Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 icon

Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2



НазваниеПикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2
Дата конвертации22.07.2012
Размер157.66 Kb.
ТипДокументы

ПИКОТЕХНОЛОГИЯ – НОВЫЙ ПОДХОД В МОДЕЛИРОВАНИИ

ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА


Кушелев А.Ю.1, Соколик В.В.2


1Научно-исследовательская лаборатория "Наномир", Дмитров

2ГУ «Институт неврологии, психиатрии и наркологии АМНУ», Харьков


В настоящее время наибольшей популярностью пользуются научные исследования с приставкой «нано»: речь идёт об объектах, размер которых лежит в диапазоне 1-100 нанометров [3, с. 28; 16, c. 6]. Однако при моделировании атомов в составе биомолекул возникла необходимость оперировать конфигурацией электронов, формирующих внешний валентный уровень, который и определяет объем, занимаемый тем или иным атомом в пространстве, а это уже размерность пикометров (10-12 м). Пикотехнология, методический подход для моделирования пространственной структуры белка, опирается на следующие представления о микромире:

  • кольцегранная структура электронных орбиталей (электронов) в атоме, которая детерминирует в первом приближении форму атома в виде усечённого октаэдра (рис. 1), грани которого – электроны валентного энергетического уровня [17, c. 49; 4, с. 46; 1, с. 73];

  • геометрический алгоритм объединения атомов в молекулах определяет не только межатомные расстояния (длины связей), но прежде всего углы поворота по этим связям, кратные 120о в трёхмерном пространстве [2, c. 237; 5, с. 137];

  • ротамерный вариант пептидной связи, которая объединяет аминокислотные остатки в полипептид, детерминирован третьим нуклеотидом кодона [2, c. 237; 18, c. 347] и реализуется в ходе матричного синтеза структурного шаблона белка на рибосоме пулом изоакцепторных тРНК [6, c. 13].




Р
А Б
ис. 1. Кольцегранная модель валентной электронной оболочки атома из 8 электронов (А) и её аппроксимация усеченным октаэдром (Б) в моделях белков.


Десять лет назад А.Ю. Кушелевым была сформулирована идея композиционного генетического кода [2, c. 237], которая была расширена представлениями о кодировании ротамерии пептидной связи и структурного шаблона белка [18, c. 348; 19, с. 275; 20, c. 118]. В таблице композиционного генетического кода каждому варианту композиционного кода, в зависимости от кодона, соответствовало определённое значение композиционного угла, под которым в ходе матричного синтеза происходит присоединение очередного аминокислотного остатка к растущей полипептидной цепи. Данная таблица легла в основу алгоритма первого варианта компьютерной программы «Пикотехнология» для моделирования пространственной структуры белка по детерминирующей его нуклеотидной последовательности.
Дальнейшая разработка данной проблемы привела к уточнению не только самой таблицы, но и к введению таких понятий, как ротамерия пептидной связи и структурный шаблон белка. Было установлено, что в геноме третьим нуклеотидом кодона детерминирован один из трёх ротамерных вариантов пептидной связи, которым аминокислотный остаток (закодированный дуплетом первых двух нуклеотидом кодона) присоединяется к растущей полипептидной цепи (табл. 1).


Таблица 1. Генетический код структурного шаблона белка


Y

X

C

а.о.

A

а.о.

T

а.о.

G

а.о.

Z

РВПС

ω



C

CCC

CCA

CCT

CCG



P

CAC

H

CTC

CTA

CTT

CTG



L

CGC

CGA

CGT

CGG



R

C

R

35о

CAA

Q

A

0

155о

CAT

H

T

L

275о

CAG

Q

G

R

35о



A

ACC

ACA

ACT

ACG



T

AAC

N

ATC

ATA

ATT


I

AGC

S

C

R

35о

AAA

K

AGA

R

A

0

155о

AAT

N

AGT

S

T

L

275о

AAG

K

ATG

M

AGG

R

G

R

35о



T

TCC

TCA

TCT

TCG



S

TAC

Y

TTC

F

TGC

C

C

R

35о

TAA

Stop

TTA

L

TGA

Stop

A

0

155о

TAT

Y

TTT

F

TGT

C

T

L

275о

TAG

Stop

TTG

L

TGG

W

G

R

35о



G

GCC

GCA

GCT

GCG



A

GAC

D

GTC

GTA

GTT

GTG



V

GGC



G

C

R

35о

GAA

E

GGA

A

0

155о

GAT

D

GGT

T

L

275о

GAG

E

GGG

G

R

35о


XYZ – первый, второй и третий нуклеотиды в кодоне; R, 0, L – ротамерные варианты пептидной связи (РВПС); uaa, uag, uga – Stop-кодоны.


Ротамерные варианты пептидной связи различаются между собой углом поворота по оси пептидной связи ω, кратным 120о. Крайне важно понимать, что ротамерный вариант пептидной связи реализуется в процессе синтеза белка в рибосоме и дальнейшее вращение по уже образовавшейся полуторной пептидной связи становиться невозможным. Поэтому с рибосомы сходит совершенно индивидуальный структурный шаблон белка из последовательности ротамерных вариантов пептидной связи, в соответствие с информацией, содержащейся в его гене. Именно этим обстоятельством мы объясняем невозможность синтезировать нематричным способом функционально активные большие молекулы белковых ферментов или рецепторов. Твердофазный синтез реализован только для небольших неструктурированных пептидов, которые характеризуются избыточной конформационной подвижностью, в силу чего их функциональные конформации определяются взаимодействием с белками-партнёрами в составе гетерокомплексов, а не индивидуальным структурным шаблоном [13, с. 38].

Для конформеров вторичной структуры белка характерна периодичность, поэтому, правая спираль в структурном шаблоне белка кодируется последовательностью кодонов с С/G в третьей позиции, β-тяж – повторением кодонов с А, а левая спираль – последовательностью кодонов с Т в третьем положении (табл. 2). Неструктурированные фрагменты кодируются чередованием кодонов с С/G, А и Т в третьей позиции.


Таблица 2. Кодирование конформеров вторичной структуры белка


РВПС

Правый

Нулевой

Левый

Нуклеотидная последовательность

-(XYC/G)n-

-gcC-tcC-acG-ggG-

-(XYA)n-

-gcA-tcA-acA-ggA-

-(XYT)n-

-gcT-tcT-acT-ggT-

Ротамерная последовательность

-(R)n-

-R-R-R-R-R-R-R-

-(0)n-

-0-0-0-0-0-0-0-0-

-(L)n-

-L-L-L-L-L-L-L-L-


^ Конформеры вторичной структуры белка


Правая α-спираль



β-тяж


Левая 3/10 спираль



















РВПС – ротамерные варианты пептидной связи



У R, 0 и L-ротамеров все атомы пептидной группы (Cα (i), C (i), O (i), N (i+1) H (i+1)) компланарны, кроме Cα (i+1). Cα (i+1) атом каждого аминокислотного остатка не принадлежит плоскости пептидной группы, благодаря чему происходит сворачивание полипептидной цепи в конформеры вторичной структуры белка (правая α-спираль, β-тяж, левая 3/10-спираль) ещё в рибосоме (рис. 2), а не после синтеза полипептидной цепи из практически единственного транс-изомера (цис-изомер только у пролина) в виде плоской ленты, сворачивание которой достигается поворотами на углы φ и ψ по связям СО—Cα и NH—Cα, как предполагали ранее [9, с. 134]. Пластичность структурного шаблона в ходе посттрансляционного фолдинга и конформационная подвижность белка при взаимодействии с лигандами достигаются единственно возможным поворотом по оси связи NH—Cα на приращение угла ψ, кратное 120о [5, с. 139].


^ Правый (R) ротамер пептидной связи


ω = ωo + 0oo ≈ 35o)



Нулевой (0) ротамер пептидной связи


ω = ωo + 120o o ≈ 35o)



^ Левый (L) ротамер пептидной связи


ω = ωo + 240o o ≈ 35o)





O


ω

N


R2

Cα+1


H


C


Cα


R1





Рис. 2. Схема образования правого (R), нулевого (0) и левого (L) ротамерных вариантов пептидной связи.


Данный механизм трансляции генетической информации является эволюционно новым. Его формирование у эукариот было обусловлено необходимостью синтеза больших и сложных белков в виде структурного шаблона, максимально приближенного к функциональной конформации этих белков, чтобы их фолдинг имел наибольшие скорость и КПД. У прокариот и органелл эукариот (митохондрии, хлоропласты) третий нуклеотид кодонов в генах небольших полипептидов ещё не является информационным, поэтому на нём и наблюдается воблирование по описанному Ф. Криком механизму [12, с. 368]. Это обусловлено отсутствием пула изоакцепторных тРНК с модифицированными нуклеотидами в первом положении антикодона [6, с. 11] и нередко отсутствием филогенетически более молодых областей в структуре тРНК [15, с. 6730], т.е. недоразвитием звена, реализующего информацию третьего нуклеотида.

Выше изложенные положения легли в основу алгоритма компьютерных программ Secondary Structure Protein (SSP) и Three-dimension Structure Protein (TSP), которые по нуклеотидной последовательности мРНК позволяют смоделировать схему вторичной структуры и визуализировать индивидуальный структурный шаблон любого белка. Эту первичную информацию о белке можно использовать в дальнейшем моделировании фолдинга функциональной конформации белка с учетом физ-химии его микроокружения, посттрансляционных модификаций, взаимодействия с лигандами методами молекулярной динамики наравне с информацией о наиболее стабильном конформере, которую извлекают из рентгенограмм кристаллов белков. Преимущество данного подхода состоит в возможности быстрого моделирования индивидуальной пространственной структуры отдельной молекулы любого белка (даже если он не кристаллизуется, и никогда не сворачивается, как, например, регулятор клеточного деления Sic1 [11, с. 152]) с точностью до электрона (пикотехнология), опираясь лишь на информацию о нём в геноме. То есть, мы in silico воспроизводим трансляцию генетической информации в индивидуальный структурный шаблон белка, а не занимаемся поиском самой стабильной или «быстро достигаемой» устойчивой его конформации из 10100 возможных [14, с. 44], как это происходит при конформационном анализе поверхности потенциальной энергии молекулы белка громоздкими методами систематического поиска, Монте-Карло или молекулярной динамики с целым рядом ограничений и приближений [10, с. 41]. Не исключено, что большинство белков именно из конформации своего структурного шаблона максимально быстро, а главное однозначно, фолдируют в нативную конформацию с минимумом свободной энергии, формируя, таким образом, «устойчивое большинство» конформационно лабильного белкового пула.


Гистоновый комплекс 5

H2A + Н2В_DROME

(P84051, P02283)


Шаперон

A0KFQ4_AERHH (A0KFQ4)


Суперспираль коллагена

CO2A1_HUMAN (Р02458)







Белковый комплекс

τ-протеина с α-тубулином

TAU_HUMAN + TBA1A_HUMAN



Инсулин

INS_HUMAN (Р01308)


Лизоцим

LYSC_CHICK (P00698)









Рибонуклеаза Н1

RNH_ECOLI (P0A7Y4)



Аполипопротеин Е

APOE_HUMAN (P02649)


Гемоглобин (А-цепь)

HBA_HUMAN (P69905)








Рис. 3. Пикотехнологические модели структурных шаблонов некоторых белков и их комплексов.

В последнее время А.С. Спирин, отклоняясь от постулата о матричном синтезе белка в виде развёрнутой полипептидной цепочки [7, с. 5], предположил, что в самой рибосоме полипептид синтезируется сразу в виде α-спирали и по желобу выталкивается наружу по мере трансляции мРНК [8, с. 437]. Этой прогрессивной гипотезе, которая основывается на подавляющем (74%) большинстве «спиральных» кодонов в генах эукариот, остался один шаг до представления о трансляции структурного шаблона белка не только в виде α-спирали.

С помощью пикотехнологии были декодированы и смоделированы структурные шаблоны более 100 белков (рис. 3), сопоставительный анализ которых с экспериментальными данными Protein Data Bank (PDB) позволил подтвердить предположение о генетически закодированных размерах и местоположении конформеров вторичной структуры в нативной конформации этих белков [18, c. 348].

Итак, пикотехнология – это современный, точный и удобный методологический подход в арсенале молекулярной биологии для моделирования пространственной структуры белков, исходя из той информации генома о них, которой располагает сама клетка.


Список литературы


  1. Кушелев А., Полищук С., Писаржевский С. Формы, механизмы, энергия наномира: Доступна ли энергия эфира для космических полётов? // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2002. – № 6. – С.72–76.

  2. Кушелев А.Ю., Полищук С.Е., Неделько Е.В. и др. Построение масштабной модели структуры белка // Актуальные проблемы современной науки. – 2002. – № 2. – С. 236–243.

  3. Нанонаука и нанотехнологии: энциклопедия систем жизнеобеспечения / Моск. гос. техн. ун-т им. Н. Э. Баумана; ред. О. О. Аваделькарим; гл. ред.: Чуньли Бай, С. П. Капица. — М.: Магистр-Пресс : Изд-во ЮНЕСКО : EOLSS, 2009. — 991 с.

  4. Огжевальский З.И. 1972. Пространственные модели атомов, молекул и кристаллов. Москва, 1972. – 118 c.

  5. Соколик В.В. Карта Рамачандрана: ротамерия пептидной связи и фолдинг белка // VII Международная научно-техническая конференция «Актуальный вопросы биологической физики и химии». БФФХ-2011, Севастополь. – 2011. – С.137–139.

  6. Соколик В.В. Загадка изоакцепторных тРНК // II Всероссийская Интернет-Конференция «Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии», Казань. – 2011. – С. 11-15.

  7. Спирин А.С. Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – № 6. – С. 2–7.

  8. Спирин А.С. Молекулярная биология: рибосомы и синтез белка. – М: «Академия», 2011. – 496 с.

  9. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. - М.: Книжный дом «Университет», 2002. – 298 с.

  10. Хёльтье Х.-Д., Зиппль В., Роньян Д., Фолькерс Г. Молекулярное моделирование. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 320 с.

  11. Chouard T. Structural biology: Breaking the protein rules // Nature. – 2011. – V. 471, № 7337. – P. 151–153.

  12. Crick F.H.C. The Origin of the Genetic Code // J. Mol. Biol. 1968. – V. 38. – P. 367379.

  13. Fink A.L. Natively unfolded proteins // Curr. Opin. Struct. Biol. – 2005. – V.14, № 1. – P. 35-41.

  14. Levinthal C. Are there pathways for protein folding // J. Chim. Phys. – 1968. – V. 65. – P. 44–45.

  15. Maizels N., Weiner A.M. Phylogeny from function: Evidence from the molecular fossil record that tRNA originated in replication, not translation. // Proc.Nat.Acad.Sci.USA. – 1994. – V. 91, № 15. – P. 6729–6734.

  16. Ratner M., Ratner D. Nanotechnology: a gentle introduction to the next big idea, 2003. – 195 p.

  17. Snelson K. A design for the atom // Industrial design. – 1963. – № 1. – P. 48–57.

  18. Sokolik V.V. Protein is coded in genome and synthesized in ribosomes as a structural template of a rotameric version sequence of peptide bound configuration // The International Moscow Conference on Computational Molecular Biology, МССМВ-11, Moscow. – 2011. – P. 347–348.

  19. Sokolik V.V. Modeling of the individual structural template of protein on determining it nucleotide sequences // VII Международная конференция по биоинформатике, регуляции и структуры геномов и системной биологии. BGRS\SB-2010, Новосибирск. – 2010. – С. 275.

  20. Sokolik V.V. Algorithm of protein structural template decoding according to its determined nucleotide sequence // Fist International Conference “Fundamental medicine: From scalpel toward Genome, Proteome and Lipidome”, Pax Grid Virtual Conferences, Kazan. – 2011. – P. 117–119.




Похожие:

Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconВ. В. Соколик, канд биол наук, с н. с лаборатории биохимии гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» (г. Харьков) структурные предпосылки агрегации β-амилоидного пептида
Наличие возможных элементов вторичной структуры в β-амилоидном пептиде 1-40(42) изучали используя таблицу генетического кода пространственной...
Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconСтруктура
Фрагменты пространственной структуры биополимер, имеющие периодическое строение полимерного остова, рассматривают как элементы вторичной...
Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconАлгоритм ssp – Secondary Structure Protein
Я попыталась пошагово описать процесс декодирования вторичной структуры белка всячески избегая биологической терминологии
Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconКомплементарная многократная эмпирическая декомпозиция: новый шум расширил метод анализа данных
Этот новый метод дает imf с rms, аналогичным eemd, но он эффективно устранил шум остатка в imf. Проведены численные эксперименты,...
Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconНовый подход к оптимизации фондового портфеля в нечеткой постановке задачи
Недосекин А. О. Новый подход к оптимизации фондового портфеля в нечеткой постановке задачи
Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconНовый методологический подход в исторической психологии. Занимаясь исторической психологией по теме «реконструкция средневековой личности»
В связи со всем вышеперечисленным, метод палеопсихологической реконструкции следует понимать как своеобразный системный историко-психологический...
Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconЭто белка. Белка любит оре

Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconИстория исследования белка
На основе данной формулы Данилевский полагал, что в молекуле белка содержится 40 таких углеазотных комплексов. Отдельные углеазотноаминокислотные...
Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconУрока: Тема урока: Биосинтез белка. Синтез полипептидной цепи на рибосоме. Содержание Значение белков Биосинтез белка

Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка кушелев А. Ю. 1, Соколик В. В. 2 iconНечеткий dpbp и новый подход к рациональному отбору инвестиционных проектов
Недосекин А. О. Нечеткий dpbp и обновленный подход к рациональному отбору инвестиционных проектов
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов