Белки конформационная динамика

Прежде всего, белки уникальны в отношении химического строения. Это гетерогенные нерегулярные полипептидные последовательности 20 а-аминокислот и их производных, включающих самые разнообразные по своим химическим и физическим свойствам, т.е. валентным и невалентным взаимодействиям, атомные группы. В химическом построении белковых молекул уже можно усмотреть огромные потенциальные возможности к вариации физико-химических свойств. И в то же время белки представляют собой фактически единственный класс соединений, химические свойства которых нельзя непосредственно соотнести с химическим строением молекул. Поведение белков всецело определяется исключительной, присущей только им пространственной структурной организацией. Лишаясь ее, белки теряют все свои биологические свойства. За редким исключением, лишь белковые цепи способны самопроизвольно свертываться в строго детерминированные структуры, геометрия и конформационная динамика которых в физиологических (нативных) условиях полностью определяются аминокислотной последовательностью. Трехмерные структуры белков индивидуализированы, очень сложны и имеют строгий порядок, не сводящийся, однако, к периодичности. Способность природной полипептидной цепи к пространственной самоорганизации и обретению определенной молекулярной структуры - самая яркая особенность белков, отсутствующая у молекул искусственных полимеров, в том числе у полученных человеком поли-а-аминокислот. В растворе синтетический полимер находится в состоянии статистического клубка, флуктуации которого могут приводить к появлению в цепи регулярных участков лишь ближнего порядка. При этом, однако, ни при каких условиях не образуются стабильные трехмерные структуры, тем более идентичные для всех молекул данного полимера. В твердом виде синтетический полимер пребывает в аморфном состоянии, которое может включать частично кристаллическую фазу из беспорядочно ориентированных друг относительно друга зародышевых микрокристаллических областей. Искусственные полимеры отличаются качественно и по своим химическим свойствам, которые в той или иной мере воспроизводят свойства соответствующего мономера и могут быть описаны ограниченным набором реакций, специфичных для повторяющегося звена в свободном состоянии. [c.51]

Настоящая книга является вторым изданием учебника Биофизика , который первоначально был опубликован в 1987 г. За это время в биофизической науке появилось много новых данных, которые имеют большое значение для развития фундаментальных представлений и теоретических построений современной биофизики. Это потребовало доработки учебника и включения во 2-е издание ряда новых разделов. К ним относятся новые проблемы биофизики сложных систем, особенно теории активных сред и хаотического поведения детерминированных систем представления о переносе электрона в биологических структурах, в которых прочно утвердились идеи об активной роли белка в механизмах и путях транспорта электронов. Раздел молекулярного моделирования конформационной динамики глобулярных белков существенно переработан и дополнен. [c.3]

Конформационная динамика белка. Особенности динамики непосредственно связаны с механизмом ферментативного катализа. Акт катализа происходит лишь при строго определенной ориентации нескольких групп, достигаемой за счет кон- [c.429]

Белки фактически являются единственным классом соединений, химические свойства которых нельзя непосредственно соотнести с химическим строением молекул. Их поведение и исключительная роль в процессах жизнедеятельности определяются особой, только им присущей молекулярной структурной организацией. За единичными исключениями лишь белковые цепи способны самопроизвольно свертываться в строго детерминированные структуры, геометрия и конформационная динамика которых обусловлены аминокислотной последовательностью. Белки несопоставимы по своему функциональному разнообразию с действиями какого-либо другого класса молекул живой и неживой природы. В то же время, при функциональной универсальности природных аминокислотных последовательностей свойства каждого отдельного белка уникальны в отношении физиологической функции, механизма ее реализации, зависимости от внешних условий, природы лиганда и растворителя. Очевидно, поэтому назначение генетического аппарата любого организма сведено к хранению информации только о белках и их синтезе, а биосистемы всех уровней, включая молекулярный, можно считать "произведениями" белков. Последние не только синтезируют почти все соединения живой природы, но и способствуют приданию им пространственной формы, необходимой для протекания процессов жизнедеятельности. [c.108]

В последние годы были предприняты успещные попытки прямого теоретического расчета кинетики конформационных переходов и усредненных флуктуаций в конкретных белках (М. Карплус). В качестве исходного состояния принимались положения атомов, определенные из данных рентгеноструктурного анализа. Далее рассчитывалась динамика смешения белка исходя из соответствующих значений атом-атомных потенциалов. Для панкреатического ингибитора химотрипсина расчет был выполнен с временным шагом с. Согласно расчету, смещение полипептидных цепей в 0,05 нм достигается уже за время порядка Ю с. Это значение заметно отличается от экспериментального значения 10 с, типичного для белков, -по-видимому, вследствие того, что теория не учитывает влияния среды на динамику макромолекулы. Были рассчитаны также средние отклонения положений ядер в цитохроме с. Для а-углеродных атомов основной цепи они составили 0,07 нм, для других тяжелых атомов 0,085 нм, для гемовой группы 0,051 нм. Эти расчеты подтверждают сделанный ранее теоретический вывод И.М. Лифшица о том, что при определенных условиях свободная полимерная цепь сворачивается в глобулу с плотным конденсированным ядром и рыхлой опушкой . Так, для цитохрома с при переходе от ядра с радиусом 0,6 нм к опушке радиусом 2,2 нм средние отклонения меняются от 0,066 до 0,164 нм. [c.557]

При переходе от молекулярных систем к надмолекулярным структурам живых клеток и организмов мы встречаемся со специфическими проблемами физики конденсированных сред. Биологические мембраны, сократительные системы, любые клеточные структуры имеют высоко специализированное гетерогенное строение. Во всех функциональных надмолекулярных структурах определяющую роль играют белки, взаимодействующие с другими органическими молекулами (например, с липидами в мембранах) и с различными ионами, начиная с малых ионов щелочных и щелочноземельных металлов. В гетерогенных надмолекулярных системах реализуется специальное динамическое поведение, ответственное в конечном счете за важнейшие явления жизнедеятельности. Это поведение определяется особым состоянием биологических надмолекулярных систем. Мембраны имеют жидкое или жидкокристаллическое строение, белки плавают в липидном море . Сократительные белковые системы, ответственные за превращение химической энергии (запасенной преимущественно в АТФ) в механическую работу, т. е. системы механохимические, построены из различных фибриллярных белков, взаимодействующих друг с другом. Естественно, что внутримолекулярная и молекулярная подвижность, т. е. конформацион-ные движения, играют главную роль в динамике надмолекулярных структур. В конечном счете электронно-конформационные или ионно-конформационные взаимодействия лежат в основе всей клеточной динамики. [c.611]

Динамика конформационных изменений, сопровождающих комплексообразование белков с лигандами, в ряде случаев детально исследована методом температурного скачка. Рассмотрим кинетическое поведение системы, описываемой схемой (9.11) в условиях, близких к равновесию. Кинетика процесса, представленного [c.217]

Особый интерес в биофизике фотосинтеза представляет изучение переноса электрона при сверхнизких температурах. Мы уже рассматривали (Т. I, гл. ХП1) теоретические модели влияния низкой температуры на туннелирование электрона, сопряженное с тепловой диссипацией энергии по колебательным степеням свободы. Температура может влиять и на динамику релаксационных процессов в белке в ходе электронно-конформационных переходов, особенно тех, в которые вовлечены мягкие моды (ХП1, 11). [c.365]

Численное моделирование динамики белка - сравнительно новое направление в молекулярной биофизике. В предыдущих лекциях было показано, что конформационная энергия белка определяется атом-атомными взаимодействиями и описывается специальными потенциальными функциями. В результате можно получить энергетические карты, на которых видны усредненные координаты атомов, соответствующие условиям минимума общего конформационного потенциала. Подобную картину дает и метод рентгеноструктурного анализа, с помощью которого определяют среднестатистические положения атомов в белковой структуре. Однако такими способами невозможно проследить за движениями и флуктуациями положения отдельных атомов, которые лежат в основе конформационных флуктуаций и переходов в белках. В методе численного моделирования динамики белка для отдельных атомов непосредственно решаются классические уравнения движения, в которых движущие силы определены из известных потенциальных функций атом-атомных взаимодействий. Исходные координаты тяжелых атомов (не водородных) задаются по рентгеноструктурным данным, причем в на- [c.114]

В принципе может реализоваться такая ситуация, когда в результате иммобилизации конформация фермента практически не изменяется, но нарушается динамика конформационных изменений в белке. Так, у белков, связанных с носителями, могут замедляться необходимые для катализа конформационные переходы, уменьшаться число конформационных стадий и глубина их протекания. Причиной этого являются неспецифические взаимодействия функциональных групп белка с носителем. Чтобы избежать их, необходимо, как показывает практика, проводить иммобилизацию на инертных носителях. [c.99]

В настоящее время интенсивно разрабатываются физические модели внутримолекулярной подвижности белка, где учитываются его особые свойства, отличающиеся от свойств твердого тела и жидкости. Так в модели ограниченной диффузии, показано, что связь функциональной активности и конформационной динамики белка определяется характером релаксационных процессов по внутримолекулярным и конформационным координатам с существенно разными скоростями. Задача состоит в том, чтобы найти принципы корреляции локальных и микроконформа-ционных изменений, приводящих в конечном итоге к детерминированным внутримолекулярным конформационным сдвигам, которые имеют вполне определенный функционально-биологический смысл. [c.11]

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]

Техника "отжига" в конформационном анализе пептидов и белков часто используется в комбинации с методом молекулярной динамики, в котором температура вводится в расчет посредством кинетической энергии. Самый простой и наиболее распространенный алгоритм этого метода был предложен X. Берендсеном и соавт. [189]. Сравнение его с другими алгоритмами метода молекулярной динамики вьшолнено в работе [190]. Комбинированный метод динамического "отжига" применяется в анализе более или менее сложных пептидов, однако непременно с использованием экспериментальных ограничений, получаемых от рентгеноструктурной кристаллографии и ЯМР [191-194]. Расчет, таким образом, сводится к уточнению уже известной структуры или выбору из небольшого числа предполагаемых вариантов. В разработанном М.Сноу подходе привлекаются данные о гомологии белков [195, 196]. Метод "отжига" широко используется, правда с переменным успехом, в конформационном анализе простых пептидов [197-200], причем наиболее популярным объектом является энкефалин, конформационно достаточно простой эндогенный пентапептид, содержащий два остатка Gly [200-206]. Дж. Хиго и соавт. [207] предложили процедуру длительного "отжига" в комбинации с методом взвешенного набора переменных [208] и минимизацией энергии по вторым производным, позволяющим судить об анизотропии потенциальной поверхности. Авторы использовали процедуру для расчета конформационных состояний пептидных петель в белках, структуры которых известны [209]. [c.244]

Существуют экспериментальные работы прямо показывающие, что в некоторых случаях конформационные изменения в белке, возникающие при связывании органических лигандов (субстратов, кофакторов, ингибиторов), зависят от структуры лиганда. В качестве примера рассмотрим динамику связывания с апофермен-том флаводоксина из азотобактера — кофактора флавннмононук-леотида (ФМН). [c.224]

Так с помош ью спектроскопии с переносом насьщения была исследована динамика Са-АТФазы в мембранах саркоплазматического ретикулума и протеоли-посомах, что позволило выявить связь конформационной подвижности белка с его АТФазной активностью, показать, что внутримолекулярная подвижность и активность Са-АТФазы зависят от природы ассоциированных с этим белком липидов. [c.281]

Результаты по численному моделированию молекулярной динамики (гл. XI, 3) иллюстрируют кооперативный характер конформационных движений белка в фотоцикле Бр (Шултен). Оказалось, что спектральный сдвиг 570 625 нм, сопровождающий образование фотопродукта 7б25, вызван поляризацией белковой матрицы за 500 фс под действием измененного дипольного момента возбужденного ретиналя. Сама по себе изомеризация по С13—С14 связи ретиналя не дает вклада в спектральный сдвиг, а служит только триггерным механизмом для его осуществления. Это аналогично действию электрического поля в темноте на модельные пленки Бр, вызывающему спектральные эффекты за счет поляризационных перестроек макромолекулярных компонентов Бр ( 4). [c.405]

Хотя методом импульсного радиолиза в сочетании со спектрофотометр ической регистрацией был внесен значительный вклад в исследование переноса электрона с участием цитохрома детали динамики конформационных изменений белка, сопровождающих изменения в степени окисления центрального атома железа необходимо выяснять с помощью независимых методик, например таких, как резонансное комби национ ное рассеяние. [c.282]

Рассмотренные модели белкового свертывания содержат ряд общих черт принципиального порядка, наличие которых совершенно неизбежно при изучении явления методами статистической физики и равновесной термодинамики. Во всех модельных описаниях динамики белковой цепи предполагают равновесность и двухфазность процесса, т.е. основываются на теории двух состояний Брандтса [214] (подробно см. гл. 11). В подтверждение этому обычно ссылаются на работы 1960-х и начала 1970-х годов, посвященные экспериментальному исследованию механизма денатурации малых белков. Однако единство моделей в этом отношении отнюдь не следует из существования однозначной трактовки результатов эксперимента. Напротив, большая часть опытных данных, особенно полученная позднее, свидетельствует о более сложном характере процесса. Дело в том, что предположение о двухфазном равновесном механизме свертывания белковой цепи становится неизбежным при выборе чисто статистического, феноменологического подхода, не учитывающего конкретную гетерогенность аминокислотной последовательности и обусловленную ею конформационную специфику. Кроме того, представление белкового свертывания в виде монотонного увеличения популяции одного оптимального состояния при одновременном, точно таком же уменьшении популяции другого оптимального состояния и при отсутствии видимого количества промежуточного метастабильного состояния накладывает существенное ограничение на предполагаемую динамику процесса и упрощает его рассмотрение. В этом простейшем варианте свертывания белковой цепи профиль популяции ( У) выражается зависимостью свободной энергии от степени упорядоченности, имеющей больцмановский вид 1п . Другая общая черта касается представления о нативной конформации белковой молекулы. Во всех моделях важнейшей характеристикой упорядоченного состояния белка считается глобулярность его пространственной организации. Под глобулой подразумевается структура, удовлетворяющая следующим двум условиям. Во-первых, размер глобулы значительно превышает эффективное расстояние действия сил, ее формирующих. Это условие позволяет выразить свободную энергию глобулы через ее объем и поверхность. Во-вторых, глобула предполагается структурно гомогенной, что избавляет от учета гетерогенности белковой цепи и неравномерности упаковки аминокислотных остатков в нативной конформации. [c.301]

В качестве примера приведем результаты моделирования внутренней динамики белка-ингибитора трипсина (ИТ) панкреатической железы, молекула которого содержит 454 тяжелых атома. Оказалось, что реальные флуктуации положений атомов в белке по отношению к усредненной во времени структуре составляют для а-углеродных 0,6 А и 0,75 А для всех остальных атомов. Наблюдаются также флуктуации в значениях двугранных углов ф и / вращения в пептидной цепи в пределах 10-20° и для угла со в пределах 7-9°. Эти флуктуации положений быстро затухают в течение 1-2 пс. Однако имеются и долгоживущие, до 20 пс, флуктуации в положении а-углеродных атомов, которые, по-видимому, отражают конформационные переходы в белке. Регулярность флуктуационных движений нарушается тем значительнее, чем чаще атомная группа испытывает столкновения с другими атомами своего микроокружения. В пределах общего широкого конформационного минимума в белке совершаются спонтанные переходы из одного микросостояния в другое за счет тепловой энергии, например, вращение ароматического кольца тирозина в молекуле ИТ. Моделирование на ЭВМ этого процесса показало, что сам переход через потенциальный барьер происходит самопроизвольно, а не за счет сильных активационных соударений с атомами микроокружения кольца. Кольцо тирозина пересекает барьер за время 1 ПС по определенной траектории, а толчки микроокружения только стремятся "отвести" кольцо от барьера и "сбить" его с естественной траектории спонтанного перехода. Флуктуации положений отдельных атомов в белке коррелируют друг с другом, что может привести к большим по масштабу структурным сдвигам и конформационным перестройкам. Флуктуационные "дрожания" атомов создают условия и предпосылки для функционально направленных конформационных переходов в белках. Мы еще пока далеки от построения детальной картины динамики белка. Однако уже сейчас можно сделать некоторые общие выводы, основанные на сопоставлении теоретических и экспериментальных результатов по внутримолекулярной подвижности и ее роли в функциональной активности белка. Атомные группы в белке испытывают на себе действие различных сил (кулоновские, ван-дер-ваальсовы взаимодействия), а также случайных "тепловых" толчков со стороны соседних групп. Кроме того, они могут участвовать и в нормальных ко- [c.115]

Известны многочисленные данные, свидетельствующие о подвижности групп в белковых молекулах и многообразии конформационных состояний белков в целом (см. обзоры [1375-1379]. Во многих случаях изменение конформации происходит при изменении внешних условий (pH, температура и т.п.) или же при присоединении лигандов. Однако и при фиксированных условиях белки, по-видимому, существуют в нескольких или многих состояниях, взаимопревращения между которыми происходят достаточно быстро. Это следует, во-первых, из экспериментов по изотопному обмену протонов в белках, выявляющему наряду с быстрой стадией обмена также и более медленную стадию, которую относят к обмену протонов внутри глобулы, скорость которой лимитируется скоростью конформационного изменения белка [138О]. Во-вторых, такие изменения можно проследить, используя "репортерные группы , введенные в белок, и исследуя спектральные или иные физико-химические изменения, происходящие с белком. Например, в случае модифицированной карбоксипептидазы удалось обнаружить рН-не-зависимый конформационный переход с кажущейся константой скорости около Б с [1381]. Далее конформационная подвижность в белках прослеживается методами ядерного магнитного резонанса высокого разрешения [1382] по положению и форме сигналов от отдельных атомов и групп. Существует много других способов констатации конформационных изменений в белках [1383-1385], рассматривать которые здесь не представляется возможным. Единственно хотелось бы упомянуть о принципиальной возможности априорного расчета относительно небольших белковых молекул, дающего сразу сведения об энергиях большого набора состояний белка и, следовательно, о его конформационных возможностях [153,1386], а также о возможности компьютерного моделирования подвижности белков методами молекулярной динамики [1387,1388]. [c.96]

Наличие доменов может отражать ход образования третичной структуры из развернутой пептидной цепи. Быстрее всего собираются в свернутую или упорядоченную структуру участки протяженной полипептидной цепн, расположенные по соседству в ее первичной структуре, так как они с большей вероятностью могут оказаться сближенными в пространстве при произвольной конформации белка. В гл. 21 мы обсудим количественные данные о динамике процесса свертывания белков. Здесь мы хотим только отметить, что если структура белка делится на домены, то последние представляют собой важные промежуточные состояния в процессе снертывания. Возможно также, что белок претерпевает конформационные изменения, прн которых внутренняя структура доменов остается неизменной, а нх относительное расположение заметно изменяется. Таким образом.бе-лок, состоящий из доменов, будет скорее иметь гибкую структуру, чем белок, в котором различные участки скрепляются между собой перекрещивающимися полипептидными цепями. (В качестве примера можно привести структуру иммуноглобулина С, изображенную на рис. 1.9 и 2.10). [c.106]