БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 1, с. 5-14
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.3
ЗАПР ЕЩЕННЫЕ КОНФОР МАЦИИ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ НА ПРИМЕРЕ ß-ИЗГИБА ß-ШПИЛЬКИ В 8Ы3-ДОМЕНЕ а-СПЕКТРИНА
© 2015 г. Л.А. Урошлев, И.Ю. Торшин*, А.В. Батяновский**, Н.Г. Есипова, В.Г. Туманян
Институт молекулярной биологии им. В .А. Энгельгардта P оссийской академии наук,
119991, Москва, ул. Вавилова 32;
*Xимический факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова,
119991, Москва, Ленинские горы, 1, стр.3;
**Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, 220072, Минск, ул. А кадемическая, 27
E-mail: leoniduroshlev@gmail. сот Поступила в p едакцию 28.11.14 г.
Пpиводятcя pезультаты иcчеpпывающего конфоpмационного анализа ß-изгибов, cодеpжащиx аминокислоту c запpещенной конфоpмацией остова полипептидной цепи. Известно, что для пеpвого остатка ß-изгиба (Asn47) дистальной ß-шпильки SH3-домена а-cпектpина xаpактеpна стоически запpещенная конфоpмация оcновной цепи (значения двугpанныx углов Ф и Т наxодятcя в мавом нижнем квадpанте каpты Pамачандpана). Были пpоанализиpованы вcе cтpуктуpы а-cпектpинов из банка PDB, cодеpжащие аномальные элементы. П pедложена идея, заключающаяcя в том, что фоpмиpование замещенной конфоpмации обуcловлено фикcацией (за cчет cтpуктуpы SH3-домена) пpимыкающиx к ß-изгибу аминокиcлотныx оcтатков ß-струк-туpы. Эти остатки оpиентиpованы таким обpазом, что конфоpмация оcтатков ß-изгиба должна задействовать именно замещенную локальную конфоpмацию этого остатка, в то вpемя как любые дpугие конфоpмации ß-изгиба (^TOpL^ бы имели pазpешенную локальную конфоp-мацию) невозможны. C целью доказательства пpавомеpноcти данной идеи доведен конфоp-мационный анализ ß-изгиба путем ваpьиpования вcеx внутpенниx кооpдинат (две rapbi углов Фи Т и два угла ю). В pезультате полного пеpебо pа по cетке c шагом 1° были отобpаны конфоpмации, cоответcтвующие cтеpеоxимичеcки допуcтимым локальным дефоpмациям сегмента полипептдной цепи, вxодящего в ß-изгиб. Уcтановлено, что во вcеx полученныx кон-фоpмацияx локальная конфоpмация Asn47 оcтавалаcь в замещенной облаcти. Выявленные конфоpмации включают экcпеpиментально опpеделенную cтpуктуpу из банка PDB, а также дополнительный ваpиант, отличающийся от экcпеpиментально уcтановленныx cтpуктуp значениями rnpbi углов Ф и Т втоpого оcтатка, пpинадлежащего ß-изгибу. Значения этиx углов попадают в область rap^i Pамачандpана вблизи линии Ф = 0 пpи отpицательныx значенияx Т, т.е. на замещенную область, в котоpой не наблюдается экcпеpиментальныx точек. Таким обpазом, cфоpмулиpованная идея, cоcтоящая в том, что замещенная конфоpмация «навязывается» ß-изгибу фиксацией пpимыкающиx к нему остатков, подтвеpждаетcя pезультатами Моведенных вычиcлений. Топологические огpаничения в контекcте cтpуктуpы в такого типа ß-шпилькаx иcключают p азpешенные локальные конфоpмации.
Ключевые слова: БИ3-домен, запрещенные конформации, ß-изгиб, конформационный анализ.
После того как Pамачандpан c cотp. [1] поcтpоили кар ту допустимых конформаций о с-новной цепи для аминокислотного остатка (точнее, для дипептидной единицы) и на эту карту стали наносить конфор мации о статков белков, расшифрованных методом рентгено структур но-го анализа, оказалось, что достаточно большой процент экспериментально определенных кон-формаций попадает в стерически запр ещенные
области. Вначале все эти случаи пытались объяснить ошибками эксперимента и/или тем, что сами контуры на карте могут изменяться вследствие изменения структурных параметров остова полипептидной цепи. Тем не менее по мере увеличения точности определения структур ы число аномальных конформаций хотя и существенно падало, но так и не достигало нуля. Достаточно много таких конформаций
Рис. 1. Конформации двух остатков, образующих Р-изгиб Р-шпильки, для четырех основных типов Р-изгиба: I, II, I' и II'.
сохранилось, следовательно, и проблема запр е-щенных конформаций о сталась.
В настоящее время феномен существования запрещенных конформаций как таковых является установленным фактом. Во-первых, появились структуры, определенные со сверхвысо -ким разрешением, указывающие на такие конформации пр и отсутствии ошибок опр еделения структуры. Во-вторых, аномальные структурные элементы воспроизводимо наблюдаются и при ср еднем разрешении, о чем свидетельствует постоянно возрастающее количество структур, содер жащих этот элемент.
В частности, авторы работы [2] насчитывают на карте Рамачандрана шесть областей запрещенных конформаций. В настоящей работе мы рассматриваем область II' (II согласно номенклатуре, приведенной в работе [2]), соответствующую конформации первого остатка из двух остатков, образующих Р-изгиб П'-типа. Значения двугранных углов для этого остатка лежат в правом нижнем квадранте кар ты Ра -мачандрана - самом стерически запрещенном квадранте (эта область двугранных углов разрешена только для остатков глицина).
Конфор мация Р-изгиба П'-типа пр оиллюст-рирована на рис. 1 вместе с другими основными типами Р-изгибов. Значения двугр анных углов (г + 1)-остатка (Ь1 в номенклатуре согласно работе [3]) в Р-изгибе находятся в области II' карты Рамачандрана, а значения двугранных углов для (г+2)-остатка (Ь2) в Р-изгибе лежат в пограничной области между областью, соот-
ветствующей а-спирали, и областью, содержащей Р-стр уктуру и левоспиральную конформа-цию типа полипр олин II. Согласно последним оценкам [4] типичные значения двугранных углов составляют округленно Ф = 60°, V = -125° для пер вого остатка в изгибе и Ф = -95°, V = 5° для второго остатка.
Какие же взаимодействия препятствуют реа -лизации конформаций полипептидной цепи в области правого нижнего квадранта карты Рамачандрана? При Ф < 50° контактное расстояние между атомом О предыдущего остатка и атомом С' становится существенно меньше суммы соответствующих ван-дер-ваальсовых радиусов. При угле Ф = 60 ± 30° и V от -100° до 30° возникает выраженное стерическое затруднение между атомом О предыдущего остатка и атомом Н последующего. П ри Ф > 70° имеет место недопустимое сближение атома О предыдущего остатка и боковой группы (И) остатка, конформация которого изучается. Область в непосредственной близости от точки Ф = 60°, V = -120° (т.е. интересующая нас область) уникальна тем, что в ней имеет место неблагоприятный контакт в основном одного типа, а именно И и Н последующего остатка, характерный вообще для значений Ф от -100° до -170°. Поэтому конформация такого типа в большинстве случаев реализуется только для остатков глицина, для которого радикалом является атом водорода.
Интересно, что второй остаток в П'-Р-изгибе (остаток г+2) также имеет конформацию, несвободную от стерических ограничений, так как при V, близком к нулю, наблюдается не-благопр иятный контакт между N остатка, конформация котор ого изучается, и атомом Н последующего остатка.
Приведенные выше данные соответствуют стандартной стерео химии полипептидной цепи. В реальных структурах напряженные ван-дер-ваальсовы контакты несколько смягчаются за счет изменения относительно стандартных значений валентных и двугранных углов. В работе [5] дается реальная картина деформации геометрии полипептидной цепи в представительной выборке структур, соответствующих II '-области карты Рамачандрана. Ср-атом оказывается слишком близким как к атому кислор ода предыдущего остатка, так и к атому азота последующего остатка (эти напряженные контакты отсутствуют только в случае глицина). Компенсаторные дефор мации геометр ии остова полипептидной цепи, частично ослабляющие эти напряженные контакты, включают раскрытие валентных углов СрСаС' и СаС' и N последую-
щего о статка. Для компенсации раскрытия вышеупомянутых валентных углов уменьшаются валентные углы NCаC', СаС'О и ОС' и N последующего остатка. В результате, как утверждают авторы [5], расстояние Ср..^ последующего остатка увеличивается с 2,65 до 2,71 А, а расстояние от атома кислорода О предыдущего остатка...Ср увеличивается с 3,06 до 3,09 А
В настоящей работе в качестве объекта исследования мы выбрали Р-изгиб дистальной Р-шпильки БН3-домена а-спектрина. Для этого конкретного примера запрещенной конформа-ции (А8и47 в положении г+1 Р-изгиба) имеет ся наиболее полная информация, включающая рентгеноструктурные и микрокалориметрические данные, в том числе по рекомбинантным белкам с аминокислотными заменами. На рис. 2 показана структур а дистальной Р-шпильки для белка, определенная с наиболее высоким разрешением (1,1 А).
Повышенная стабильность Р-шпильки с аномальным элементом в Р-изгибе БН3-домена а-спектрина подтверждается как экспериментальными, так и теоретическими свидетельствами [6-8]. В экспериментальном исследовании [9] авторы произвели замены аспарагина на другие аминокислоты (N470 и N47A). Однако ни термодинамический, ни рентгено структур ный анализ не позволили обнаружить существенного влияния замен на термодинамические характеристики или конформацию белка.
В работе [8] было обнаружено, что область БН3-домена, соответствующая дистальной Р-шпильке, остается стабильной в ходе денатурирующей молекулярной динамики. Стабильность сохраняется, несмотря на стерические препятствия в Р-изгибе, также и в аспекте сохр а -нения динамической сетки водородных связей. В результате биоинформатического анализа был сделан вывод, что А8и47 локализуется в Р-изгибе специфического структурного фрагмента, который был назван перекрученной Р-шпилькой. Было обнаружено, что фрагменты со сходной конформацией достаточно широко представлены в несводимой подвыборке белковых цепей из банка РОБ и по сравнению с обычными Р-шпильками характеризуются повышенным содержанием глицина в их Р-изги-бах, отсутствием определенных водородных связей типа остов-остов в их Р-шпильках и увеличенным значением индекса хиральности по ср авнению с обычными Р-шпильками.
Рис. 2. Р-Шпилька с Р-изгибом, содержащим запрещенную конформацию 47-го остатка (Ь1 из Р-изгиба). Шароигловая модель для фрагмента структуры 3М0И (разрешение 1,1 А). Водородные связи показаны пунктиром.
МЕТОДЫ
Методическая цель настоящей работы - провести исчерпывающий конформа
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.