Тепловые флуктуации в белковых структурах

Таблица 6.2. Характерные амплитуды и времена тепловых флуктуация алементов структуры белка при Т =. 300 К

Основная биологическая функция молекулы ДНК состоит, как известно, в хранении и передаче генетической информации, записанной в виде определенной последовательности нуклеотидов в двойной спирали (рис. IX. 16). Поэтому связанное с этим основное требование к структуре ДНК — стабильность и сохранность генов — должно вполне определенным образом сочетаться с конкретными изменениями ее структуры, в частности в процессах взаимодействия с белками. Обычные тепловые флуктуации вызывают структурные изменения ДНК, не приводящие, однако, ни к разрыву водородных связей, ни к изменению межплоскостных расстояний между основаниями. В то же время спираль ДНК сохраняется при тепловых флуктуациях, а также и при более сильных внешних воздействиях. Для оценки потенциальных структурных возможностей ДНК большое значение имеют теоретические методы и модели. Они справедливы и когда необходимо оценить изменение структуры ДНК при ее участии в молекулярно-генетических процессах рекомбинации, репликации и транскрипции. Существует два ряда теоретических методов изучения структуры ДНК методы построения упрощенных физических моделей, основанные на экспериментальных данных и отражающие совокупность свойств целостной молекулы ДНК, и методы конформационного анализа и квантовой химии. [c.217]

Рассмотренные выше конформационные превращения в белках, установленные методом рентгеноструктурного анализа, относятся к области относительно крупномасштабных макромолекулярных сдвигов, которые отражают суммарный результат более мелких локальных конформационных изменении. Очевидно, в белковой молекуле существует ряд различных конформационных подсостояний, которые быстро возникают в результате короткоживущих возмущений и флуктуаций основной структуры и между которыми быстро устанавливается равновесие. Напомним, что энергия тепловых колебаний 2 к Дж/моль при 300 К сравнима по величине с высотами барьеров на конформационных энергетических картах биополимеров (см. гл. IX). Это является причиной флуктуаций с изменением взаимного расположения атомов, не связанных валентными связями в основной цепи. Так, флуктуации молекулярного объема у молекул с молекулярной массой до 14000 могут при 300 К составить 0,03-0,04 нм , а флуктуации поверхности — до 0,01 нм , т.е. [c.263]

Особенности нространственной организации нуклеиновых кислот. В отличие от белков структура ДНК более стабильна. Тепловые флуктуации не приводят к разрыву водородных связей и не меняют меж-плоскостные расстояния между основаниями. В моделях жесткость служит основным параметром. Двойная спираль ДНК обладает общей жесткостью по длине спирали и одновременно ограниченным числом вращательных степеней свободы вокруг единичных химических связей. Все конформации ДНК относятся либо кА-, либо к - формам. В случае В - форм ось спирали проходит через пары оснований вблизи их центра тяжести, а в - форме в центре остается отверстие около 4 Е, а основания оттеснены к периферии молекулы. Основная трудность полного описания энергетически разрешенных конформаций двойных спиралей состоит в чрезвычайно большом наборе всех структурных вариантов. [c.98]

Нативный белок при комнатной температуре обладает целым набором возможных конформаций. Большинство из них находится вблизи средней конформации, которая может быть получена из рентгеноструктурных данных. Однако в каждый данный момент положение ряда атомов значительно отличается от средних положений. Такие флуктуации относительно усредненной структуры, вызванные тепловыми движениями атомов, играют важную роль в функционировании белка. Возникает вопрос каков вклад движений отдельных атомов и особенно флуктуаций около их равновесных положений в конформационные переходы в белках [c.308]

Обсуждают и другую возможность использования конформационной энергии в акте катализа за счет тепловых флуктуаций в структуре белка. В этих моделях речь идет не о статических напряжениях, а о передаче энергии тепловых колебаний по определенным степеням свободы с концентрацией ее на атакуемой связи в субстрате. Эти взгляды созвучны представлениям Р. Ламри (1959) о белке-ферменте как о резервуаре избыточной тепловой энергии , в котором процессы, проходящие на поверхности белковой глобулы, служат источником свободной энергии, которая необходима для акта катализа. [c.424]

Теплоустойчивость белковых макромолекул и анизотропия теплопроводности. Анизотропия теплопроводности макромолекулы белка делает эту молекулу особо устойчивой к разрушающему влиянию тепловых флуктуаций — они отводятся по хребту главных валентностей и разряжаются на концевых группах, способных совершать высоко амплитудные конформационные движения, или же на дефектах структуры. Можно представить себе такой ход тепловой денатурации белка, при котором первоначальное медленное из-за анизотропной теплопроводности нару-щение нативной структуры, требующее преодоления очень высокого барьера, сменягтся быстрым легко осуществляемым ее нарушением. Такая пороговая зависимость тепловой денатурации от температуры и будет восприниматься в опыте как проявление очень больших величин предэкспоненциальных множителей и больших энергий активации в уравнении Аррениуса для скорости денатурации. [c.75]

Таким образом, можно утверждать, что специфика живой материи обусловлена белками, которые свои особые качества обретают в процессе самопроизвольного перехода полипептидной цепи от состояния флуктуирующего статистического клубка к нативной трехмерной структуре, в каждом случае уникальной по биологической функции Именно спонтанное образование фиксированной активной пространственной формы молекулы белка, а не сама форма, есть изначальная причина фундаментальных особенностей живой материи С чисто физической точки зрения этот уникальный акт творения живого заключается в спонтанной трансформации тепловой энергии необратимых флуктуаций в целенап равленную механическую работу создания высокоорганизованной системы Белки представляются почти единственными в природе (по меньшей мере самыми совершенными и распространенными) автоматическими молекулярными преобразователями энергии хаотического теплового дви- [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]