научная статья по теме SPC/E- И TIP4P-МОДЕЛИ ВОДЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНФОРМАЦИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ ПЕПТИДОВ ИНСУЛИНОВОГО СУПЕРСЕМЕЙСТВА Биология

Текст научной статьи на тему «SPC/E- И TIP4P-МОДЕЛИ ВОДЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНФОРМАЦИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ ПЕПТИДОВ ИНСУЛИНОВОГО СУПЕРСЕМЕЙСТВА»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2014, том 48, № 3, с. 500-507

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОПОЛИМЕРОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ

УДК 577.31

8РС/Е- и Т1Р4Р-МОДЕЛИ ВОДЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНФОРМАЦИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ ПЕПТИДОВ ИНСУЛИНОВОГО СУПЕРСЕМЕЙСТВА

© 2014 г. О. И. Ксенофонтова*

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, 199034 Поступила в редакцию 20.11.2013 г.

Принята к печати31.12.2013 г.

Проведен сравнительный анализ двух наиболее часто используемых моделей воды — 8РС/Е и Т1Р4Р — и оценена возможность их использования для пептидов инсулинового суперсемейства — проинсулина и инсулиноподобных факторов роста (ЮР1 и ЮР2). Показано, что при использовании обеих моделей воды среднеквадратичные отклонения от начальных структур и радиусы вращения имеют тенденцию находиться в противофазе, и только в случае ЮР1 после 9000 пс выходят на плато. Также установлено, что, несмотря на сохранение общего характера инсулиноподобной укладки, вторичные структуры при использовании Т1Р4Р- и 8РС/Е-моделей имеют некоторые отличия, сказывающиеся на общей динамике молекул и способности принимать конформацию, необходимую для связывания с соответствующими рецепторами. Сделан вывод о необходимости использования не одной, а нескольких моделей воды для исследования конформационной подвижности пептидов.

Ключевые слова: модели воды, Т1Р4Р, 8РС/Е, конформационная подвижность, пептиды инсулинового суперсемейства, компьютерное моделирование.

SPC/E AND TIP4P MODELS FOR INVESTIGATION OF THE CONFORMATIONAL MOBILITY OF THE INSULIN SUPERFAMILY PEPTIDES, by O. I. Ksenofontova* (Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, 199034 Russia; *e-mail: jabiata@yandex.ru). In this work we carried out a comparative analysis of the two most popular water models — SPC/E and TIP4P and estimated the ability of using ones for insulin superfamily peptides — proinsulin and insulin-like growth factors (IGF1 and IGF2). It was shown that root-mean-square deviations and radius of gyration had tend to be in reversed phase when both water models were used. Only IGF1 had a plateau after 9000 ps. In addition, it was shown that in spite of the general nature of insulin-like packing maintenance, there were some differences in the secondary structures, when we used TIP4P and SPC/E. These differences could influence on the overall molecule dynamics and the ability to accept necessary conformation for interaction with cognate receptors. On the basis of the received data we concluded that it is necessary to use several, not one, water models for the study of the peptides conformational mobility.

Keywords: water models, TIP4P, SPC/E, conformational mobility, insulin superfamily peptides, computer simulation.

DOI: 10.7868/S0026898414030124

ВВЕДЕНИЕ

Вода — самое распространенное вещество на Земле, обеспечивающее не только среду обитания для живых организмов, но и протекание многих биохимических процессов [1]. В настоящее время выделяют две разновидности воды — вода-растворитель (ВР, Ъи1к^а1ег) и сайт-специфическая вода [2].

Поскольку ВР наиболее изучена, начнем именно с нее. Она состоит из большого числа мо-

лекул, представляющих собой диполи. Каждый диполь содержит положительный и отрицательный заряды на полюсах. В молекуле воды имеется четыре полюса зарядов: два отрицательных — на атоме кислорода, и два положительных — на атомах водорода. Благодаря наличию таких зарядов каждая молекула воды способна образовывать четыре водородные связи (рис. 1).

Для кристаллической структуры льда характерно тетраэдрическое распределение зарядов: в центре тетраэдра находится атом кислорода, в

Принятые сокращения: ВР - вода-растворитель; МД - молекулярная динамика; IGF — инсулиноподобный фактор роста; RMSD - среднеквадратичное отклонение.

* Эл.почта: jabiata@yandex.ru

двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалент-ной связи с кислородом; две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, не участвующие в образовании внутримолекулярных связей. Структура жидкой воды менее упорядочена и может состоять из отдельных молекул, небольших ассоциатов (кластеров) и более крупных сетей [3]. Ассоциаты могут состоять из десятков и сотен структурных единиц, иметь различную форму и пространственное расположение. Согласно гипотезе Зенина С.В., BP представляет собой иерархию объемных структур "ассоциатов", в основе которых лежит кристаллоподоб-ный"квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей [4]. При этом 57 молекул воды (квантов) образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр, в свою очередь, состоит из 4 додекаэдров. Поскольку в основе модели лежат тетраэдрические постройки, ее можно в той или иной степени согласовать с данными по дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Однако данная модель плохо согласуется с динамическими свойствами воды — текучестью, большим значением коэффициента самодиффузии, малыми временами корреляции и диэлектрической релаксации, измеряемыми пикосекундами. Существуют и другие модели [5], однако ни одна из них не способна воспроизвести все имеющиеся аномальные свойства воды. Разные модели соответствуют разным экспериментальным данным.

За последние 40 лет разработано большое количество моделей воды, являющихся двух-, трех-, четырех-, пяти- и шеститочечными (рис. 2).

Самые простые модели - двухточечные [6]. Электростатические взаимодействия моделируют с помощью закона Кулона, дисперсионные взаимодействия и силы отталкивания — с использованием потенциала Леннарда-Джонса. Двухточечная модель достоверно предсказывает диэлектрические свойства воды, однако в настоящее время ее не используют в качестве растворителя при проведении компьютерных экспериментов.

Трехточечные модели имеют три сайта взаимодействия, соответствующие трем атомам молекулы воды [7]. Каждому атому для учета электростатических взаимодействий присваивают определенный заряд (суммарный заряд равен нулю). Трехточечные модели наиболее популярны, и их активно используют в компьютерных экспериментах благодаря их простоте и эффективности. В табл. 1 представлены физико-химические параметры трехточечных моделей. Физические свойства трехточечных моделей воды также отличаются (табл. 2). Видно, что физико-химические параметры и свойства различных моделей воды значительно отличаются. SPC — наиболее жесткая, идеализированная модель, и потому в настоящее время ее применяют редко. SPC/Fw - гиб-

Рис. 1. Образование четырех водородных связей молекулами воды.

кая 8РС-модель, она дает значения плотности и диэлектрической постоянной, близкие к экспериментальным, однако для белков ее также используют редко. Чаще всего на практике используют модель 8РС/Е [9]. По популярности эта модель может сравниться лишь с Т1Р3Р, применяемой в тандеме с силовым полем СНЛЯММ. В 8РС/Е-мо-дели добавлена усредненная поправка в потенциальную энергию, учитывающая поляризацию, вследствие чего модель становится более применимой для работы с белками.

Четырехточечная модель вносит дополнительный отрицательный заряд на силовой центр, расположенный вблизи атома кислорода вдоль средней линии НОН-угла. Внесение дополнительного отрицательного заряда улучшает распределение электростатического потенциала вокруг молекулы воды. ВБ и Т1Р82 - одни из первых четырехточечных моделей, разработанные для проведения компьютерных экспериментов [10], однако в настоящее времяи они утратили свою актуальность. Более современные модели — Т1Р4Р и ее производные: TIP4P-Ew (используются методы суммирования Эвальда) [11], Т1Р4Р/1се (вода в состоянии льда) [12], Т1Р4Р/2005 [13] и др.

При выборе той или иной модели воды необходимо помнить, что вода - не просто растворитель (ВР), но также она может выступать в качестве важного посредника, без которого невозможна правильная укладка (фолдинг) белка [14], осуществление процессов олигомеризации [15] и ферментативного катализа [16]. Интересно отметить, что молекулы воды принимают активное участие не только в фолдинге белков, но также в фолдинге ДНК и РНК [17].

Функция воды в клетке двояка. С одной стороны, она отвечает за поддержание стабильности структур, а с другой — за осуществление конфор-мационной подвижности. В первом случае молекулы воды выступают в качестве "молекулярного

.О.

Н

Н

Н

уОч I 4

м

V

^О.

Н Н

Н

Н

/ I \

м 4

6

Н

Рис. 2. Трех-, четырех-, пяти- и шеститочечные модели воды. М и L — дополнительно используемые атомы, несущие отрицательный заряд.

3

4

5

клея", соединяя различные элементы первичных, вторичных и третичных структур. Стоит отметить, что уже на данном этапе происходит подготовка к осуществлению дальнейших конформационных преобразований, необходимых для реализации белок-белковых, белок-ДНК и белок-РНК взаимодействий. В ряде исследований показано, что присоединение воды к молекуле белка происходит не случайным, а сайт-специфическим образом [18, 19]. Это означает, что вода не заполняет все свободное пространство между атомами белка, а располагается весьма упорядоченно, предпочитая связываться с участками, отвечающими за белок-белковые и другие взаимодействия. В данном случае молекулы воды становятся неотъемлемыми компонентами структуры белка, способствующими появлению необходимой конформационной гибкости, без которой невозможно осуществление ли-ганд-рецепторных и других видов взаимодействий [20]. Изучение кристаллических структур белков, окруженных молекулами воды, показало, что обра-

зование водородных связей в гидратной оболочке неслучайно: обнаружено, что молекулы воды, необходимые для проявления функциональной активности белка находятся в фиксированных позициях, в то время как другие молекулы свободно перемещаются, "уходя" в раствор [21].

В настоящее время до сих пор не решен вопрос о правильности выбора той или иной модели воды для проведения компьютерных экспериментов. Считают, что некоторые модели больше подходят для белков, другие — для нуклеиновых кислот, а третьи — для липидов. При выборе растворителя также стоит обращать внимание н

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.

Показать целиком