Белки структура, предсказание

Нет ничего удивительного в том, что для описания геометрии, энергетики и прочих свойств, зависящих от взаимного ВЛИЯНИЯ атомов в молекуле, зачастую требуются различные подходы. Если спиральные конформации стереорегулярных полимеров великолепно описываются атом — атом потенциалами, то такие проблемы, как, скажем, предсказание пространственной структуры белка, структуры т-РНК и м-РНК в растворе и т. д., вообще говоря, в-ряд ли могут быть решены на уровне взаимодействий отдельных атомов. По-видимому, в последнем случае практически неизбежны более грубые модели. С другой стороны, и схема атом — атом-потенциалов может быть подвергнута критике с точки зрения квантовой механики, поскольку пока еще не найдены пути неэмпирических расчетов отдельных параметров. [c.5]

Схема вторичных структур, предсказанная для белка РВ2, Обозначен [c.256]

Используя теорию информации, авторы выполнили статистический анализ зависимости между порядком и структурой сначала у И, а позднее у 25 белков (около 4500 остатков). В результате аминокислотные остатки были количественно оценены мерой информации, характеризующей их способность входить во вторичные структуры и клубок. С помощью мер информации определены значения углов ф, ф у остатков ряда белков. Точность предсказания невысока. Так, совпадение значений ф, ф в пределах 40° у а-химотрипсина составило 31%, эластазы - 33%, цитохрома с - 50%, рибонуклеазы - 28%. [c.255]

Разработка новых подходов и методов для анализа связи между структурой и свойствами и биологической активностью органических соединений, открывающих путь к эффективному планированию синтеза соединений с заданными характеристиками, является важной проблемой современной органической химии. В статье рассматриваются основные принципы методов предсказания физико-химических свойств и биологической активности химических соединений, а также дизайна новых соединений с заданными свойствами и биологической активностью, развиваемые нами новые подходы и их применение для решения конкретных задач. Основные направления работ связаны с построением регрессионных моделей и генерацией структур, использованием локальных молекулярных характеристик и искусственных нейронных сетей, молекулярным моделированием белков и лигандов. [c.112]

Алгоритм предсказания трехмерных структур белка. Обзор основных работ, направленных на поиск эмпирических зависимостей между аминокислотными последовательностями и трехмерными структурами белков, был дан в предшествующем томе [2. Ч. II] и будет продолжен в гл. 17 этого тома. Анализ имеюш егося материала привел к следующим выводам, относящимся ко всему циклу исследований этого направления. [c.78]

В рассмотренной конформационной теории белка не постулируется образование в процессе структурной самоорганизации вторичных, регулярных структур. а-Спирали и р-складчатые листы должны автоматически появляться по ходу расчета на тех участках последовательности, где они оказываются самыми предпочтительными по энергии. Не привлекаются также данные рентгеноструктурного анализа белков и результаты их статистической обработки. Физическая теория и соответствующий расчетный метод исходят только из отмеченных выше четырех принципов, знания аминокислотной последовательности и валентной схемы белковой молекулы. Таким образом, в отношении пространственного строения белка теория является априорной. Предсказание трехмерной структуры строится на количественной оценке взаимодействий между всеми валентно-несвязанными атомами. При этом, однако, не требуется делать специальных предположений о роли в пространственной организации белковой молекулы водородных связей, ионных пар, дисульфидных мостиков и других видов взаимодействий. Так называемые гидрофобные [c.106]

Низкомолекулярные пептиды, в частности пептидные гормоны, как правило, наделены несколькими функциями. В этом отношении они отличаются от белков, которые, за редким исключением, монофункциональны, физиологическое действие отдельного природного пептида часто проявляется в совершенно различных системах организма и по своему характеру настолько разнообразно, что в такой сложной картине подчас трудно увидеть стимулирующее начало одного соединения и обнаружить между многими активностями пептида какую-либо связь. Несмотря на сложность функционального спектра, механизмы всех физиологических действий пептида совершенны по своей избирательности, чувствительности и эффективности. Поэтому при изучении конкретной функции возникает представление о молекулярной структуре пептида как о специально предрасположенной для выполнения только единичного рассматриваемого действия. Природным олигопептидам присуща согласованность двух на первый взгляд взаимоисключающих качеств - полифункциональности и строгой специфичности. Подход к установлению количественной зависимости между строением и биологической активностью олигопептидов, детально рассматриваемый в следующем юме монографии "Проблема белка", включает решение двух структурных задач, названных автором данной монографии [28] прямой и обратной. Прямая задача заключается в выявлении всех низкоэнергетических конформационных состояний природного олигопептида, которые потенциально, как будет показано, являются физиологически активными. Эта задача требует знания только аминокислотной последовательности молекулы и решается на основе теории и расчетного метода, использованных уже в анализе структурной организации многих олигопептидов. Обратная структурная задача по своей постановке противоположна первой. Ее назначение заключается в априорном предсказании химических модификаций природной последовательности, приводящих к таким искусственным аналогам, каждый из которых имеет пространственное строение, отвечающее конформации, актуальной лишь для одной функции исходного соединения. Конечная цель решения обратной задачи, таким образом, состоит в прогнозировании монофункциональных аналогов, которые бы только в своей совокупности воспроизводили полный набор низкоэнергетических конформаций природного пептида и весь спектр его биологического действия (подробно см. гл. 17). [c.371]

При допущении, что а-спирали нативной структуры уже сформированы в еще не полностью свернутой цепи. Такое предположение отчасти подтверждается данными иммунологических исследований, по которым можно судить о содержании а-спиралей в несвернутой цепи [418, 4541, а также достаточно удовлетворительными результатами методов предсказания а-спирали (разд. 6.5). Моделирование свертывания цепи выполняется а posteriori для белков, структуры которых определены с помощью рентгеноструктурного анализа. Применение такого моделирования к белку с неизвестной трехмерной структурой потребует информации об а-спиральных участках цепи отчасти эта информация может быть получена с помощью методов предсказания (гл. 6). [c.193]

Даже тогда, когда известна полная аминокислотная последовательность белка, из нее невозможно нывести его трехмерную структуру. Для этого необходим рентгеноструктурный анализ кристаллов данного бежа. К настоящему времени кристаллизованы несколько фрагментов миеломных белков и одш интактиая молекула IgG. Данные рентгеноструктурного анализа этих белков подтвердили предсказания иммунохимиков. Еще важнее то, что эти исследования позволили понять, каким образом на основе одной и той же структурной схемы конструируются миллионы различных антиген-связывающИ участков. [c.34]

Конформация полипептида в растворе частично определяется прямым взаимодействием пептидных групп друг с другом. То обстоятельство, что синтетические по-липептидй имеют высокорегулярную, кристаллическую структуру, тогда как многие другие- полимеры аморфны, т. е. обладают структурой беспорядочного клубка, в принципе свидетельствует о наличии некой естественной конформации для полипептидов. Результаты тщательной оценки длины связей и валентных углов, основанной на размерах, установленных для планарных пептидных связей в кристаллах небольших пептидов, существенно ограничили число возможных моделей конформации полипептидов. Дальнейшие ограничения в выборе возможной конформации были связаны с тем, что, согласно исходным предположениям, каждая карбонильная и каждая амидная группа пептида участвует в образовании водородной связи и что конформация полипептида должна соответствовать минимальной энергии вращения вокруг одинарной связи. Этим требованиям для пептидов, в которых имеются внутримолекулярные связи, отвечала правая спираль, содержащая 3,6 аминокислотных остатка на один виток (так называемая а-спираль) [1].. Существование спиральных структур предсказанных размеров в синтетических полипептидах было подтверждено с помощью самых различных физических методов, в том числе и методом рентгеноструктурного анализа. Такая а-спираль, в которой каждая пептидная группа соединена водородной связью с третьей от нее пептидной группой, считается наиболее вероятной моделью отдельных участков остова молекулы глобулярных белков, к которым относятся и ферменты. Нужно подчеркнуть, однако, что конформация глобулярного белка в целом отличается от простой регулярной а-спиральной структуры из-за наличия, в белке дисульфидных связей и остатков пролина, которые нарушают спиральное строение и изменяют ориентацию цепи, а также из-за взаимодействия боковых цепей, ответственного за третичную структуру. Действительно, рентгеноструктурный анализ с высоким разре- [c.25]

Для всех эмпирических методов предсказания регулярных форм основной цепи на локальных участках аминокислотной последовательности, образования из этих форм супервторичных структур, доменов и трехмерных структур белковых молекул (с момента их появления и по сегодняшний день) характерны следующие черты принципиального порядка. Прежде всего, в основе всех исследований этого направления лежит конформационная концепция Полинга и Кори, согласно которой трехмерная структура белка представляет собой ансамбль регулярных, вторичных структур. Единство эмпирических методов предсказания по отношеш1ю к этой концепции неизбежно, поскольку в противном случае становится бесперспективным поиск эмпирических корреляций. Очевидно, если пространственное строение сложных макромолекул состоит не из отдельных немногочисленных стандартных блоков, а включает неограниченное количество разнообразных нерегулярных структурных сегментов, то нельзя рассчитывать на его описание с помощью простых правил, выведенных путем статистической обработки экспериментального материала, всегда крайне ограниченного в решении данной задачи. В первых работах предполагалось, что пространственное строение глобулярных белков почти сплошь состоит из вторичной структуры одного типа — а-спирали. Позднее к вторичным структурам был отнесен -складчатый лист, а затем -изгиб и недавно Q-петли. Привлечение последних двух означало принципиальный отход от строгого определения понятия вторичной структуры, так как -изгиб и Q-петли не являются регулярными формами. Кроме того, их идентификация отличается от идентификации а-спиралей и -структур по получаемой при этом информации о структуре белка. Если предсказание регулярной структуры в идеале означает определение на отдельном участке белковой цепи конформационных состояний составляющих его остатков, точнее, геометрии основной цепи участка, то предсказание изгибов и петель даже в идеале означает лишь утверждение об изменении направления цепи, причем, если это касается -изгибов, даже не на 180°, а лишь на угол больше 90° для петель и такое ограничение отсутствует. Это связано с тем, что -изгибы и Q-петли могут быть реализованы путем практически неограниченного количества различных форм основной цепи, а каждая форма — набором большого числа конформационных состояний остатков. Излишне говорить, что между -изгибами и 0-петлями нет четких границ. [c.328]

Главной целью исследователей, изучающих структуру белка, является предсказание трехмерной конформации молекулы по ее аминокислотной последовательности. Из всего сказанного выше ясно, что это чрезвычайно трудная задача. Например, для белка, состоящего всего из 100 аминокислотных остатков в одной полипептидной цепи, конформацию с минимальной свободной энергией необходимо искать (если пренебречь концевыми эффектами) в 200-мерном пространстве, т.е. одновременно изменять 100 углов и 100 углов ф. Даже если мы ограничимся только стерически разрешенными углами фкф, число возможных конформаций такого белка будет равно З = 10 , так как большинству остатков, обладающих боковой группой (таких, как L-аланин), соответствуют три различные области в плоскости [ф, ф] (см. рис. 5.8). [c.277]

Пономаренко и соавт. посвящена описанию демонстрационного прототипа экспертной системы для предсказания топологической структуры белков на основе их аминокислотных последовательностей. В работе М.П. Пономаренко и Ю.Л. Орлова дано описание демонстрационного прототипа экспертной системы для быстрой оценки полезности использования произвольных характеристик биополимеров дли их классификации. Отличительной особенностью этой системы является использование нечетких эмпирических исчислений в рамках теории аддитивной полезности Сэвиджа [5]. [c.8]

Исследования с помощью этих подходов ведутся более 20 дет. За 8ТО время получен ряд важных результатов (см., например обзор (9]), одвако окончательное решение проблемы предсказания щюстранственной структуры по аминокислотной последовательности белка до сих пор не найдено. [c.168]

В результате развития компьютерной технологии появились новые, эвристические подходы к решению проблем, для которых затруднено пртменение традиционных алгоритмических методов. Одним нз таких подходов является технология экспертных систем [10]. Впервые использование экспертных систем для объединения традиционных методов анализа первичных структур белков (предсказание их вторичной структуры, активных центров и т.п.) было предложе- [c.168]

Всего в БЛОК заложено 15 различных эвристических правил, спользование которых позволяет проанализировать оофокий спектр Гатистических закономерностей работы ыетодов предсказания то- ологий белков по их аыинокислотныы последовательностям. Это Юзволяет быстро и эффективно исключать иэ рассмотрения беспер- ективные направления поиска статистически достоверных взаимосвязей между топологическими и первичными структурами белков. [c.185]

При всех достижениях теоретического характера по предсказанию формы КД-спектров более ценным часто оказывается эмпирическое сопоставление спектров разных соединений. Например, на рис. 13-14 лриведены КД-спектры спиралей, р-структур и неупорядоченных пептидных цепей, рассчитанные из измеренных спектров в сочетании с анализом реальных структур, которые установлены с помощью рентгеновской кристаллографии [49]. Обратите внимание на глубокий минимум при 222 нм в КД-спектре а-спирали, который в случае р-структу-ры выражен значительно слабее. Для неупорядоченной структуры при этой длине волны КД почти полностью отсутствует. По глубине указанного минимума часто оценивают относительное содержание спиральных участков в белке. [c.27]

Решающую роль в создании количественного метода сыграли положения о гармонии всех внутриостаточных и межостаточных взаимодействий и их преобладающем энергетическом влиянии над взаимодействиями белковой цепи с молекулами и ионами окружающей среды. Одно из этих положений позволило разделить проблему структурной организации белка на три менее громоздкие и поддающиеся последовательному решению частные проблемы ближних, средних и дальних взаимодействий. В результате специально разработанной классификации пептидных структур на конформации, формы и шейпы стало возможным получение достоверных количественных данных о конфор-мационных состояниях целых наборов структурных вариантов различных таксономических групп, ограничившись детальным анализом их отдельных представителей. Классификация настолько сократила объем вычислительных работ, что сделала реальным расчет трехмерных структур бе лков, на первых порах низкомолекулярных. Изложенные в книге результаты априорных расчетов структур трипсинового ингибитора, сложного фрагмента нейротоксина II и большого числа олигопептидов, состоящих из десятков аминокислотных остатков, свидетельствуют об адекватном отражении предложенными теориями (бифуркационной и физической) структурной самоорганизации белков и пептидов и реальности предсказания их нативных конформаций. [c.8]

Предположение о согласованности в нативной конформации белка всех внутримолекулярных взаимодействий открывает принципиальную возможность для поэтапного, фрагментарного подхода к решению проблемы структурной организации белковой макромолекулы. Это можно осуществить путем последовательного анализа трех видов взаимодействий, определяющих конформационное состояние каждого аминокислотного остатка в трехмерной структуре. К ним следует отнести, во-первых, взаимодействия атомов одного остатка между собой и с атомами двух смежных пептидных групп (ближние взаимодействия), во-вторых, взаимодействия остатка с соседними в последовательности остатками (средние взаимодействия) и, в-третьих, взаимодействия остатка с удаленными по цепи остатками (дальние взаимодействия) (рис. 1.1). Предложенное разделение взаимодействий до некоторой степени условно. Однакр среди возможных других оно представляется наиболее естественным и, как можно будет убедиться впоследствии, удобным с методологической точки зрения. Выделение трех видов невалентных взаимодействий (а не двух или четырех) не является полностью формальным, так как они довольно четко различаются по своим функциям в организации пространственной структуры молекулы белка. Но главное все же состоит не в способе разделения взаимодействий. Последовательное рассмотрение ближних, средних и дальних взаимодействий, как и взаимодействий, разделенных иным способом, может иметь смысл и привести к предсказанию нативной конформации белка только в том случае, если отобранные на предшествующих этапах наборы конформационных состояний аминокислотных остатков будут непременно включать состоя-Иия, удовлетворяющие условиям последующих этапов. Гарантом здесь Является постулированное в теории положение о согласованности всех видов взаимодействий валентно-несвязанных атомов в нативной конформации белка. [c.105]

В анализе белков, однако, требовалось рассмотрение не единичных структурных вариантов элементарных звеньев (пусть и правильно предсказанных) гомополипептидов, а множества, причем не независимо, а в сочетании друг с другом. Здесь важно было не упростить расчетную модель, не выхолостить физический смысл и не свести ее к представлению о пространственной структуре белка как ансамбле регулярных канонических форм а-спиралей и (i-складчатых листов. От этого ложного шага автора предостерегли результаты исследования Д. Филлипса трехмерной структуры лизоцима [55], После миоглобина и гемоглобина он бььт третьим белком, у которого было расшифровано с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярное пространственное строение. И если трехмерные структуры первых двух белков содержали не менее 15% а-спиральных остатков, то структура лизоцима оказалась существенно [c.108]

Метод статнстической информации. Это целое семейство процедур, в которых для отбора конформаций, служащих исходными приближениями в последующем расчете, используется разного рода вероятностная информация. Ее источником может быть банк данных белковых структур, статистическое распределение остатков на конформационных картах усредненная предпочтительность парных остаток-остаточных контактов или алгоритмы предсказаний вторичных структур [210-216]. Очевидно, данные такого рода ориентировочны и могут скорее ввести в заблуждение, чем помочь в решении структурной проблемы пептидов и тем более белков. Конформационные возможности каждого из них определяются не статистикой, а определенной и всегда уникальной аминокислотной последовательностью. Показательно в этом отношении исследование М. Ламберта и Г. Шераги [210-212] панкреатического полипептида из 36 остатков. В расчет его структуры в качестве дополнительной вероятностной информации привносятся данные о распределении значений двугранных углов основной цепи в четырех областях конформационной карты ф-ц/ и распределении конформационных состояний трипептидных сегментов на нерегулярных участках трехмерных структур белков, изученных кристаллографически. Набор исходных для оптими- [c.244]

Можно ли выводы Ли и Шераги в отношении найденной структуры Met-энкефалина считать объективными Является ли метод Монте Карло-Минимизации перспективным для расчета нативных конформаций белков и Механизмов их сборки Адекватен ли он в принципе реальному процессу свертывания белковой цепи У самих авторов на этот счет нет сомнений. Оценивая в заключении статьи возможности предложенной процедуры, они отмечают "Применение метода Монте Карло-минимизации к свертыванию олигопептидов не только способствует пониманию физической сущности процесса свертывания белковой цепи, но также может являться эффективным алгоритмом предсказания нативных структур белка.. ..Более того, поскольку метод Монте Карло-минимизации позволяет проводить исследования крупномасштабных изменений (и белковое свертывание является лишь одним таким примером), то он может быть весьма полез- [c.349]

Одно из главных положений теории пространственной организации белков состоит в предположении о наличии в нативных конформациях макромолекул согласованности ближних, средних и дальних взаимодействий (см. часть II). На этом утверждении строится поэтапный подход к априорному предсказанию трехмерных структур природных полипептидов, поскольку только при гармонии в белковой глобуле всех внутриостаточных и межостаточных невалентных взаимодействий атомов становится возможным и оправданным разделение конформационной проблемы белка на ряд связанных между собой менее громоздких проблем и их последовательное решение. Это же положение отражает суть термодинамической бифуркационной теории свертывания белковой цепи, объясняющей возможность, направленность и предел протекания по беспорядочно-поисковому механизму спонтанного, нелинейного неравновесного процесса сборки высокоорганизованной пространственной структуры из флуктуирующей полипептидной цепи. [c.413]

Проанализировав существовавшие к тому времени алгоритмы предсказания (Е. Каба и Т. Ву [133-135], Б. Робсона и Р. Пейна [136, 137], П. Чоу и Г. Фасмана [138, 139], Г. Шераги и соавт. [39]), А. Бэржес и Г. Шерага констатировали, что ни один из них не может быть использован для достижения поставленной цели. Затем они переводят свою задачу в гипотетическую область и ведут поиск решения с идеальным алгоритмом предсказания. На основе известной кристаллической структуры БПТИ, а не эмпирических корреляций, авторы относят 58 аминокислотных остатков белка к 5 конформационным состояниям (а , а , е, ), отвечающим экспериментальным данным и низкоэнергетическим областям потенциальной поверхности конформационной карты p-V /. Каждому состоянию они приписывают усредненные по известным кристаллическим структурам восьми белков соответствующие значения углов ф, j/. Двугранные углы боковых цепей (%) были взяты с округлением до 5° из рентгеноструктурных данных для молекулы БПТИ. Вопреки ожиданиям оказалось, что построенная таким образом трехмерная структура даже отдаленно не напоминает конформацию белка. Ситуация не улучшилась и при минимизации энергии с учетом невалентных взаимодействий. Сравнение контурных карт расстояний между атомами С модельной и опытной конформаций показывает, что в собранной с помощью идеального алгоритма экспериментальной геометрии боковых цепей и проминимизированной трехмерной структуре отсутствуют все характерные особенности нативной конформации удалены друг от друга цистеиновые остатки, образующие между собой дисульфидные связи, практически нет намека на вторичные структуры и не воспроизводится глобулярная форма молекулы трипсинового ингибитора. Для исправления положения были введены дополнительные ограничительные условия, облегчающие приближение модельной структуры к нативной конформации. Однако ни учет реализуемой в белке системы дисульфидных связей (5-55, 14-38, 30-51), ни введение сближения соответствующих остатков ys, ни включение в расчет специальной функции, имитирующей стремление неполярных остатков оказаться внутри глобулы, а полярных выйти наружу, ничто не помогло получить пространственную форму белка, близкую к нативной. Конечно, можно было бы еще более ужесточить условия и добиться совпадения. Но это не имело бы значения, поскольку не повлияло бы на окончательный вывод о невозможности даже в случае 100%-ного правильного предсказания конформационных состояний остатков получить структуру, отдаленно напоминающую реальный белок. [c.502]

Причину неудавшегося описания структуры Бэржес и Шерага [132] увидели в несовершенстве расчетной процедуры, которая, по их мнению, учитывала только внутриостаточные и ближние межостаточные взаимодействия. Был сделан вывод, что полученные результаты свидетельствуют о необходимости дополнить схему предсказания учетом средних и дальних взаимодействий. Авторы этой работы, как и предыдущей [131], неправы, утверждая, что в расчете игнорировались межостаточные взаимодействия среднего и дальнего порядка. Как уже упоминалось, в действительности они в неявном виде входили в расчетную модель благодаря отнесению геометрии всех аминокислотных остатков полипептидной цепи БПТИ к нативным конформационным состояниям, являющимся конечным результатом воздействия суммарного эффекта всех внутриостаточных и межостаточных контактов. В силу использования процедур, основу которых составила экспериментальная информация о трехмерных структурах белков, результаты исследований [131] и [39] в принципе не могут претендовать на дифференцированное отражение внутримолекулярных невалентных взаимодействий атомов. Таким образом, вопрос о функциональном назначении внутриостаточных и межостаточных контактов в структурной самоорганизации белковой глобулы остался без ответа по существу, он не рассматривался. [c.503]

Смотреть страницы где упоминается термин Белки структура, предсказание: [c.254] [c.261] [c.254] [c.241] [c.117] [c.125] [c.168] [c.168] [c.176] [c.182] [c.186] [c.191] [c.193] [c.384] [c.245] [c.286] [c.326] [c.466] [c.483] [c.487] [c.488] [c.490] [c.502]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология