Энкефалины конформационный анализ

Рис. Ш.23. Схема конформационного анализа молекул Ме1-энкефалина, а-, у-, 5- и Р-эндорфинов

Рис. 111.23. Схема конформационно о анализа молекул Ме1-энкефалина, а-, 7-, 5- и р-эндорфинов

Молекулы энкефалина являлись объектами многочисленных теоретических конформационных исследований. Впервые расчет структуры Met-энкефалина был проведен в 1977 г. Дж. Де-Коэном и соавт. (167, 180]. На основе анализа 400 структурных вариантов молекулы, сформированных путем комбинации конформационных состояний свободных остатков, отвечающих минимумам на соответствующих картах ф-у, выделены 15 конформаций с относительной энергией 0-3,0 ккал/моль. Они имеют как свернутые, так и полностью развернутые формы основной цепи, причем вторые являются более предпочтительными. В наборе низкоэнергетических конформаций на предпоследнем месте оказалась структура с i-изгибом, предложенная ранее на основе данных ЯМР [149, 153]. Ввиду крайне упрощенной методики расчета, исключающей реальную оценку межостаточных взаимодействий прежде всего боковых цепей и их пространственной ориентации, выводы работ [52, 167] трудно считать достаточно обоснованными. Использованный неконтролируемый подход к выбору исходных конформационных состояний остатков и отсутствие минимизации энергии по углам внутреннего вращения не гарантируют от пропуска действительно низкоэнергетических структур Met-энкефалина и ошибочного конформационного распределения по величинам энергии. [c.346]

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]

Последовательности Met- и Ьеи-энкефалинов (см. рис. III. 23) содержат по три аминокислотных остатка с мощными и достаточно лабильными боковыми цепями, число атомов в которых превышает основную цепь, в связи с чем стабилизирующие взаимодействия боковых цепей между собой и с элементами основной цепи должны играть доминирующую роль в структурной организации обоих пентапептидов. Имея в виду это обстоятельство, большое внимание в конформационном анализе энкефалинов было уделено путем варьирования всех возможных конформационных состояний остатков поиску таких стерических ситуаций, которые обеспечивали бы сближенность боковых цепей Туг, Phe , Met (Leu ) и их эффективные взаимодействия в пределах дозволенных низкоэнергетических форм основной цепи. Поскольку последовательности обеих молекул отличаются только С-концевыми остатками, рассмотрим лишь результаты анализа Met-энкефалина. Сопоставляемые с ними данные о пространственном Ьеи-энкефалина получены аналогичным образом и независимо. [c.340]

Результаты конформационного анализа Leu-энкефалина очень близки расчетным данным Met-энкефалина. Об этом свидетельствуют данные табл. Ш.21, в которой сопоставлены энергетические характеристики лучших структур двух молекул. При замене остатка Met на Leu наблюдается незначительное повышение энергии конформаций типа ffff vi понижение энергии конформаций effe, что должно привести к небольшому различию в положении конформационного равновесия пентапептидов в полярных средах. Результаты конформационного анализа синтетических аналогов энкефалинов рассмотрены в гл. 17. [c.342]

Упрощенный подход к конформационному анализу Met-энкефалина характерен также для работы Ю. Балодиса и соавт. [186]. В ней рассмотрены структурные варианты лишь 21 формы основной цепи молекулы, что составляет менее четверти вероятных и, следовательно, подлежащих анализу форм пентапептида. Кроме того, каждая из рассмотренных форм представлена ограниченным набором конформационных состояний. В результате вне анализа оказались все варианты с формой основной цепи BBHRB, которую имеет, согласно расчету Изогаи и соавт. [181] и нашим данным (табл. III.21), глобальная конформация Met-энкефалина не учтены и многие другие низкоэнергетические состояния. [c.348]

Перед тем, как ответить на поставленные вопросы и оценить в какой мере оправдан оптимизм Ли и Шераги в отношении перспективности предложенного ими метода, обратимся к результатам конформационного анализа МеС-энкефалина. Как полагают авторы, общее количество локальных минимумов на потенциальной поверхности пентапептида и, следовательно, число потенциально равновероятных структурных вариантов молекулы, составленных только из низкоэнергетических конформационных состояний свободных аминокислотных остатков, равно 10 Из них было проанализировано 17-10" структурных вариантов, т.е. 0,0002% от общего количества, на что затрачено -100 ч машинного времени, т.е. -4 суток. Непрерывный расчет всех минимумов занял бы -210 суток или -5,5 10 лет. Из столь простых выкладок, основанных на приведенных в работе данных, нельзя не прийти к следующим заключениям. Во-первых, трудно признать оправданным отнесение к глобальной одной из конформаций, полученной при рассмотрении крайне малой части исходных приближений (0,0002%) и фактическом игонорировании результатов 5 из 17 проведенных серий итераций с изменением при каждой итерации только одной переменной. Таким образом, исследование пространственного строения МеС-энкефалина не выявило энергетически самой выгодной структуры молекулы и не привело к достижению поставленной авторами конкретной цели. В этом, однако, нет большой беды. Знание у лабильного пентапептида лишь единственной структуры, пусть даже обладающей наименьшей энергией, вряд ли может представить значительньп интерес. Несравненно большую ценность как в чисто научном, так и прикладном отношении имела бы количественная информация о всем наборе низкоэнергетических конформаций гормона. Во-вторых, метод Монте Карло-минимизации не может быть использован в конформационном анализе даже коротких олигопептидов, по крайней мере, по двум причинам из-за множества исходных для минимизации приближений (у Мес-энкефалина их Ю") и неудовлетворительности самой процедуры оптимизации (вариация одной переменной при фиксированных значениях остальных). [c.350]

Каковы же ближайшие перспективы Можно ли, продолжая изучение Met- и Ьеи-энкефалинов и других пептидных гормонов в том же плане, получить со временем полную и объективную количественную информацию об их структурной организации и зависимости между структурой и функцией Чтобы ответить на этот вопрос, предположим, что такой информацией мы уже располагаем, и попытаемся представить, что она могла бы дать для понимания структурно-функциональной организации энкефалинов и описания механизмов их многочисленных функций. Как можно было бы логически связать данные, например, о 10 низкоэнергетических конформациях каждого нейропептида с приблизительно таким же количеством его функций Очевидно, установить прямую связь при неизвестных пространственных структурах рецепторов не представляется возможным. Число возможных комбинаций, особенно если учесть существование нескольких рецепторов (ц, а,5) для осуществления только одной опиатной функции энкефалина, слишком велико, чтобы надеяться даже в гипотетическом идеальном случае найти искомые соотношения интуитивным путем. Многие полагают, что к достижению цели ведет косвенный путь, заключающийся в привлечении синтетических аналогов, изучении их структуры и биологической активности. В принципе подобный подход вот уже не одно столетие применяется в поиске фармацевтических препаратов. Однако такой путь в его сегодняшнем состоянии не только длителен, сложен и дорогостоящ, но, главное, он не может привести к окончательному решению проблемы. Замена аминокислот в природной последовательности, укорочение цепи или добавление новых остатков, иными словами, любая модификация химического строения природного пептида, неизбежно сопровождается изменением конформационных возможностей молекулы и одновременно затрагивает склонные к специфическому взаимодействию с рецептором остатки, что сказывается на характере внутри- и межмолекулярных взаимодействий, в том числе на устойчивости аналогов к действию протеиназ. Для учета последствий химической модификации на характер внутримолекулярных взаимодействий можно использовать теоретический конформационный анализ и методы кванто- [c.352]

Более прецизионный конформационный анализ энкефалина осуществлен С.Г. Галактионовым и соавт. [48]. Начальные значения углов внутреннего вращения ф, у основной цепи были взяты из расчета соответствующих монопептидов. Предварительная оценка подвижности основной цепи проводилась путем анализа модельного тетрапептида Ala-GIy-Gly-Ala положения боковых цепей Туг и Phe находились из расчета трипептидных фрагментов Tyr -Gly , Gly -Phe и Gly--Met . После минимизации энергии по всем двугранным углам ф, у и х получено около 20 структурных вариантов с величинами С/общ < 7,0 ккал/моль. Было показано, что глобальная конформация В111НВВ21В322 имеет основную цепь шейпа jfee с поворотом на участке Gly -Gly и сближенными N- и С-концевыми остатками. Многие низкоэнергетические конформационные состояния обладали формой пептидной цепи свернутого типа с эффективно взаимодействующими ионогенными группами Туг и Met . Ф. Момани [182] в расчете Ме1-энкефалина отмечает высокую чувствительность конформационной энергии к величинам зарядов концевых групп. Однако полученные им результаты не согласуются с данными других авторов. Так, лучшая из рассчитанных Момани для свободной молекулы гормона структура не входила в наборы предпочтительных конформаций, найденных Де-Коэном и соавт. [167, 180] и Галактионовым и соавт. [48]. Структура с B-H-R-B-B-формой основной цепи, предложенная Шерагой и соавт. [181], попадала в число низкоэнергетических конформационных вариантов, полученных другими авторами, проигрывая глобальным конформациям 1,0 ккал/моль [167, 180] и 5,8 ккал/моль [48]. [c.393]

Олигопептиды, пространственное строение которых было изучено теоретически другими авторами, перечислены в табл. Ш.ЗЗ. Такие исследования проводились, в основном, тремя группами исследователей С.Г. Галактионовым и сотрудниками, Г. Шерагой и сотрудниками, Дж Де-, Коэном и сотрудниками. Большая часть изученных соединений (1-15) - это пептиды, содержащие не более десяти аминокислотных остатков. Пространственное строение ряда молекул (пептиды 2, 3, 5, 8, 9, 10) было рассчитано сотрудниками сразу двух или трех групп строение некоторых молекул пептидов (8, 9, 10, 13, 14, 17) исследовалось одновременно в группах Галактионова и автора данной монографии. Следовательно, появилась возможность для сопоставления результатов расчета, если не с экспериментом, то хотя бы друг с другом. Сравнение данных конформационного анализа, полученных для ангиотензина II, окситоцина, вазопрессина, энкефалинов и а-меланотропина, уже было сделано (см. гл. 9-12). [c.389]

Подход к идентификации глобального минимума, названного авторами [188] методом Монте Карло-минимизации, состоит из следующих трех этапов а) процедуры Монте Карло, заключающейся в беспорядочном выборе начальной конформации из огромного количества потенциально равновероятных, б) оптимизации этой конформации при произвольном изменении от -180 до 180°С случайно отобранного двугранного угла вращения (ф, V f, (О или у) и в) сопоставлении энергии проминимизированной конформации с результатами предшествующего расчета данной серии. Далее соверпгается переход к следующей итерации с повторной минимизацией той же начальной конформации, но при флуктуации в аналогичных пределах новой переменной, также случайно выбранной. В расчете Met-энкефалина серия заканчивалась после 10000 итераций, занимавших от 4 до 10 ч машинного времени IBM-3090. Всего было проведено 17 беспорядочно-поисковых процедур, стартовавших с разных конформационных состояний. В каждом случае выбор самой низкоэнергетической структуры производился после сопоставления результатов анализа 10000 локальных минимумов. Из 17 генераций в 12 предпочтительной по энергии оказывалась одна и та же конформация, которая и была признана глобальной для Met-энкефалина. В пяти генерациях, т.е. в -30% рассмотренных вариантов, лучшими оказались другие конформации, энергия которых, по крайней мере, на 2 ккал/моль превышала энергию глобальной формы. [c.349]

Проблема белка (1997) -- [ c.340 , c.341 , c.342 , c.343 , c.344 , c.345 , c.346 , c.347 , c.348 , c.349 , c.350 , c.351 , c.352 ]

Проблема белка Т.3 (1997) -- [ c.340 , c.341 , c.342 , c.343 , c.344 , c.345 , c.346 , c.347 , c.348 , c.349 , c.350 , c.351 , c.352 ]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология