БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 3, с. 437-450
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 577.3
СТР УКТУР НЫЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАР АКТЕР И СТИКИ КОНФОРМАЦИОННО-СТАБИЛЬНЫХ ОЛИГОПЕПТИДОВ
а-СПИРАЛЬНОГО ТИПА
© 2015 г. А.В. Батяновский, И.Д. Волотовский, В.А. Намиот*, И .В. Филатов**, И .А. Галкин***, Н.В. Гнучев***, В.Г. Туманян***, Н.Г. Есипова***
Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, 220072, Минск, ул. А кадемическая, 27; *Институт ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119992, Москва, Воробьевы горы, 1; **Московский физико-технический институт, 141700, Долгопрудный Московской области, Институтский пер., 9; *** Институт молекулярной биологии им. В .А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32
E-mail: nge@eimb.ru Поступила в p едакцию 08.10.14 г.
Проведен анализ конформационно-стабильных (конформационно-консервативных) тетрапеп-тидов, отобранных из структур белков, депонированных в банке PDBSelect. Подвыборка содержала 943 разных последовательностей аминокислот тетрапептидов, причем каждая последовательность встречалась в качестве разных сегментов структур белков не менее пяти раз. В результате анализа конформаций на основе разметки DSSP сделан вывод, что в большинстве случаев (900 из 943 последовательностей) р еализуется а-спиральная конформация. Для 43 последовательностей имеет место иная конформация, в частности, замечена конформация типа левой спирали полипролина II. Физико-химические свойства конформационно-стабильных пептидов из соответствующей выборки оценивали по ср едней гидрофобности/гидрофильности тетрапептидов. Из результатов расчетов следует, что для конформационно-стабильных оли-гопептидов характерна «нейтральность» в аспекте гидрофобности/гидрофильности. Надо отметить, что дисперсия распределения гидрофобности/гидрофильности для конформационно-стабильных пептидов существенно меньше, чем для контрольных выборок. Таким образом, конформационно-стабильные олигопептиды являются выделенной группой локальных структур белка, предельно близких по конформационным и физико-химическим свойствам. В соответствии с разработанной нами ранее теорией специфических дальнодействующих взаимодействий, данные пептиды являются объектами, в наибольшей степени приспособленными для эффективного взаимного молекулярного узнавания.
Ключевые слова: конформационно-стабильные сегменты белка, локальная структура белка, молекулярное узнавание, специфические дальнодействующие взаимодействия.
Проблема связи первичной и третичной структур белка оказалась гор аздо сложнее, чем это представлялось полвека назад, когда она впер вые была сформулирована. Е стественным паллиативом было сведение задачи определения структуры макромолекулы целого белка по последовательности аминокислот к менее масштабным и более частным задачам установления связи структура - последовательность для коротких фр агментов белка. Очевидно, что при таком подходе рассмотрению подлежат только локальные структуры, но зато для коротких участков полипептидной цепи могут быть про -анализрованы все последовательности (все комбинации символов). Собственно говоря, речь идет о классификации объектов по двум при-
знакам: последовательности и структуре (кон-формации). Подход, когда за исходные признаки принимается последовательность аминокислотных остатков в варианте, рассмотренном в работах Бэйкера и соав. [1], можно полагать наиболее результативным. Сходные последовательности объединяются в кластеры последовательностей аминокислот, а затем для каждого такого кластера исследуется характерный для него набор структур. Сильно вариабельные по пространственным структурам наборы-классы отбрасываются. Таким образом, каждый из о ставшихся классов содержит родственные последовательности, которые принимают только одну или малое число локальных конформаций. П ри этом для соответствующих последователь-
ностей не составляет труда сделать вывод об их вероятной структуре.
В подходе Хантер а [2] систематизация фр аг-ментов ведется на структурном ур овне по признаку их структурного сходства, что позволяет определить набор канонических локальных структур. После табулирования аминокислотных последовательностей для каждого из структур ных кластеров и проведения расчета пози-ционно зависимой вероятности аминокислоты появляется возможность устанавливать структуру канонического фрагмента только на основе информации о последовательности. Нахо -дят также применение и комбинированные подходы [3].
В развиваемом нами подходе начальной посылкой является последовательность короткого сегмента, но в отличие от исследований Бэйкера требуется значительная структурная определенность (65% конформационных состояний должны быть близки), и степень этой близости также должна быть велика (отличие по двугранным углам не должно прево сходить 10°). Мы выделяем, таким образом, с помощью строгого критерия новый класс объектов (конформацион-но-стабильные или конформационно-консерва-тивные олигопептиды), не имеющий аналогов в работах других авторов [4,5]. В то же время, в силу введенных ограничений, класс подобного рода объектов оказывается достаточно узким. Естественно ожидать от выделенного нами класса специфических свойств, как физико-химических, так и биологических. В частности, конформационно-стабильные олигопептиды удовлетворяют условиям, необходимым для специфического дальнодействующего узнавания согласно теории, развитой в работах [6,7].
Подход, заключающийся в анализе структур ы олигопептидов по критерию значений двугранных углов в основной цепи, применялся в работах [8-10]. Целью такого анализа было предсказание вторичной структуры белка: а-спиралей и в-структуры в первых двух цитированных работах и вторичной структуры типа полипр олин II в третьей работе, выполненной в российском коллективе.
Ранее нами была начата работа по отбору конформационно-стабильных тетрапептидов [4]. Конформационно-стабильный олигопеп-тид - сегмент белка, проявляющий в шир окой выборке белковых структур явные конформа-ционные предпочтения, т.е. в большинстве белковых структур встречающийся в каком-либо одном, свойственном ему конформационном со -стоянии. Изучение таких фрагментов позволило выявить некоторые особенности взаимного рас-
положения этих фрагментов в белковых глобулах, как-то отмечена близость таких фрагментов в глобулярных структурах, что может ука -зывать на координирующую функцию выделенных последовательностей в структур ной ор га-низации глобулы белка [5].
Цель настоящей работы - исследовать некоторые конформационные и физико-химические характеристики конформационно-стабиль-ных сегментов полипептидных цепей. Тип кон-формации тетр апептида в данной работе опр е-деляли по шкале БББР; при оценке физико-химических свойств принималась во внимание степень гидр офобности/гидр офильности сегмента.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Список конформационно-стабильных тетра-пептидных последовательностей аминокислот был составлен на основе выборки структур белков из банка РВБ8е11ес1 (степень гомологии не выше 35%). Было отобрано более 1400 белковых структур, расшифрованных методом рентгеноструктурного анализа с разрешением не хуже, чем 1,5 А Как указано выше, под конформационно-стабильным тетрапептидом понимается сегмент белка с последовательно -стью аминокислот, которая в широком наборе белков, низкогомологичных по последовательности аминокислот, встречается преимущественно в определенной конформации (например, последовательность АААК встречается в нашей выборке белков 19 раз, причем 13 раз полипептидная цепь с этой последовательностью находится в конформации а-спирали).
Сравнение структур в процессе формирования списка проводили по двугранным углам, оценивая среднеквадратичное отклонение между двугранными углами двух сравниваемых оли-гопептидов. Мы, как уже указано, считали кон-формационно-стабильными те олигопептиды, для которых более 65% наблюдаемых конфор-мационных состояний близки друг к другу. Было обнаружено, что только 29 из 8000 комбинаторно возможных последовательностей трипептидов обладают предпочтительными конформациями (более 0,36%). В качестве стабильных тетрапептидов было идентифицировано ~ 1500 из 160000 комбинаторно возможных последовательностей аминокислотных сегментов размером в четыре аминокислоты (чуть менее 1%). Еще раз напомним, что конформа-ционная определенность растет с увеличением длины сегмента. Особенностью списка конфор-мационно-стабильных структур по сравнению с выборками близких локальных структур в работах других авторов является прежде всего
то, что предпочтительной конформацией для основной массы тетрапептидов из нашего списка является а-спираль [5]. Это неудивительно, так как разброс в углах ф и ^ оказывается наименьшим для а-спирали, ввиду особенностей распределения дипольных моментов пептидных групп остова полипептидной цепи в симметрии а-спирали.
П рогр аммы, использованные пр и обработке информации о белковых структурах, в том числе конформационно-стабильных фрагментах, представленных в формате PDB в списках кон-формационно-стабильных фрагментов, были реализованы нами на языке Python. Статистическую обработку данных вели как с использованием оригинальных программных средств, так и в среде статистических вычислений R.
Гидрофобность фрагментов определяли по суммарной гидрофобности боковых групп аминокислот; оценки значений гидрофобности отдельных боковых групп взяты из работы [11]. В работе [11] опр еделение гидрофобности опирается на три разных литературных источника [12-14], в которых были пр именены различные методические подходы. Соответствующие значения гидрофобности боковых радикалов аминокислот суммированы в табл. 1. Подчеркнем, что анализ носит ср авнительный ха рактер. Оценки были проведены для всех трех наборов значений гидрофобности, приведенных в табл. 1.
Гидрофобности коротких конформационно-стабильных фрагментов (в нашем случае тетрапептидов) ср авнивали с гидрофобностями фрагментов с последовательностями аминокислот, сформированными случайным комбиниро -ванием аминокислот с частотами, которые были определены двумя способам
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.