ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общая характеристика молекулярной динамики биополимеров из "Биофизика Т.1" Проблема выхода лиганда СО из гидрофобного кармана к периферии белка решается методами численного моделирования внутримолекулярной динамики МЬ ( 3 гл. XI). Вычисления показали, что узкое место, определяюш ие высоту барьера для диффузии лиганда, находится в области боковых цепей гмс-Е7, вал-Е11 и тмр-Е10. Торсионные враш ения этих трех боковых цепей на различные углы требуют энергетических затрат не более 8-10 ккал/моль. Однако энергетический барьер при этом снижается до 20 кДж/моль (Карплюс) по сравнению с 400 кДж/моль при жесткой структуре. Это соответствует размораживанию конформационной динамики белка. Па рис. XI.21 приведена энергетическая карта, показываюш ая появление энергетических долин для диффузии лиганда в белке. [c.333] В настояш ее время отсутствует строгая физическая теория, связываюш ая структуру биополимера и его биохимическую активность. Для развития теоретических представлений о физических основах функционирования биологических систем необходимо изучение корреляции между функциональной активностью биополимеров и их внутренней конформационной подвижностью, т. е. относительными движениями групп с амплитудами, значительно превышаюш ими амплитуды валентных колебаний. По-видимому, для большинства биохимических процессов конформационная подвижность является неотъемлемой составляюш ей. [c.333] Конформационная подвижность возникает при определенных условиях, связанных со структурой объекта, которые реализуются при достаточно высокой степени гидратации (сольватации). Для биополимеров существенна также высокая степень кооперативности, которая вносит определенную специфику в динамические свойства белков. Например, а- и р-спиральные участки обладают повышенной жесткостью и их можно рассматривать как элементы некоторой конструкции, формирующей каркас макромолекулы. Естественно, динамические свойства каркаса значительно отличаются от свойств более мягких и менее упорядоченных участков макромолекулы. С другой стороны, относительно жесткие элементы каркаса формируют коллективные конформационные степени свободы. [c.334] Мы видели, что подвижность по конформационным степеням свободы биополимеров носит стохастический характер и реализуется как ограниченная диффузия фрагментов и групп молекул. Однако механизмы диффузионных процессов в плотных структурированных средах устроены достаточно сложно, тесно связаны с корреляцией флуктуаций и требуют специального изучения. [c.334] При рассмотрении наиболее часто встречающихся конформационных флуктуаций с полной амплитудой 1 А и в отсутствии резко выраженных локальных минимумов широко используется модель броуновского осциллятора как модель вязкого ящика ( 1 гл. XI). [c.334] При реальных значениях параметров амплитуды флуктуаций свободных а-спиралей могут достигать нескольких ангстрем, а времена релаксации лежат в микро-секундном диапазоне. [c.335] Задача о флуктуациях -структур, моделируемых пластинами, решается путем добавления к уравнению изгибных колебаний пластины дополнительных членов, описывающих затухание и тепловой шум. [c.335] Оценки показывают, что -структуры при прочих равных условиях должны быть менее жесткими по отношению к изгибам, чем а-спирали. При указанных выше значениях параметров для свободной -структуры амплитуда флуктуаций составляет несколько ангстрем, а время корреляции при вязкости г р 100 из лежит в микросекундном диапазоне. [c.335] Роль вязкости растворителя и корреляции флуктуаций и динамика белков. [c.336] Выше мы широко пользовались понятием микровязкости белка как мерой диссипативных процессов при конформационных движениях. Хотя интуитивно использование микровязкости не вызывает затруднений, физический смысл этого понятия не так прост. Особенно актуальным этот вопрос становится при изучении влияния вязкости растворителя на скорости внутрибелковых процессов. [c.336] структурная организация белковой глобулы вносит определенное своеобразие в ее флуктуационное поведение. Имеется набор конформационных степеней свободы с полными амплитудами движения до нескольких ангстрем, с резко различаюш имися временами корреляции. Флуктуации жестких элементов каркаса имеют определенную форму, задаваемую их равновесной геометрией и условиями на границах. Все конформационные движения происходят по механизму ограниченной диффузии. Влияние растворителя на времена релаксации обусловлено диффузией дырок внутрь глобулы. В столь сложных структурах конформационные степени свободы имеют также и ряд дополнительных особенностей, которые связаны с тем, что форма флуктуационных полостей и ш елей, необходимых для диффузии, не может быть произвольной. Проникновение частиц в ш ель может осуш ествляться лишь тогда, когда ее раскрытие превышает ван-дер-ваальсовский диаметр группы хо-Это приводит к тому, что жесткие элементы структуры вносят дополнительные стерические ограничения на конформационную подвижность и избирательно замедляют определенные типы движений. [c.338] Раскрытие ш ели не сводится только к упругой деформации ее стенок. Здесь большую роль могут играть также эффекты сольватации образуюш ейся свободной поверхности. Изменение формы лиганда резко сказывается на необходимой величине раскрытия ш ели жо, что меняет энергию активации процесса и обеспечивает его стереоспецифичность. Влияние вязкости растворителя на скорость диффузии осуш ествляется через изменение микровязкости глобулы в рассматриваемом слое по механизму, описанному выше. Такой подход позволяет получать информацию и о динамике определенных белковых групп по данным о диффузии лигандов, например, СО в миоглобине. [c.338] Отметим, что такой подход отличается от обычно принятого в теории активированного комплекса, где вводится константа равновесия между активной и неактивной конфигурациями и, в силу этого, теряется информация о динамике достижения этой активной конфигурации. В данном случае возникает возможность анализировать механизм сложных превраш ений в конденсированной среде с конформационной подвижностью, например, в случае многоцентровых ферментативных реакций (гл. XIV). [c.339] Поверхность конформационной энергии. В основе конформационной подвижности биополимеров лежат диффузионные процессы в структурированной среде. Однако реальная ситуация в белках оказывается значительно сложнее, чем это следует из моделей, описанных выше. Появление степеней свободы, связанных с вра-ш ением вокруг одинарных связей, потенциальная энергия которых имеет несколько минимумов и максимумов, резко усложняет форму гиперповерхности потенциальной энергии и д), (где д — набор N разных конформационных координат). Это справедливо даже для простейших олигопептидов. В результате появляется множество локальных минимумов и невысоких энергетических барьеров, резко расширяется объем фазового пространства, доступного системе при обычных температурах. В свою очередь это ведет к множеству топологически неэквивалентных путей, ведуш их в одно и то же конформационное подсостояние на гиперповерхности потенциальной энергии. [c.339] В обычных моделях конформационные подсостояния соответствуют локальным минимумам на кривой потенциальной энергии, полученной в результате измерения какого-то единичного параметра. На самом деле, мы имеем дело лишь с одним определенным профилем потенциальной энергии вдоль одной координаты (например, угол поворота данной группы). Ему соответствует лишь один путь из всего множества путей, ведущих в данную точку конфигурационного пространства. Вдоль каждого из этих путей мы имеем определенный профиль потенциальной энергии, а каждая из множества траекторий реализуется с определенной вероятностью. [c.339] Полезно рассматривать топологические свойства сечений гиперповерхности конформационной энергии U q) уровнями Е = NRT. Наличие обширной связной области и ее распад на множество небольших и несвязных областей при изменении Е или каких-то других условий отвечает переходу от конформационного лабильного состояния к состоянию с фиксированными конформациями. Сложность строения поверхности U q) даже в приближении сферически симметричных атом-атомных потенциалов столь велика, что фактически необходимо говорить о ее статистических свойствах. Сам по себе диффузионный характер конформационных движений далеко не исчерпывает стохастичность процесса, который состоит и в том, что его параметры характеризуются некоторыми функциями распределения, тесно связанными с распределением высоты барьеров px(s) при каждом значении рассматриваемой конформационной координаты х. Это значит, что параметры потенциала для рассматриваемой конформационной степени свободы оказываются зависящими от набора конформационных координат. Это делает неоднозначным результат конформационного перехода и является основой для множественности путей трансформации энергии. Изменение строения гиперповерхности в ответ на изменение химического состояния функциональных групп может быть использовано для регуляции и сопряжения на молекулярном уровне процессов переноса массы, трансформации энергии и передачи информации в биомакромолекулярных структурах. [c.340] Вернуться к основной статье