Конформационная статистическая целого

Имеется целый ряд методов вычислений бинарной функции распределения одномерной кооперативной системы, описываемой формулой (4.2). По-видимому, простейший из них состоит в представлении конформационной статистической суммы цепи в виде [c.146]

При действии на макромолекулы периодическими внешними полями различной частоты мы по-прежнему будем получать результат, определяемый положением стрелки действия, т. е. l/vA Понижая частоту, можно заставить включиться в регистрируемое движение отдельные статистические элементы и даже макромолекулы в целом повышая ее, можно включать все меньшие и меньшие участки цепи, пока наконец на уровне ближнего конформационного порядка и отдельных повторяющихся звеньев спектроскопические методы не начнут выдавать ту же информацию о структуре, что и в случае простых молекул. Продолжая повышать частоту, мы неминуемо упремся в квантовую область, но и здесь основные закономерности скорость воздействия — результат воздействия сохранятся. Одна и та же доза энергии, полученная при попадании в молекулу или атом одного высокочастотного кванта или нескольких низкочастотных квантов, естественно, произведет совершенно разные эффекты молекула может превратиться в свободный радикал, или ионизироваться, или просто возбудиться и высветиться и т. д. [c.53]

Важнейшая особенность белковой цепи, определяющая существование необратимых флуктуаций и, следовательно, возможность спонтанного возникновения высокоорганизованной структуры из хаоса, заключена в специфической конформационной неоднородности природной аминокислотной последовательности. Можно утверждать, что суть рассматриваемого явления состоит в наличии четкой взаимообусловленности между химическим строением, конформационными свойствами и необратимыми флуктуациями. Гетерогенность аминокислотной последовательности ответственна за различие в конформационных возможностях ее отдельных участков, что, в свою очередь порождает термодинамическую неоднородность флуктуаций, дифференциацию их на обратимые равновесные и необратимые неравновесные. Сочетание последних и порядок их следования определяют содержание и направленность механизма быстрой и безошибочной самосборки белковой цепи. Отмеченная связь присуща только эволюционно отобранным аминокислотным последовательностям. В случае же гомогенных, регулярных или даже гетерогенных синтетических полипептидов со случайным порядком аминокислот тот же беспорядочный по своему характеру процесс не имеет развития и не выводит цепь из состояния статистического клубка. Сказанного, однако, недостаточно для объяснения высокой скорости сборки трехмерной структуры белка при его биосинтезе или ренатурации. Чтобы беспорядочно-поисковый механизм мог действительно привести к свертыванию цепи, селекция бифуркационных флуктуаций не должна представлять собой перебор возможных комбинаций всех случайных изменений целой полипептидной цепи, количество которых невероятно велико, и сборка структуры даже такого низкомолекулярного белка, как БПТИ, должна была бы продолжаться не менее 10 ° лет. [c.474]

Неоднократно предпринимались попытки, опираясь на физические параметры растворенных веществ и растворителей, рассчитать относительные энергии конформеров в растворе с тем, чтобы разработать теоретические методы или математические модели, способные предсказывать влияние растворителей на конформационное равновесие [83, 88, 182, 188, 190, 192, 196— 198]. Для этой цели использовали квантовохимические расчеты (см. например, работу [198]), методы статистической механики и молекулярной динамики (см., например, работу [182]), методы прямого расчета диполь-дипольных взаимодействий (см., например, работу [83]), а также методы реакционного поля, базирующиеся на теории Онзагера [199] о поведении биполярных молекул в конденсированной фазе (см., например, работы [83, 88, 188, 190, 194, 197]). В общем случае эти методы позволяют количественно описать влияние растворителей на конформационное равновесие в отсутствие специфического взаимодействия растворителя с растворенным веществом. [c.173]

Различные необходимые усовершенствования процедуры моделирования приводят к тому, что получающаяся усредненная структура становится более разупорядоченной. Тем самым улучшается согласие с результатами кристаллографического исследования. Чтобы компенсировать возможный недостаток статистических данных, требуется увеличить продолжительность моделирования и параллельных расчетов (с различной корреляцией начальных условий при использовании генератора случайного набора чисел). Окончательный расчет должен удовлетворять требованию обеспечения конформационной свободы молекулы белка в целом. [c.218]

Синтетические полипептиды и белки относятся к полимерам, жесткость молекулярных конформаций которых создается за счет образования вторичных структур 7]. Известно, что в целом ряде растворителей (диоксан, метиленхлорид, хлороформ, л-крезол) молекулы ПБГ существуют в виде а-спиралей, стабилизированных внутримолекулярными водородными связями [8—10]. В других растворителях (например, трифторуксусная и ди-хлоруксусная кислоты, гидразин) молекулы ПБГ (в разбавленных растворах) находятся в конформации статистического клубка [11—12]. Но даже в одном и том же растворителе, изменяя концентрацию или температуру, можно наблюдать образование или разрушение упорядоченных конформаций, т. е. конформационные переходы [8, 13]. [c.118]

В данной главе были рассмотрены особенности конформационного строения гребнеобразных ЖК полимеров, обусловленные конкуренцией между энтропией полимера и мезоген-ным порядком как нематического, так и смектического типов. Основная цепь гребнеобразного нематического полимера, обладающего хоть какой-либо гибкостью, стремится принять форму статистического клубка. Эта тенденция находится в противоречии с ориентационным порядком, возникающим в системе жестких нематических элементов, входящих в саму основную цепь или в присоединенные к ней боковые группы. Это противоречие существует уже в червеобразных нематиках, однако у гребнеобразных полимеров имеется дополнительная особенность. Гибкие развязки соединяют боковые группы с основной цепью таким образом, что эти группы могут оспаривать право на преобладающую роль в нематическом упорядочении. Это создает условия для образования как минимум трех различных нематических фаз, которые затем конкурируют друг с другом и с изотропной фазой, в результате чего возникают сложные фазовые диаграммы. Мы рассмотрели некоторые из них с целью прояснения на отдельных примерах возникающую в системе конкуренцию. Ограничение на выход из плоскости основной цепи в случае смектических гребнеобразных полимеров также приводит к уменьшению энтропии цепи и вызывает ее сопротивление накладываемым ограничениям. Частичное восстановление энтропии цепи обсуждается в разделе, посвященном смектическим гребнеобразным полимерам. Наконец, соображения об изменении энтропии, формы цепи и нематического порядка используются для описания твердых тел (нематических эластомеров). Рассмотрена феноменологическая и [c.51]

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]

В представленном в этом разделе кратком описании расчетных методов нашли отражение основные тенденции развития конформационного анализа пептидов и белков в последнее время. Несмотря на многочисленность и видимое разнообразие новых теоретических разработок, их сближает ряд общих черт принципиального характера, причем тех же самых, что были присущи предшествующим теоретико-методологическим исследованиям. Отмечу лишь три таких особенности. Во-первых, практически все предложенные методы расчета исходят из предположения, что нативная трехмерная структура белка имеет самую низкую внутреннюю энергию. Поэтому конечная цель каждого метода состоит в установлении глобальной конформации молекулы по известной аминокислотной последовательности. Такое предположение, сформулированное более 40 лет назад, до сих пор не встретило каких-либо противоречий со стороны экспериментальных фактов и, следовательно, может считаться оправданным. Во-вторых, в последние годы, как и ранее, во всех случаях предпринимались попытки подойти к расчету глобальной конформации белка путем усовершенствования предсказательных алгоритмов, процедур минимизации и вычислительной техники. Надежды на решение структурной проблемы по-прежнему связываются не с более глубоким проникновением в молекулярную физику белка и разработкой соответствующих теорий, а главным образом с достижением в области методологии теоретического конформационного анализа и развитием компьютерной аппаратуры. Между тем такой подход в принципе не может привести к априорному расчету глобальной конформации белка. В разделе 2.1 уже указывалось, что перебор со скоростью вращательной флуктуации (10 с) всех мыслимых конформационных состояний даже у низкомолекулярной белковой цепи (< 100 остатков) занял бы не менее 10 лет. Следовательно, при беспорядочно-поисковом механизме сборка белка как в условиях in vivo в процессе рибосомного синтеза, так и в условиях in vitro в процессе ренатурации не может осуществляться через селекцию конформации всех локальных минимумов потенциальной поверхности. Реальные же возможности самых совершенных современных методов расчета ограничены независимым анализом тетра- и пентапептидов, рассчитанных четверть века назад. Ни один из существующих теоретических методов не в состоянии проводить конформационный анализ сложных олигопептидов, а тем более белков, без привлечения дополнительной информации - результатов прямого эксперимента, касающегося исследуемого объекта, или статистической обработки имеющихся структурных данных. В-третьих для всех предложенных методов расчета характерно отсутствие классификации пептидных структур, оправданной с физической точки зрения и [c.246]

Научный уровень отдельного исследования, как и целых областей естественнонаучных знаний, имеющих дело с множеством объектов или явлений, единичный анализ каждого из которых практически невозможен, определяется состоянием классификации изучаемых объектов или явлений, и не просто классификации, а естественной классификации, т.е. выполненной по совокупности самых существенных, внутренних признаков. К такому типу исследований, безусловно, принадлежит конформационный анализ пептидов и белков. Характерной особенностью всех рассматриваемых работ (см. табл. Ш.ЗЗ) является отсутствие какой-либо классификации конформационных состояний молекул этого класса, не говоря уже о такой, которая была бы обоснована с физической точки зрения и охватывала бы все возможные структурные варианты, систематизированные в соответствии с субординационными взаимоотношениями по таксономическим категориям. Отсутствие структурной классификации может служить объективным признаком принадлежности изучаемых соединений к чисто случайным образованиям (статистическому клубку) или непонимания самых существенных свойств их пространственной организации. Поскольку первое исключено, то справедливо альтернативное предположение. В этом причина того, что выполненные расчеты не гарантированы ни от случайных пропусков, ни от неправильных оценок получаемых результатов. Без структурной классификации, четко сформулированных принципов общей теории и физической модели (также отсутствующих в обсуждаемых работах) невозможен объективный выбор конформационных состояний. Все оценки оптимальных конформаций в расчетах Галактионова, Шераги, Де-Коэна и их сотрудников вьшолнены на основе относительных величин общей энергии, без количественного анализа вкладов от отдельных внутри- и межостаточных взаимодействий в структурных вариантах всевозможных форм различных типов. [c.401]

В последующей работе Н. Гё и Г. Абе [60] детально рассмотрели статистико-механическую модель локальных структур, идея которой уже прослеживалась в изложенных только что исследованиях Н. Гё и Г. Такетоми [57-59]. Под локальной структурой понимается конформация участка полипептидной цепи, которая образуется на определенной стадии процесса свертывания и которая без существенных изменений входит в нативную конформацию белка. В отличие от общепринятого представления о том, что сборка полипептидной цепи начинается с образования вторичных структур, и составляющего основное содержание процесса, а также инициирующего его последующее развитие, Гё и Абе априори не отдают предпочтения ни одной локальной структуре, регулярной или нерегулярной. Наличие а-спиралей, Р-складчатых листов, изгибов и прочих образований оценивается их статистическими вкладами и статистико-механическим поведением всей белковой молекулы посредством парциальной функции. В этой функции не учтен вклад стабилизирующих контактов между локальными структурами на отдельных участках цепи. Отсюда и название анализируемого представления о процессе белкового свертывания как модели невзаимодействующих локальных структур По существу, она аналогична бусиничной модели без подвесок Кунтца и соавт. [32], только в данном случае Гё и Абе представляют белковую цепь не в виде отдельных аминокислотных остатков, аппроксимированных жесткими сферами, а в виде целых конформационно жестких образований, каждое из которых включает непрерывный участок аминокислотной последовательности. Предположение об отсутствии взаимодействий между ними позволяет рассчитать парциальную функцию модели. Но даже в этом случае непременными условиями являются знание нативной конформации, которая обязательно должна быть однодоменной, и предположение [c.492]

Конформация гибкой полиэлектролитной цепи определяется условием минимума для суммы конформационной и электрической свободной энергий. Естественно, что наличие одноименных зарядов в цепи означает их взаимное отталкивание, которое приводит к развертыванию клубка, к увеличению его размеров. Электростатическая свободная энергия клубка вычисляется с учетом ионной атмосферы. Флори построил теорию размеров цепей полиэлектролитов, сходную с предложенной им же теорией объемных эффектов (с. 77). Предполагается, что клубок вместе с иммобилизованным им растворителем в целом электрически нейтрален. Расчет показывает, что электростатические взаимодействия не могут превратить клубок в вытянутую цепь — происходит лишь раздувание клубка. Это согласуется с экспериментальными дап-выми—с зависимостью характеристической вязкости [г ] от м. м. В более строгой статистической теории заряженных макромолекул учитывается, что из-за экранирования противоиоиами заря женные группы макромолекулы, расположенные далеко друг от друга по цепи, взаимодействуют лишь при случайном их сближении в результате флуктуаций. Из этой теории следует, что конформационные свойства заряженных макромолекул занимают [c.84]

При описании равновесных и динамических свойств полимерных цепей оказывается удобным, а в ряде случаев и необходимым, неполное, крупнозернистое описание ее конформационных свойств и динамического поведения. При таком описании цепочку в целом или достаточно больщие ее части (субцепи) принимают за макроскопические системы. Соответственно, макросостояние этой системы задается надлежащими макроскопическими параметрами (например, векторами длины я, ди-польного момента М, оптической анизотропной цепи). Эти макроскопические параметры можно трактовать как динамические переменные, флуктуирующие за счет броуновского движения, можно изучать их статистические распределения и изменение во времени. Такое описание, конечно, является неполным, усредненным по всем состояниям более мелкомаснггабных динамических переменных (например, углов внутреннего вращения), совместимых с заданным значением крупномасштабной макроскопической переменной. [c.17]

Впервые вопрос о количественном вкладе различных сил, определяющих конформацию, в полную энергию полинуклеотида был поставлен в работе Де Во и Тиноко 130]. Невалентные взаимодействия оценивались весьма сложным и спорным образом, но полученные значения по порядку величины сопоставимы с результатами более поздних работ. Вычисление электростатической энергии проводилось в диполь-дипольном приближении, причем точечными диполями служили целые осногания. Величина изменения энтропии растворения (А5 = +28 э. е. на моль) была взята авторами из работы Козмана [31], изучавшего растворение бензола в воде. Изл1енение конфигурационной энтропии рассчитывалось по формуле А = Я lnZ, где 7 — статистическая сумма, и составляет по разным подсчетам —4,6 или —13,1 э. е., в зависимости от числа устойчивых конформационных состояний при вращении вокруг одинарных связей в полинуклеотиде. [c.412]

В серии работ П. Льюиса и Г. Шераги [74, 75] рассмотрен механизм свертывания полипептидных цепей в белках при учете только ближних взаимодействий. Предполагалось, что в процессе ренатурации или сразу же после биосинтеза самосборка белковой цепи в нативную конформацию начинается с образования а-спиралей, которые в дальнейшем и определяют направление свертывания окончательной структуры. Следовательно, в этих работах постулировалось, что регулярные конформации являются самыми стабильными формами в гетерогенной последовательности, составляют жесткую основу глобулы и играют ключевую роль в процессе самосборки белковой цепи. Сближенность спиралей и образование контактов между ними осуществляются так называемыми -изгибами. С. Венкатачалам ранее показал, что поворот цепи на 180° может происходить на участке из четырех остатков с определенными комбинациями форм их основных цепей [76]. Позднее Е.М. Поповым и сотрудниками была получена энергетическая оценка всех возможных конформационных состояний двух центральных остатков тетрапептида, обеспечивающих такой поворот цепи [77], П. Льюис и Г. Шерага рассмотрели аминокислотный состав тетрапептидов в трех белках известной структуры и отметили повышенную тенденцию находиться в -изгибах у остатков Ser, Thr, Asn, Asp, Glu, Pro, Trp и Tyr [74]. Поворотные сегменты являются менее гидрофобными, чем белок в целом. Вначале авторы полагали, что в образовании изгибов, как и в случае регулярных структур, важное значение имеют лишь ближние взаимодействия. Это послужило основой определения вероятности локализации каждого остатка в одном из четырех мест -изгиба независимо от соседей. Вероятность появления изгиба определялась как произведение индивидуальных вероятностей четырех остатков, найденных с помощью статистического анализа. В дальнейшем при рассмотрении аминокислотного состава 135 -изгибов в структурах восьми белков к остаткам, имеющим наибольшую склонность образовывать повороты цепи, Льюис и Шерага отнесли Ser, Thr, Asp и Asn [78]. На основе расчета трех тетрапептидов в различных конформационных состояниях, имеющих изгибы, они пришли к заключению, что в местах поворота цепи остатки не ведут себя независимо. Их конформации взаимообусловлены и, кроме того, подвержены влиянию [c.249]

Мы часто в последнее время произносим словосочетание .молекулярная машина , не осознавая его экстравагантности. Нормальная машина — устройство, в котором тепловое движение составляющих ее атомов (деталей) не играет никакой роли. Машина обычно вполне макроскопична. Молекулярная машина существует в оглушительном тепловом шуме, целесообразные движения ее деталей происходят среди теплового беспорядка и являются статистическим итогом разнонаправленного броуни-рования [136—138]. Почему же мы говорим о макромолекуле белка как о машине Потому, что в силу структурных ограничений большая часть взаимных перемещений кусков макромолекулы друг относительно друга невозможна и сама она совершает броуновское движение как целое. Лишь в некоторых функционально значимых направлениях тепловые флуктуации приводят к изменениям конформации, изменениям взаимного расположения частей макромолекулы. В макромолекуле фермента, не соединенной с субстратом, эти движения равновероятны в двух направлениях — туда и обратно (они представляют собой флуктуационные конформационные колебания), тогда как в макромолекуле, связанной с превращаемым субстратом, движения туда и обратно неравноценны. Например, при движении какой-либо функциональной группы полипептидной цепи туда осуществляется реакция, сопровождающаяся необратимым изменением субстрата (его свободная энергия уменьшается и выделяется тепло), а при движении обратно реакция не идет (без сопряженного подвода энергии). [c.68]

При статистическом анализе цепи основной целью является вычисление внутрицепочеч-ных расстояний, т.е. средних расстояний между сегментами цепи, например между ее концами. Для этого необходимо провести усреднение рассматриваемого расстояния по всем конформациям в соответствии с принципами статистической механики. С помощью конформационной статистики полипептидов мы можем глубже проникнуть в сущность процесса сворачивания белковых молекул. В частности, статистика гомополимеров и сополимеров глицина, аланина и пролина дает ключ к пониманию роли этих остатков в формировании конформации белка. [c.123]

Можно вычислить и другие параметры цепей, зависящие от их конформации. Для этой цели оказываются весьма полезными понятия статистического сегмента и персистентной длины, позволяющие глубже понять конформационные особенности различных гомопо-лицептидов. Например, сравнительно большой размер статистического сегмента или персистентной длины указывает на жесткость цепи. [c.156]