ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Невалентные взаимодействия из "Конфирмации органических молекул" Биологические функции белков тесно связаны с их пространственной структурой. Действительно, ферментативная активность, например, белка лизоцима определяется тем, что внутри него имеется полость, необходимая для захвата субстрата — полисахаридных оболочек бактерий. Если изменить внешние условия, свойственные живым клеткам, а именно повысить температуру или изменить кислотность среды, то белок денатурирует. Денатурация означает сохранение первичной структуры белка, но изменение его пространственного строения, т. е. конформации, и именно благодаря изменению конформации белок утрачивает свои биологические свойства в случае лизоцима форма белковой глобулы станет более беспорядочной и размеры полости не будут соответствовать размеру субстрата. [c.359] Сказанное здесь не следует понимать в том смысле, что ферментативная активность и другие свойства белков могут быть объяснены только на основании знания пространственной структуры на самом деле фермент-субстратные взаимодействия достаточно сложны, и вряд ли какая-либо одна теория сможет охватить все разнообразие явлений, связанных с биологическими функциями белков. Однако сохранение нативной конформации всегда необходимо для того, чтобы белок мог функционировать. [c.359] В этой главе рассмотрены пути подхода к решению задачи предсказания пространственной структуры белка. Поскольку наибольшие успехи были достигнуты в изучении конформаций низкомолекулярных пептидов и их моделей, т. е. по существу в изучении ближайших взаимодействий в белках, мы детально остановимся именно на этих исследованиях. В то же время определенное внимание будет уделено интерпретации конформаций реальных белков в свете теории ближайших взаимодействий и возможности обобщения полученных результатов на структуру белка в целом. [c.360] Расчетами конформаций пептидов занимались четыре группы исследователей — группы Рамачандрана, Ликвори, Флори и Шерага. В дальнейшем к этому направлению подключился еще ряд теоретиков, в том числе Е. М. Попов с сотр. и В. Г. Туманян в Москве, С. Г. Галактионов с сотр. в Минске. Достижения каждого из исследователей можно кратко охарактеризовать следующим образом. Рамачандран и сотр. первыми начали конформационные расчеты пептидов [1] и нашли разрешенные и запрещенные области на конформационных картах [2] Ликвори [3] первым применил атом-атом потенциалы для построения конформационных карт. Брант и Флори [4] показали важность учета электростатических взаимодействий для предсказания относительной стабильности различных конформаций и разработали метод расчета гибкости модельных пептидов и сополимеров наконец, Шерага интенсивно исследовал конформации дипептидов методом жестких сфер [5—9] и с потенциальными функциями [10—12], а также пытался разработать пути поиска оптимальной структуры циклических пептидов и нерегулярных пептидных фрагментов [13 14, V. 1, р. 43 15]. [c.360] Детальные описания указанных работ имеются в обзоре Рамачандрана и Сасисекхарана [16], посвященном рассмотрению конформаций пептидов и белков. Один из обзоров Шерага [17] охватывает расчеты конформаций олиго- и полипептидов, другой его обзор [18] посвящен анализу термодинамических свойств пептидов и белков в растворах и исследованию роли ближайших взаимодействий в определении нативной конформации белка. В обзоре автора [19, с. 93] рассмотрены более поздние достижения в расчетах конформаций пептидов и, в частности, работы,проведенные у нас в стране. [c.360] Валентный угол угла. [c.361] Эти параметры были подтверждены и более поздними структурными исследованиями [21, 22]. Разумеется, указанные данные нельзя принимать за абсолютные — в реальных молекулах длины связей и валентные углы могут меняться, однако изменения эти невелики. [c.361] Увеличение углов вращения соответствует движению по часовой стрелке, если смотреть от М-конца к С-концу пептидной цепи вдоль соответствующей связи. Именно такой способ отсчета углов вращения был принят нами и при обсуждении конформаций сте-реорегулярных макромолекул (см. гл. 7). Разумеется, введение новой номенклатуры не обязывает нас перестраивать полученные прежде конформационные карты достаточно лишь нуль отсчета (ф, л1)) перенести из левого нижнего угла в центр карты. Тогда, если старые обозначения углов считать со штрихами, а новые нет, то ф = 180° — ф, Ф = 180° — 1] и (О = 180° — со. [c.362] Поскольку связь С —N имеет свойства, промежуточные между свойствами одинарной и двойной связей, вращение вокруг нее (( -деформации) стоит большой затраты энергии. Следовательно, конформации, например, дипентидного фрагмента, изображенного выше, можно с удовлетворительной точностью описать двумя существенными параметрами — ф и я — углами вращения вокруг связей N — С и С — С. Отметим еще, что /пранс-конформа-ция группировки С —С О—МН—С по крайней мере на 2 ккал/моль выгоднее цас-конформации, и потому именно она встречается в нециклических пептидах. [c.362] Физико-химические свойства аминокислот описаны в различных монографиях, например [25, с. 56 26, с. 101 27, с. 45] в книге [25] приведены стюарт-бриглебовские модели аминокислотных остатков. [c.362] Зная структуру мономерной единицы, можно, основываясь на рассмотренном в разделе 5 гл. 2 матричном методе, выразить координаты всех атомов через геометрические параметры — длины связей, валентные углы и углы вращения. Для пептидных цепей это впервые было сделано Рамакришнаном [28]. Преобразование координат атомов стало уже стандартной процедурой машинных расчетов некоторые полезные детали этого преобразования применительно к пептидным системам приведены в работах [4, 5, 12, 29, 30]. [c.362] Как видим, составляющих довольно много, и прежде чем переходить к обсуждению каждой из них, отметим, какие свойства пептидов в большей или меньшей степени зависят от той или иной составляющей. [c.363] Энергия взаимодействия валентно не связанных атомов дает очень важные сведения о возможных конформациях полипептидной цепи, а именно о разрешенных и запрещенных областях в пространстве геометрических параметров. Более того, точное положение минимумов также обычно дается этой составляющей, и потому ее можно назвать составляющей номер один. Что же касается относительной стабильности различных конформаций, то, используя только потенциалы невалентных взаимодействий, мы рискуем допустить серьезные погрешности. [c.363] Электростатические взаимодействия, как правило, не способны изменить положения минимумов, поскольку они являются функциями, медленно меняющимися при изменении расстояний между атомами, однако они могут резко увеличить или уменьшить энергию, соответствующую тому или иному локальному минимуму. В определении относительной стабильности различных конформаций невалентные и электростатические взаимодействия играют приблизительно одинаковую роль. [c.363] Водородные связи — взаимодействия более сильные, чем притяжения и отталкивания несвязанных атомов. Их энергия в большой степени зависит от природы растворителя, поскольку водородные связи могут возникать между молекулами растворенного вещества и растворителя. [c.363] Торсионная энергия невелика, но влияет (хотя и слабо) как на положение минимумов, так и на относительную стабильность конформеров. [c.363] Смело можно пренебречь изменениями длин связей, поскольку они стоят слишком большой затраты энергии. [c.364] Наконец, гидрофобные взаимодействия несуш,ественны для малых олигопептидов, но в полипептидах и белках они могут быть важнее, чем все остальные взаимодействия, вместе взятые (если речь идет о полной пространственной структуре). [c.364] Остановимся теперь отдельно на каждой из указанных составляющих. [c.364] В расчетах конформаций пептидов использовались как жесткие сферы, так и потенциалы, имеющие аналитическую форму 6-ехр и 6—12 — потенциалы Ликвори, Скотта и Шерага, Флори, Дашевского. Подробное обсуждение атом-атом потенциалов см. в разделе 3 гл. 2. [c.364] Вернуться к основной статье