Моделирование динамики белка

Белки-мутанты можно привлекать к интерпретации структурных принципов. Все фиксированные мутации белков можно рассматривать как эксперименты природы, которые указывают нам, какие вариации мало влияют на стабильность белка и на динамику свертывания. С другой стороны, случайные и, по-видимому, нефиксирую-ш иеся мутации, как в аномальном гемоглобине, дают примеры вариаций, заметно понижающих стабильность белковой структуры. Оба типа мутаций можно использовать для совершенствования наших представлений о невалентных силах в белках. Для этой цели можно использовать процедуры минимизации энергии исходных и мутировавших полипептидных цепей на основе известных трехмерных структур [501]. Определенные таким образом разности энергий и геометрические отклонения можно сравнить с экспериментальными данными, полученными соответственно из термодинамических измерений [413, 417[ и рентгеноструктурных исследований с высоким разрешением. Аналогичные сопоставления можно провести с помощью моделирования свертывания цепи (разд. 8.6), которое позволяет получить дополнительную информацию о некоторых аспектах процесса свертывания. [c.207]

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]

Ведущую роль здесь приобретают методы численного моделирования динамики белка, позволяющие представлять траектории движений отдельных атомов и молекулярных групп. [c.11]

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]

Численное моделирование молекулярной динамики белков [c.308]

Другая область науки, которая нуждается в суперкомпьютерах, — это компьютерная биохимия. Большинство методов расчетов, моделирующих динамику биомолекул, требуют учета одновременных смещений многих атомов. Полный моделирующий расчет для молекулы белка небольшой молекулярной массы в водном растворе, в котором на расчет каждой отдельной конформации затрачивается 100 пс, потребует около 100 ч на DE VAX 11/780 или 10 ч на IBM 3033. А для расчета константы скорости простого активационного процесса необходимо провести серию моделирующих расчетов, чтобы определить свободную энергию активации и, кроме того, дополнительное моделирование для нахождения вкладов неравновесных процессов. Для этого может понадобиться до 1000 ч на DE VAX 11/780. Более сложные расчеты или более продолжительное моделирование можно провести уже только с помощью суперкомпьютеров, у которых гораздо более высокое быстродействие. [c.213]

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]

Мы рассмотрели основные экспериментальные и теоретические подходы к изучению и физическому моделированию внутримолекулярной динамики биополимеров и, в первую очередь, белка. Связывание низкомолекулярных лигандов с белком гема представляет собой простую реакцию, на примере которой удобно показать, как применяются выше изложенные представления. [c.327]

Несмотря па пренебрежете квантовомеханическими эффектами, метод молекулярной динамики связан с большими затратами машинного времени. Для описания последовательности событий на временном интервале в 10 с требуется несколько минут рабочего времени процессора. Процесс сворачивания реальной белковой глобулы занимает —1 с, а моделирование такого процесса может потребовать несколько сотен лет, что, разумеется, не имеет смысла для целей предсказания. Тем не менее, подобный прием применим для изучения колебательных процессов в молекулах малых белков [36] и поведения простых пептидов в водной среде [68]. [c.572]

Е работах Фитча [В, 61 для описания эволюции белковн> молекул предложена коварионная модель, взятая нами за основ три моделировании динамики вариабельных позиций в белках. [c.56]

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]

В. Применение метода к кристаллу ИТПЖБ. Система, подлежащая моделированию, состоит из атомов белка одной молекулы ИТПЖБ [5] и 140 молекул воды. Требуемое число молекул воды можно рассчитать и из объема кристалла, для которого энергия взаимодействия белок — вода равна нулю или отрицательна (пространство растворителя) [9], и из объема элементарной ячейки и плотности белка и воды. Взаимодействия вода — белок рассчитывались, как описано выше, а взаимодействия белок — белок — по методу, изложенному в работе [23]. Расчет взаимодействий между молекулами воды вели, используя модель 5Т2, введенную Раманом и Стиллинджером [11] при моделировании жидкой воды методом молекулярной динамики. [c.211]

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]