БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.6, с. 1137-1143
= ПИСЬМА РЕДАКТОР У ==
О ВЗАИМНОМ РАСПОЛОЖЕНИИ КОР ОТКИХ КОНФОРМАЦИОННО СТАБИЛЬНЫХ ОЛИГОПЕПТИДОВ В СТРУКТУРЕ ГЛОБУЛЯРНЫХ БЕЛКОВ
© 2009 г. А.В. Батяновский, Н.Г. Есипова*, С.Э. Шноль**
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Воробьевы горы, 1;
*Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН,
119991, Москва, ул. Вавилова, 32;
**Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской области, ул. Институтская, 3 Поступило в р едакцию 18.05.09 г.
Рассмотрено расположение конформационно стабильных тетрапептидов и сегментов, их содержащих, в полипептидных цепях белков р азных структурно-функциональных групп. Показано, что взаимное расположение таких олигопептидов можно считать случайным. Установлено, что более 60% конформационно-стабильных пептидов в пространстве глобулы находятся на расстояниях, не превышающих 5 А.
Ключевые слова: сворачивание белков, олигопептиды, метод Монте-Карло, конформационная стабильность.
Загадка сворачивания глобулярных белков существует уже давно [1]. Многие его особенности до сих пор остаются неясными. Конечной стадией этого процесса для многих известных белков является достижение достаточно строго определенной структурной организации - глобулы с высокой плотностью укладки полипептидной цепи. Считается, что свор ачивание белков может быть определено термодинамически, и конечная структура тогда является энергетическим минимумом [1,2]. Время достижения конечного состояния в случае однодоменных белков небольшого размера порядка секунды и меньше, эти значения кажутся весьма малыми (парадокс Левинталя [3]). Более того, установлено для ряда однодоменных глобулярных белков, что переход из денатурированного состояния в нативное и обратно имеет сходные черты с фазовым переходом первого рода и осуществляется по принципу все или ничего [1,2]. Автором, разр ешившим «парадокс Левинталя», явился А.В. Финкельштейн [1,4]. В случае большого числа белков при денатурации наблюдается стабильное состояние, отличное от натив-ного неупорядоченностью боковых групп аминокислотных остатков, но сохр аняющее значительную часть вторичной структуры и про -странственного хода белковой цепи нативного состояния - расплавленная глобула [5,6]. Рена-тур ация из полностью денатурированного со -стояния у таких белков проходит через подоб-
ное состояние, что, кстати, отражается на кинетике их сворачивания [5-8].
В последнее время изучен новый класс белков, так называемых «нативно неупорядоченных белков». Плотная глобула в них может возникать после взаимодействия с лигандами или образования комплексов с другими биополимер ами [9,10].
Значительное влияние на скорости поиска оптимальных для функционир ования структур биополимеров мог бы оказать доменный принцип построения последовательностей химических символов в них [11].
Считается, что в целом стр уктура коротких олигопептидов определяется множеством внешних факторов [12], с другой стороны, некоторые фрагменты белковых глобул в определенных условиях могут проявлять склонность к конкретной про стр анственной структуре, о чем, кроме представленных в работе [13] данных, свидетельствует большое количество наблюдений и компьютерных симуляций.
В работе [13] удалось выявить следующие характеристики коротких тетрапептидов, про -являющих предпочтения к определенным кон-формационным состояниям: доля таких тетрапептидов во всем списке комбинаторно возможных тетр апептидов составляет чуть менее 1%; доля общей длины фрагментов, составленных из стабильных олигопептидов, от общей аминокислотной длины всей выборки, из ко-
торой стабильные олигопептиды получены, -0,04; предпочтительная конформация обнаруженных в работе стабильных последовательностей - а-спираль; аминокислотные последовательности структурно устойчивых пептидов достаточно разнообразны.
При анализе распределения олигопептидов, составленных из таких тетрапептидов в структур е белковой глобулы, наблюдалась тенденция к образованию пар, троек, узлов, а в особых случаях - сетей близко р асположенных в про -странстве фрагментов таких стабильных оли-гопептидов [13]. Для детализации данного наблюдения мы применили в данной работе метод многократных генераций случайных положений фр агментов в пространственной структур е белковой глобулы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
И сследовали две выбор ки:
а) РББ-структуры белковых фрагментов, классифицир ованные в СаШ [14] как а-спираль-ные;
б) РББ-структуры, из списка РББ8е1ес1 [15] (25%), полученные методом рентгеноструктурного анализа с разрешением не хуже 1,5 А
При определении конформационно-стабиль-ных фрагментов белковой глобулы использовали список стабильных тетрапептидов, полученный в предыдущей работе [13]. Поскольку в белковых глобулах часто стабильные тетра-пептиды накладывались или находились очень близко по последовательности, мы перешли к стабильным фрагментам с переменной длиной, составленным из этих тетрапептидов. Для од-нодоменных белков оценивалась взаимная близость между всеми выделенными таким образом фрагментами, для многодоменных - только между олигопептидами, находящимися в одном и том же домене. Весь процесс оценки расстояний можно представить в виде следующих поэтапных операций:
а) в каждом домене каждого белка из тестируемой выборки проводился поиск тетрапеп-тидов с аминокислотными последовательностями, входящими в список стабильных тетрапеп-тидов;
б) если между выделенными тетрапептидами по последовательности находилось менее пяти аминокислот - они считались единым фрагментом, с длиной, равной числу аминокислот, вхо -дящих хотя бы в один конформационно-ста-бильный тетрапептид;
в) у каждой аминокислоты, включенной в какой-либо конформационно-стабильный фр аг-
мент, искали среднюю координату по атомам, не входящим в главную цепь;
г) у каждой пары стабильных фрагментов выбирали пару аминокислот, для которых расстояние между средними координатами атомов было минимальным;
д) если это р асстояние было меньше установленного пр едела (в данном исследовании 10 А), определялось расстояние между ближайшими атомами этих фрагментов.
Олигопептиды считали соседями, если расстояние между ними, определенное описанным выше способом, было меньше некоторой пороговой величины. Ее значение можно пр ибли-женно оценить, исходя из предположений о механизмах тенденции к сближению, или исходя из визуальных наблюдений. В данном исследовании эта величина варьируется.
В результате можно вычислить некую ха-рактеристику тенденции к сближению стабильных олигопептидов. В качестве такой величины в работе было выбрано отношение количества олигопептидов, имеющих соседей в данном конкретном белке, ко всем наблюдаемым в нем:
V =
т
(1)
N1 + N7
где V - численная характеристика тенденции к сближению стабильных олигопептидов для г-го белка, г - номер белка в исследуемом наборе, N1 - число стабильных олигопептидов, имеющих соседей в г-м белке, Я7 - число отдельно стоящих стабильных олигопептидов в г-м белке. Соседство проверяется по ближайшим между фрагментами расстояниям.
Найденную характеристику усредняли по всей совокупности белков из опр еделенной выборки:
^N1
(2)
V =
+щ)
где V - численная характер истика тенденции к сближению стабильных олигопептидов для всего набора белков,
Для более детального рассмотр ения взаимного расположения выделенных фрагментов также пр оведено объединение в группы соседствующих фрагментов по числу входящих в состав этих групп выделенных фрагментов. Число входящих в группу фрагментов назовем размером группы. Отдельно стоящие фрагменты
формально образуют группу с размером один, пар а образует группы р азмера два и т.д. Для оценки распределения по типам размеров использована следующая величина:
%к = ■
I N
I
тах к
I I N7
г т=1
(3)
где ^к - доля фрагментов, включенных в группы сближенных фрагментов типа к ; к и т - размер ы групп сближенных фрагментов; г - номер белка в исследуемом наборе; N1 - число стабильных олигопептидов, входящих в группы размера к в г-м белке; тах к - размер наибольшей гр уппы, наблюдаемой в белке. Соседство проверяется по ближайшим между фрагментами расстояниям.
Величины % и %к связаны соотношением:
тах к
% = I %к.
(4)
к =2
Следующий этап исследования проводили методом многократных генераций случайных положений фрагментов в пространственной структуре белковой глобулы, аналогичным методу Монте-Карло. Генерации случайных положений заданного количества фр агментов про -водятся для каждой структуры из исследуемой выборки заданное количество р аз и величина, хар актеризующая общую кар тину такого случайного распределения, рассчитывается, исходя изо всех произведенных генераций на всем множестве тестируемых структур. Способ генера-ции случайных положений заданного количества фрагментов в структуре белковой глобулы в данном случае не подразумевает равномерного распределения ни по последовательности, ни в пространстве.
Отметим особенности, необходимые для выполнения данной работы: область значений случайных положений стабильных фрагментов должна огр аничиваться лишь а-спир алью; фр агменты по последовательности должны стоять достаточно далеко друг от друга (в работе достаточным считался промежуток в пять аминокислот)
Генерация случайных положений фрагментов в структуре о существляется следующим способом:
а). Составляется список фрагментов, позиции которых нужно одновременно генерировать
случайным образом. Число фр агментов в списке, а также их длины в каждом конкретном домене равны найденному в этом домене числу стабильных фрагментов и их длине.
б). В соответствии с запретом на все кон-формации, кроме а-спирали, для каждой длины фрагментов необходимо определить свою область (пентапептидам, к примеру, недоступны все те позиции по которым могут располагаться тетрапептиды); а-спиральную конформацию для аминокислотных остатков определяли по сопоставлению РББ-стр уктуры и БББР файла. Доступной позицией считали ту, находясь в которой олиго
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.