научная статья по теме Уточнение пространственной структуры нейротоксина II из яда naja naja oxiana Химия

Текст научной статьи на тему «Уточнение пространственной структуры нейротоксина II из яда naja naja oxiana»

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 1995, том 21, М 8, с. 571 - 579

УДК 577.322.5;543.422.25

УТОЧНЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ НЕЙРОТОКСИНА II ИЗ ЯДА Naja naja oxiana

© 1995 г. А. П. Голованов, А. С. Арсеньев*

Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАИ, 117871, ГСП-7, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 Поступила в редакцию 02.11.94 г.

Путем минимизации (информационной энергии с ограничениями, полученными из экспериментальных данных 'Н-ЯМР, рассчитан набор из 19 пространственных моделей нейротоксина II Naja naja oxiana. Среднее попарное среднеквадратичное отклонение положений атомов и полученном наборе структур составило 0.86 Ä для тяжелых атомов основной цепи и 1.48 Á для всех тяжелых атомов. Для объяснения относительно медленных скоростей дейтерообмена амидных протонов Val45 и Leu51, экспонированных согласно рассчитанным структурам в растворитель, предложена модель димера нейротоксина П. Полученные модели как мономерной, так и димерной формы нейротоксина II в дальнейшем могут быть использованы для детального изучения его функциональных, гидрофобных и электростатических свойств-

Ключевые слова: нейротоксин, пространственная структура, ЯМР, конформационная энергия.

Анализ известных трехмерных структур белков необходим для детального понимания основ пространственной укладки и функционирования белковых молекул. Очень удобными объектами для такого анализа являются постсинаптические нейротоксины (см., например, обзоры [1, 2]). Эти нейротоксины блокируют синаптическую передачу сигнала путем специфичного связывания с никотиновым ацетилхолиновым рецептором. Нейротоксины, выделенные из ядов змей, образуют семействе белков, обладающих сходной структурой. Существуют два класса нейротоксинрв. Короткие нейротоксины состоят из 60 - 62 аминокислотных остатков и содержат 4 дисульфидные связи. Длинные нейротоксины состоят из 70 - 74 остатков и со держат 5 дисульфидных связей. В настоящее время известно более 100 аминокислотных последовательностей нейротоксинов длинного и короткого типа, множество работ посвящено изучению механизмов их функционирования (см. обзоры [3 - 5]).

Детальное пространственное строение известно для нескольких нейротоксинов длинного и короткого типа. Хотя общая укладка полипептидной цепи всех нейротоксинов очень схожа, даже небольшие отличия в кон формации и/или конфор-мащюнной подвижности между нейротоксинами могут объяснить заметные различия в кинетике связывания с рецептором и в токсичности [6]. Про-странстленные структуры, полученные методом

-J-!—

Сокращения: N111 - нейротоксин II; СКО - среднеквадратичное отклонение. * Автор 1у1я переписки.

рентгеноструктурного анализа, опубликованы для нейротоксинов короткого типа (эрабутокси-нов а и b [7 - 11 ]) и длинного типа (а-кобротокси-на [12, 13] и а-бунгаротоксина [14]). По данным спектроскопии ЯМР, в растворе были получены пространственные структуры а-бунгаротоксина [15, 16] и а-кобротоксина [17], а также коротких токсинов: а-нейротоксина Dendroaspis polylepis polylepis [18, 19], токсина a Naja nigricollis [20] и кобротоксина [21, 22]. В нашей предыдущей работе [23 J методом дистанционного геометрического алгоритма на основании данных спектроскопии 'Н-ЯМР рассчитана пространственная структура короткого нейротоксина TI (NtH) Naja naja oxiana. Полученная структура хорошо согласовывалась с интенсивностями ядерного эффекта Оверхау-зера, с величинами вицинальных констант спин-спинового взаимодействия протонов NH-CaH и С"Н-СрН, а также с наблюдаемыми скоростями обмена протонов амидных групп NH на дейтерий растворителя. Однако для двух амидных протонов остатков Val45 и Leu51 замедленная скорость дейтерообмена не может быть объяснена исходя из полученной в [23] пространственной структуры NtlI, поскольку в этой структуре они экспонированы в растворитель. Поэтому было сделано предположение об образовании симметричного димера Ntü, в котором протоны остатков Val45 и Leu5l участвуют в межмолекулярных водородных связях [23].

Целью настоящей работы было уточнение набора структур NtlI путем минимизации их

II

Рис. 1. Стереоизображение набора из 19 структур N111, полученных в результате минимизации конформационной энергии и совмещенных по тяжелым атомам основной цепи. Показаны только тяжелые атомы основной цепи, а - вид спереди, б - вид сбоку. Римскими цифрами указана нумерация петель.

конформационной энергии и построение пространственной модели димера.

Минимизация конформационной энергии набора структур NtlI, полученных в предыдущей работе [23], позволила оптимизировать пространственную структуру не только по ограничениям на попарные межпротонные расстояния, но и по энергетическим членам. Из результатов статистического анализа наборов структур до и после минимизации конформационной энергии (табл. 1) можно заметить некоторое увеличение среднего попарного среднеквадратичного отклонения (СКО) координат атомов для набора струк-

тур №11 после минимизации энергии, что может быть связано с устранением излишней "зажатос-ти" набора структур. Заметно уменьшение количества и величины нарушений радиусов Ван-дер-Ваальса, а также нарушений ограничений на значения двугранных углов. Полученный набор структур №11 имеет низкую конформационную энергию и хорошо согласуется с экспериментальными данными (табл. 1).

Стереоизображение набора структур №11, полученных в результате минимизации энергии, показано на рис. 1 и 2. Основная цепь молекулы образует плоский диск. На верху молекулы (ориентация

Таблица 1. Конформационная энергия и остаточные нарушения ограничений для 19 структур Ш1 до минимизации конформационной энергии и после. Показаны средние величины и их стандартные отклонения

Параметр До минимизации После минимизации

Энергия ЕСЕРР/2, ккал/моль 725.49 ± 350.72 -291.62 ± 19.73

Нарушения ограничений сверху

Число нарушений >0.2 А 11.0 ± 3.4 14.90 + 2.17

Максимальное нарушение, А 0.35 + 0.08 0.33 ±0.02

Сумма нарушений, А 7.9 ± 1.9 9.92 ±0.87

Нарушение радиусов Ван-дер-Ваальса

Число нарушений >0.2 А 1.2+ 1.1 0.32 ±0.57

Максимальное нарушение, А 0.21 ± 0.05 0.16 ±0.07

Сумма нарушений, А 4.1 ± 1.1 0.56 ±0.19

Нарушение ограничений на углы ср, \|г,

Число нарушений >5° 0.9 ±0.6 0.42 ± 0.49

Максимальное нарушение, град 5.9+1.8 4.97 ± 0.87

Сумма нарушений, град 34.0+ 10.6 13.64 ±2.52

Попарное среднеквадратичное отклонение положения тяжелых атомов, А

Основная цепь 0.53 + 0.12 0.86 ±0.16

Все атомы 1.18 + 0.13 1.48 ±0.19

Рис. 2. Стереоизображение набора из 19 структур №11, полученных в результате минимизации конформационной энергии и совмещенных по всем тяжелым атомам. Показаны все тяжелые атомы, а - вид спереди, б - вид сбоку. Римскими цифрами обозначена нумерация петель.

как на рис. 1) расположено ее ядро, из которого вниз выходят три петли. Вторичная структура образована двухцепочечной {остатки 1 - 5 и 13 - 17) и трехцепрчечной (остатки 22 - 30, 33 - 41 и 50 - 54) антипараллельными р-структурами. Такая укладка полипептидной цепи характерна для всего семейства коротких нейротоксинов.

Минимизация конформационной энергии устранила излишнюю "зажатость" набора структур, что отразилось в увеличившейся дисперсии величин двугранных углов ф и \}/ (рис. 3 в сравнении с рис. 8 в [23]). Все двугранные углы (р и расположены в стерически разрешенных областях карты Рамачандрана (рис, 4). Остатки 01у (19, 33, 39, 41

и 48) попадают в стерически запрещенную для остатков другого типа область (рис. 3, 4). Все перечисленные остатки глицина, кроме С1у19, являются консервативными в семействе нейротоксинов короткого типа. Так как остатки глицина имеют меньшие по сравнению с другими остатками стерические ограничения, их роль заключается, видимо, в обеспечении необходимого направления хода основной цепи в положениях 33, 39, 41 и 48 молекулы, а также необходимой подвижности.

Низкие (<1,5 А) средние локальные значения ОКО практически для всей молекулы (рис. 5) свидетельствуют о хорошо определившейся структуре. Увеличенные значения СКО для ]Ч-концевого

ЬЕСНМООЗ 8дРРТТКТС5СЕТЫСУКК^,Ч ОНКОТ I I ERGCGCPKVKPGVNLNCCRTDRCNN 180 г~гт'1 1111М1 гт~1 I I I I | I I I | | | I |~гг; I ¡с I г I I I ± I I 1 I I I 111 г I I I [ I I г! I I I

Ф О

■180

180

Ф | !

|1 |

■ ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' '

| т 1 I I I I I 1 I I I I I I I I I I I I I I I I г 1 I I I I I I I I I I I I.. I

-180

180

1 10 20 30 40 50 60 ;

ЬЕС!Ш0<35 5(ЗРРТТКТС5ОЕТЫСУК К^ТО Э О Н Я в Т I I ЕЯОСОС РК УК РОУКЬЫССКТОК СЫЫ

Íтт-тl■ I гтл I 1 +1 а: I г I I птм I I Iфтч *ы I I »пттттттгт^т I п

1? 5 ? . * $ I I

I I I I I I I I I I I I I I I

11111

I I I I I I I I

1Т14-1 ....... НП111111

1 10 20 30 40 50 60

Ь ЕС1ШС>(3 5 5 О Р Р Т ТК ГС Э С ЕТГМС УКК\У\*ЛЧ ОН К СГ I I ЕКЦСССРКУКРОУЫЬКССКТРКСКМ I Ф м м -и I I м I I I м м чр^гт ттг : ттптт(г т гтт ( : т ' ' ^ 1111+1114,

*** * $

$ $

* §§* «I г Л»

4 !М|

1 *• 1 1 I. 1 ¥ 1 ч*-1 I I I I т I .1 .*. I 111111111

' ' | £' ' I I =ы ^ I I I I к I I I I I I I

10

20 30 40

Номер остатка

50

60

Рис. 3. Величины двугранных углов <р, у и у} аминокислотных остатков в полученном наборе структур Вверху в однобуквенном коде показана аминокислотная последовательность белка.

остатка, а также петлевых участков 8 - 9, 17 - 21, 29 - 34 и 44 - 47 наблюдались и для других гомологичных нейротоксинов короткого типа (см., например, [19, 20]) и объяснялись увеличенной подвижностью петлевых участков в растворе.

Образование дилеров №//

Система водородных связей для энергетически оптимизированного набора конформаций 1ЧШ аналогична полученной ранее (см. [23]). Внутри-

молекулярные водородные связи были идентифицированы для всех, кроме трех медленно обме-нивающихся амидны? протонов (Уа145, Ьуй46 и Ьеи51). Сигналы от этих протонов сохранялись в спектрах ТОС8¥ спустя 2 ч после растворения образца №11 в 020 при 20°С [23]. Медленный обмен амидного протона остатка Еув46 можно объяснить его низкой доступностью для растворителя. Амид-ные протоны двух других остатков экспонированы в растворитель. Интересно, что не нашедшие объяснения медленные скорости дейтерообм

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