.,Попов ' Е.М.//Теоретический конформационный анализ гормона ¿"-пептида

сна.Тез.докладов У Всесоюзного симпозиума по химии и физике белков и пептидов.Баку.1980.С.179.

П.Ахмедов H.A. .Касумов И.А..Зацаринная Н.И. .Ахвердиева Г.А., Аббаслы P.M..Годжаев Н.М.,Попов Е.М.//Трехмерные структуры с*- и Ji-меланоцитстимулирущих гормонов.Тез.докладо У Всесоюзного симпозиума по химии и физике белков и пептидов.Баку.1980.С.180.

12.Сулейманова Е.В..Ахмедов H.A. .Абасова H.A. .Годжаев Н.М..Попов Е.М.//Пространтсввнное строение о<-эвдорфина.Тез.Докладов У Всесоюзного симпозиума по химии и физике белков и пептидов. Баку. I980.C.236.

13.Попов Е.М..Ахмедов H.A..Касумов O.K..Касумов И.А..Годжаев Н. М.//Теоретический конформационный анализ пептидов мозга.I.Стимулятор сна. Биоорган.химия.1980.Т.б.С.I620-I63I.

14. Касумов H.A..Годжаев Н.М..Ахмедов H.A.//Теоретический конформационный анализ молекул:Н-Мг£-5йи-Н^&-ОН и H-Md-Güi-HiS-Phe, -ОН - Известия АН АЗЕРБ.ССР.сер.физ.тех.ыат.наук. 1980.Т. 10.

С.108—III.

15.Ахмедов H.A..Ахвердиева Г.А..Зацаринная Н.И..УклеинаО.М., Годжаев Н.М.//Теоретический конформационный анализ фрагментов

и -Sex- -J?sp jb-меланоцитстимулирующего гормона.Известия АН Аз.ССР.сер.фиэ.тех.мат.наук. I98I.T.II. С.114-120.

16.Аббаслы P.M..Ахмедов H.A.//Расчёт стабильных конформаци? некоторых аналогов молекулы пептеда ска.//Тез.докладов конференции молодых ученых по физ.-хим.биологии.Баку.IS8T.C.5.

17.Ахвердиева Г.А..Ахмедов H.A.//Пространственное строение J>-меланоцитстимулирующего гормона.Тез.докладов конференции молодых ученых по физико-химической биологии.Баку.I38I.C.19.

18. Руле ¿¡макова Е.В.,Микаилова У.Т. .Axm^ob H.A.//Трехмерная

структура ^-эвдорфина.Тез.докладов конференции молодых ученых по физико-химической биологии.Баку.1981. С.96.

19.Ахмедов Н.А.,Ахвордиева Г.А.,Дамиров А.Г.»Сулейманова S.B., Аббаслы P.M.,Годкаев Н.М.//Расчёт пространственной структуры некоторых биологически активных пептидов.Материалы У1 Симпозиума по меямолекулярному взаимодействию и конформациям молекул. Вильнюс.1982.С.38.

20.Ахмедов Н. А. //Пространственные структуры пептидов мозга. Тез.докладов I Всесоюзного съезда. МоскваЛ982.Т.1.С.10-П.

21.Касумов И.А. .Ахмедов H.A.//Теоретический конформационный анализ Ы-меланоцитстимулирующего гормона.Тез.докладов I Всесоюзного биофизического съезда.Москва.1982.T.I.С.8.

22.Ахвердиева Г.А..Ахмедов Н.А.//Пространственное строение J> -меланоцитстимулирующего гормона.Тез.докладов I Всесоюзного биофизического съезда.Москва.1982.Т.Г.С.8-9.

23.Сулейманова Е.В. .Ахмедов H.A.//Тррхмерная структура ^-эндо-рфина.Тез.докладов I Всесоюзного биофизического съезда.Москва. 1982. Т Л. C.I0.

24.Аббаслы P.M.,Ахмедов Н.А.//Конформационный анализ некоторых аналогов молекулы 5~-пепглда сна.Тез.докладов I Всесоюзного биофизического съезда.Москва.1982.Т.1У.С.4.

25.Ахмедов H.A.,Аббаслы P.M.,Ахвердиева Г.А..Дамиров А.Г.,Сул-ейманова E.B. .Годааев Н. М.//Трехмерные структуры пептидов мозга. '1'ез.докладов симпозиума "Система мозговых и внемозговых пептидов".Ленинград.1Э84.С.10.

Зб.Агаева Г.А. «Ахмедов H.A. ,Год*аев Н.М.//Конформационный анализ N-концевого пентадекапептида секретина. Тез. докладов симп-эзиуыа "Система мозговых и внемозговых пепгвдов". Ленинград. С984. С. б.

27.Ахмедов Н.А.,Агаева Г.А.,Суле;1манова ¡2.В.,Аббаслы P.M.,Ахвердиева Г.А..Халилова H.М.//Теоретический конформационный анализ пептидных гормонов.Материалы У1 симпозиума по конформационным изменениям биополимеров в растворах.Тбилиси.1985.С.38.

28.Ахмедов H.A. .Аббаслы P.M.//Структурно-физиологическая организация дельта-сон индуцирующего пептида и его аналогов.Тез.докладов Всесоюзной научной конферешрга "Актуальные вопросы физиологии с'на".МоскваЛ985.С.8-П.

29.Агазва Г.А..Ахмедов H.A. , Годкаев Н.М.//Конформационньгл анализ тетралептидных фрагментов G&u. -JKg' -JI$pS и J sp _ Jog a молекулы секретина.Известия АН Аз.ССР.сер.физ.тех.мат.на-ук. 1985.'Г. 6.С. 6 5-68.

30.Ахвердиева Г.А..Ахмедов H.A.//Теоретический конформационный анализ С-концевого октапептида молекулы ^-меланотропина.Известия АН Азерб. ССР, сер. биолог, наук. 1966. М. С. II3-II9.

31.Ахмедов Н.А. .Агаева Г.А. .Ахвердиева Г.А. .Аббаслы P.M. .Сулей-манова Е.В..Шевченко А.А.//Исследование структурно-функциональной организации пептидных гормонов методом теоретического кон-формационного анализа.Тез.докладов УН Всесоюзного симпозиума по мзлыолекулярному взаимодействию и конформациям молекул. Цущино.1986.C.I50-151.

32.Akhmedov N.A..Akhverdieva O.A.»Godjaev N.M.,Popov E.M.//The-oretical conformational aaalysio of brain peptides. Jl-Mela- ->oy-te-stlmulatlng hormone.Int.J.Peptide Protein Res., 1986.7.27. P.95-111.

33.Ахмедов H.A. .Сулейманова E.B. .Ибрагимов Э.И.,Годжаев H.M. .//Пространственная организация N-концевого трвдекапептида JJ-овдорфина. Биофизика. 1У86.Т. 31. С. Sol-o^.

34.Ахмедов H.A.//Теоретический информационным анализ молекулу казоморфина 5.Молекул.биология.1986.Т.20.С.1547-1549.

35. Ахмедов H.A..Хапилова Н.М. .Попов Е.М.//Конформационные состояния тимопентина и некоторых его синтетических аналогов. Молекулярная биология.1987.Т.21.С.I5S-I63.

36. Агаева Г. А.,Ахмедов H.A. .Попов ¿.,,1.//Структурно-функциональ:-' ная организация молекулы секретина. I.Теоретический информационный анализ фрагмента Нс^-Лхд 8. Молекулярн.биология.1987.

Т. 21. С. 164-173.

37.Ахмедов H.A..Агаева Г.А..Попов 2.М.//Структурно-функциональ-ная организация молекулы секретина. II.Прямая структурная задача. Молекул.биология.IS87.Т.21.С.174-181.

38.Попов Е.М..Агаева Г.А..Ахмедов Н.А.//Структурно-функциональная организация молекулы секретина.III.Обратная структурная задача. Молекул, биология. 1987.Т.21.С.182-183.

39. Ах?.:едов H.A.. Ахвердиева Г.А.//Простралтсвенная структура молекулы % -меланотропина.Известия АН Азерб.ССР.сер.биол.наук. 1985. №6. С.II8-I23.

40.Ахмедов H.A.-//Структурная организация ß -мвланоцитстимулиру-ющего гормона человека.Известия АН Азерб.ССР.сер.биол.наук. 1557,S5.C.150-154.

41.Ахмедов H.A.//Структурная организация N-концевого декапепт-ида j> -меланотропина человека.Известия АН Азерб.ССР.сер.физ. маг.наук.1987.Т. 8.С.94-97.

42.Ахмедов H.A.//Пространственное строение Ji-меланотропина человека.Тез.док.У1П Всесоюз.симпозиума по химии белков и пептидов . Таллин. 1987. С. 149.

43.Ахмедов H.A.//Исследование с помощью ЭВМ структурно-функциональной организации пептидных гормонов.Тез.док. Нвсесоюзной

конференции математические и вычислительные методы в биологии. Биомолекулярные системы.Г^тцино.1587.С. 61-52,

44. Ахмедов Н.А.//Теоретичеекий информационный анализ молекул _£-казоморфина, валмецептина и морфицептина. Молекул, биология

1969.Т.23.С.240-248.

45.Ахмедов H.A..Попов Е.М.//Структурная организация молекулы о<-меланотропина.Молекул.биология.1969.Т.23.С.249-254.

46.Ахмедов H.A..Аббаслы P.M.,Попов Е.М.//Структурно-функциональная организация пептида, индуцирующего дельта сон. Молекул, биология.1989.Т.23.С. 676-682.

47.Попов Е.М.,Годжаев Н.М..Ахмедов H.A.«Сулейманова Е.В.//Структурная организация молекул [htij -энкефалина и эндорфинов.1. Теоретический информационный анализ jVlftiJ-энкефалина.Биоорган, химия. 1990.Т. 16. С.482-491.

48.Сулейманова Е.В..Годжаев Н.М. »Ахмедов H.A..Попов Е.М.//Стр-уктурная организация молекул ¡Mzi] -энкефалина и эвдорфинов. II. Теоретический информационный анализ о!-, ^ - и S*-эвдорфинов. Бгаорган.химия. 1990. Т. 16. С. 619-660.

49.Ахмедов H.A..Годжаев Н.М.,Сулейманова Е.В..Попов Е.М.// Структурная организация молекул [hti] -энкефалина и эндорфи-нов. III.Теоретический информационный аналиа ß -эндорфина. Еиоорган.химия.1990. Т.I6.C.661-667.