Конформационная энергетическая карта

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]

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]

Учитывая все эти соображения, мы можем продолжить обсуждение вопроса о том, насколько хорошо наблюдаемые конформации согласуются с энергетическими картами. Рассмотрим, например, остатки кристаллического лизоцима, которые расположены в неспиральных областях этой белковой молекулы. (Остатки, входящие в состав спиральных участков, принимают участие во взаимодействиях, которые мы не учитывали при расчетах конформационной энергии. ) [c.255]

Конформационный анализ каждой молекулы метиламида Ы-ацетил-а-аминокислоты начинался с построения при изменении углов ф и у конформационной карты, которая давала ориентировочное представление о поверхности потенциальной энергии молекулы и расположении областей самой низкой энергии. Последние выбирались в качестве нулевых приближений для поиска энергетических минимумов при вариации как двугранных углов ф, у, X, так и валентных углов пептидных групп и углов при атоме С . Затем, используя длины связей Полинга-Кори и найденные теоретические значения валентных углов, усредненные по оптимальным конформациям каждой молекулы, вновь строились конформационные карты ф-у. Рассмотрение полученных результатов начнем в обратном порядке, т.е. с уточненных конформационных карт [c.158]

Рис. 14. Конформационная карта поливинилиденфторида. Валентные углы в главной цепи приняты равными 114,6°. Энергетические контуры проведены с интервалами 1 ккал моль на мономерную единицу (две связи С—С)

Рис. 7. Конформационная карта аланинового дипептида. Показаны разрешенные (жирные линии) и частично разрешенные (пунктир) области, а также энергетические контуры, рассчитанные с атом — атом-по-тенциалами работы [31]

Рис. 11. Конформационные карты, построенные с потенциалами Скотта и Шерага а — для жестких валентных углов, б — для упругих валентных углов. Энергетические контуры проведены с интервалами 1 ккал/моль [18]

Подобные расчеты были проведены также для более сложных систем и, в частности, полипептидов. Па рис. IX. 10 приведена диаграмма конформационной энергии для поли-Ь-аланина с учетом внутримолекулярных водородных связей. Области минимумов (ф = 240°, ф = 240° и ф = 120°, ф = 120°) принадлежат левым и правым а-спиралям, причем энергетический минимум последней на 0,84 кДж/пептид более устойчив. В верхнем левом углу диаграммы расположена область складчатых параллельных (ф = 61°, ф = 239°) и антипараллельных (ф = 380°, ф = 325°) Р-структур, стабилизированных за счет межмолекулярных водородных связей. Карта конформационной энергии поли-Ь-аланина (рис. IX. 10) в обш их чертах сходна с таковыми для других полиаминокислот, где нет замеш ения по С -атому (поли-Ь-лейцин). [c.205]

Конформационное состояние остатка характеризуется определенными значениями двугранных углов вращения, задающих соответственно низкоэнергетические области на стерических картах. Па следующем этапе учитывают небольшое число низкоэнергетических состояний олигопептидов (трипептид п—1,п,п + 1) на основе известных конформационных состояний составляющих его фрагментов дипептида п — 1, п, п + 1. Расчеты показывают, что взаимодействия остатков в дипептиде приводят к заметной энергетической дифференциации оптимальных форм каждого из них. В то же время наиболее предпочтительные конформации трипептида представляют собой комбинации низкоэнергетических форм смежных дипептидов, что свидетельствует о согласованности три- и дипептидных взаимодействий. [c.210]

Таким образом, влияние воды на конформационную энергию пептидов существенно не изменяет мест локализации энергетических минимумов на конформационной карте. Однако при этом может сильно изменяться относительная стабильность отдельных минимумов конформационных участков, что создает, в свою очередь, предпосылки для характерных изменений конформации белка в различных функциональных процессах. [c.238]

Два полипептидных волокна 1 и 2 имеют точно одинаковую длину, толщину и ширину. Одно из них состоит в основном из длинных цепей полиаланина, другое — из длинных цепей полиглицина. Если эти волокна не растянуты, полипептиды находятся в состоянии беспорядочных клубков, вообще говоря соответствующих конформационным энергетическим картам отдельных остатков. Был обнаружен интересный факт волокно 1 можно обратимо растянуть до гораздо большей длины, чем волокно 2. На основании этого наблюдения и данных о предпочтительных конформациях остатков глицила и аланила определите, какое из волокон состоит из полиглициновых цепей, а какое — из полиаланиновых. Кратко, но точно обоснуйте сделанный выбор. [c.285]

Напомним, что все остатки, предшествующие пролину, имеют измененную конформационную энергетическую карту, за исключением глицина, на который следующий за ним пролин влияет не очень сильно. (Для случая остатка аланина, предшествующего пролину, см. рис. 5.11. ) В последовательности Ala-Pro область 1 стерически запрещена для остатка аланина, а именно она соответствует менее растянутой конформации, которая может быть принята при образовании изгиба. Следовательно, для образования изгиба, что необходимо при формировании циклического пептида, лучше, чтобы перед пролином находился не аланин, а глицин. Из-за отсутствия боковой пепи остаток гли- [c.319]

В гл. VIII, IX было показано, что конформационная энергия белка определяется совокупными атом-атомными взаимодействиями и может быть аппроксимирована потенциальными функциями типа (IX. 1.1). Получающиеся в результате учета этих взаимодействий энергетические карты дают усредненные координаты атомов в соответствии с условием минимума общего конформационного потенциала (см. рис. IX. 10). Таким путем, однако, невозможно непосредственно проследить за движениями и флуктуациями положения отдельных атомов. Другой подход основан на решении классических уравнений движения для отдельных атомов, в которых движущие силы определены из известных потенциальных функций атом-атомных взаимодействий. [c.308]

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]

Боковые цепи. Результаты предшествующего рассмотрения в определенной степени предопределяют и ответ на вопрос о соответствии конформационных состояний боковых цепей аминокислотных остатков в белках и свободных молекулах метиламидов N-ацетил-а-аминокислот. В самом деле, трудно представить наличие полного соответствия у основных цепей и отсутствие такового у боковых цепей. Тем не менее анализ конформационных состояний последних с точки зрения ближних взаимодействий не лишен целесообразности. Для удобства рассмотрения боковые цепи аминокислот можно разделить на гидрофобные (неполярные) и гидрофильные (полярные). Конформации гидрофобных боковых цепей определяются прежде всего ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, которые могут иметь как стабилизирующий, так и дестабилизирующий характер, В первом случае они называются дисперсионными, или лондоновскими, взаимодействиями. У монопептидов из-за небольшого числа атомов в молекулах энергия дисперсионных взаимодействий невелика, и поэтому их конформационные состояния определяются в основном мощными силами отталкивания. У полярных боковых цепей значительную роль могут играть также (но не исключительно ) электростатические взаимодействия и водородные связи. Среди боковых цепей гидрофобных остатков можно выделить цепи, имеющие разветвление при атоме СР (Val, Не) и не имеющие такого разветвления. К последним относится группа аминокислотных остатков Phe, Туг, Тгр, His с ароматическими боковыми цепями. Изложенные в предшествующем разделе результаты теоретического конформационного анализа метиламида N-aцeтил- -фeнилaлaнинa (см. табл. 11,14) свидетельствуют о том, что в этой молекуле пространственные формы основной и боковой цепей взаимосвязаны каждой форме основной цепи соответствуют определенные энергетически выгодные положения заместителя, На рис, 11.26 представлена конформационная карта ср-у фенил аланинового монопептида, разделенная пунктирными линиями на области, [c.186]

Конформационный анализ секретина выполнен по представленной на рис. III.30 схеме, в которой порядок расчета фрагментов указан стрелками. Напомним, что при наличии согласованности всех видов внутримолекулярных взаимодействий способ разбиения аминокислотной последовательности на отдельные фрагменты и порядок расчета не имеют принципиального значения и не влияют на конечный результат. Схема теоретического конформационного анализа диктуется техническими, иногда интуитивными соображениями, а чаще всего подсказывается самим ходом решения задачи. Поэтому лишь в конце расчета становится ясным окончательный вариант разбиения цепи на участки и последовательность их анализа. Исследование конформационных возможностей N-концевого гептапептидного фрагмента секретина His -Thr было начато с детального анализа пространственного строения его трипептидных участков His -Ser -Asp и Thr -Phe -Thr . Затем при всех возможных сочетаниях найденных низкоэнергетических состояний трипептидов рассчитывались потенциальные поверхности гептапептида путем построения семейства конформационных карт ф4-у4 срединного остатка Gly . Значения двугранных углов ф4, Уд низкоэнергетических областей каждой конформационной карты и геометрия соответствующей комбинации предпочтительных конформаций свободных трипептидов служили исходными для минимизации структурных вариантов His -Thr . Для первого трипептида было составлено 125 начальных приближений, а для второго - 82. Результаты минимизаций структурных вариантов при изменении двугранных углов основной цепи (ф, V /, (О) и боковых цепей (х) свидетельствуют о слабой энергетической [c.374]

Графически конформационные параметры полипептидной цепн удобно изображать с помощью карт, предложенных Г. Рамачаидра-ном в 1963 г. ( карты Рамачандрана ) и отражающих зависимость энергии остатка от параметров и (рис. 36). Значения углов (( и откладываются по осям координат от —180 до +180. В силу взаимодействия между заместителями в пептидной цепи углы и не могут принимать любые значения — для них разрешенными оказываются лишь некоторые дискретные области (выделенные на карте темным цветом), которые соответствуют энергетически выгодным конформациям пептидной цепи, т. е., по существу, являются областями минимума энергии. Их достаточно компактная локализация свидетельствует о том, что углы и I- взаимосвязаны, изменение одного из них влечет изменение второго. Например, если угол ip приобретает значение в интервале 60 — I20, то для угла энергетически выгодным оказывается значение, не превышающее — 60 ". [c.87]

Метилирование амидной группы, благодаря невалентным взаимодействиям, приводит к уменьшению энергетической разности между транс- я г с-конфигурациями, и существование последних было подтверждено работами [97, 981. Конформационная карта соединения I с цu -aшяJЩoя группой (рис. 17, [c.128]

Основные черты конформационных карт дипептидов, несомненно, должны сохраняться в полипептидах разница состоит только в том, что благодаря взаимодействию пептидных единиц, находящихся в соседних витках спирали, разрешенные области несколько уменьшаются, а энергетические контуры сужаются. На рис. 25 приведена конформационная карта цолк-1-аланина [19]. Сравнение ее с аналогичной картой аланинового дипептида (рис. 7) показывает, что границы допустимых областей — в особенности для форм R и L — резко> сузились более того, полностью разрешенная область R состоит теперь уже из двух частей, и только область В осталась практически неизменной (это легко понять, ибо в области В соседние пептидные единицы максимально удалены). Как и в случае дипептидов, закономерности, наблюдающиеся на конформационных картах полиаланина, являются общими для всех аминокислотных остатков, содержащих атом СР. [c.140]

Анализ траекторий с помощью карт свободной конформащюнной энергии молекул. В дополнение к анализу траекторий с помош ью корреляционных функций покажем также результаты изучения карт свободной конформационной энергии макромолекул (К. В. Шайтан). По виду этих карт можно судить о связи энергетических характеристик молекулы с подвижностью отдельных ее групп. Карты свободной энергии строятся следуюш им образом. Рассчитываются методом молекулярной динамики поверхности распределения вероятности реализации различных конформаций энергии и их сечения. В логарифмическом масштабе эти проекции являются фактически картами свободной энергии молекулы, выраженной в единицах кТ. Па рис. XI. 13-16 приведены карты уровней свободной энергии дипептидов для пар переменных, соответствуюш их рис. Х1.9-12. Видно, что для коррелируюш их степеней свободы наблюдается, как правило, протяженные узкие участки, вдоль которых происходит коллективная перестройка конформации дипептида. [c.317]

Па рис. XI. 19 показана карта конформационной энергии Mb. В центре находится энергетический минимум, соответствуюш ий гидрофорбному карману, на краю которого локализован атом железа. Наиболее короткий путь лиганда из кармана на периферию молекулы гема проходит между гис Е7 и вал Е11. [c.329]

На рис. 1.21 приведены проекции пространственной структуры одной из субъединиц в нативном димерном ассоциате, на рис. 1.22 - расстояния между атомами аминокислотных остатков той же структуры (так называемая карта Кунтца, дающая представление о сближенности остатков в конформации белковой молекулы). Из рис. 1.21 и 1.22 видно, что первые девять N-концевых и последние шесть С-конце-вых остатков последовательности не взаимодействуют друг с другом и с остальной частью молекулы из-за своей удаленности. Развернутые конформационные состояния этих фрагментов наиболее благоприятны для межмолекулярных взаимодействий, которые они осуществляют в структуре каталитически активного димера HIV-1 протеиназы (рис. 1.18 и 1.19). Выше отмечалось, что именно межмолекулярные контакты четырех концевых групп двух последовательностей вносят основной вклад в стабилизацию димера. В то же время развернутые формы участков 1—9 и 94—99 энергетически невыгодны для свободных молекул фермента, и их реализация в разбавленном растворе маловероятна. Следовательно, в процессе димеризации должен происходить конформационный переход от свернутых форм, выгодных для свободных молекул, к развернутым, предпочтительным для ассоциированных. Из рис. 1.21 и 1.22 столь же очевидно, что одновременно должно изменяться также конформационное состояние флепа 45—57, которое в комплексе определяется взаимодействиями с флепом второй молекулы и, возможно, с димером смежной элементарной ячейки. [c.91]

Влияние воды на конформационную энергию пептидов существенно не изменяет положения энергетических минимумов на конформационной карте. Вода может оказывать сильное влияние на стабильность отдельных конформационных участков и тем самым на внутримолекулярную подвижность белка. Известно, что при увеличении степени гидратации высушенных препаратов ферментов увеличение их активности происходит резко в узком диапазоне увеличения числа молекул воды (10 - 20) на одну молекулу белка. В этой области происходит расторма-живание определенных внутримолекулярных степеней свободы, нужных для обеспечения ферментативной активности. Можно рассматривать систему белок - вода как единую кооперативную систему, где изменения в состоянии как растворителя, так и белка носят взаимосвязанный характер. [c.96]

Пределы конформационной подвижности пептидов относительно невелики - они возможны в рамках энергетически разрешенных областей, показанных на картах Рамачандрана (см. разд.1.4.2). Конформационные изменения в активных цент- [c.285]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология