В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» icon

В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины»



НазваниеВ. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины»
Дата конвертации27.08.2012
Размер72.93 Kb.
ТипДокументы

УДК 547.963.3, 577.322.4

В.В. Соколик, к.б.н., с.н.с.

ГУ «Институт неврологии, психиатрии и наркологии АМН Украины», 61068, г. Харьков, ул. Академика Павлова, 46; Sokolik67@rambler.ru

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА ПО ДЕТЕРМИНИРУЮЩЕЙ ЕГО НУКЛЕОТИДНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ


В настоящее время алгоритмы моделирования пространственной структуры белка исходят из его аминокислотной последовательности. В этом заслуга Anfinsen С.B., который первым указал на наличие взаимосвязи между последовательностью аминокислотных остатков и конформацией биологически активной молекулы белка: «… необходимая [для сворачивания белка] информация заключена в линейной последовательности аминокислот пептидной цепочки и никакой дополнительной генетической информации, больше той, что содержится в ДНК, не требуется» [Anfinsen С.B., 1957]. Поэтому дальнейшее развитие этого направления исследований вылилось в классификацию аминокислот по способности входить в состав определённых вторичных структур в зависимости от свойств их боковых радикалов. В последнее время на основе анализа экспериментального материала и результатов физического моделирования были предприняты попытки найти генетический код пространственной структуры белка, по аналогии с генетическим кодом его аминокислотной последовательности [Карасёв В.А., 2009]. Однако, вновь всё свелось к характеристикам аминокислотных остатков в зависимости от дуплета первых двух нуклеотидов кодона, при этом определяющая роль отводилась второму нуклеотиду в триплете. Хотелось бы обратить внимание на то, что при обсуждении аминокислотной последовательности белка из понятия его первичной структуры невольно ускользает рассмотрение пептидных связей между аминокислотными остатками. Подразумевают, что пептидные связи одинаковые, а это не так.

В данной работе вводится понятие конфигурации пептидной связи (КПС), в качестве основного кодируемого в геноме элемента пространственной структуры белка, а точнее его структурного шаблона. Сложность ситуации с моделированием пространственной структуры белка по его аминокислотной последовательности обусловлена ещё и монополией атомных моделей, в своё время разработанных Pauling L. и Crick F., которые не предусматривают возможности дискретности различных конфигураций химической (в частности пептидной) связи, а тем более её визуализации [Pauling L., 1951].

Нами были использованы кольцегранные модели атомов и молекул для демонстрации формирования основных элементов вторичной структуры белка в зависимости от ротамерного варианта КПС между смежными аминокислотными остатками. Кольцегранная модель атома была предложена Snelson K. [Snelson K., 1963], получила своё физическое обоснование в монографии Огжевальского З.И. [Огжевальский З.И., 1972] и дальнейшее развитие для моделирования белков в работах Кушелева А.Ю. [Кушелев А.Ю., 2002].
Данные модели позволили дифференцировать три ротамерных варианта КПС: R (right), 0 (ноль) и L (left). Привлекать понятие ротамерной конфигурации химической связи, вообще, и пептидной, в частности, целесообразно для химической связи между двумя несимметричными группами атомов в сложной молекуле или полимере, как, например, в аминокислотах или белках. Три аминокислоты (серин, лейцин и аргинин) имеют ротамеры, для которых предусмотрены разные кодоны. В молекулах глицина или аланина варианты конфигураций химических связей неотличимы друг от друга вследствие отсутствия или симметричности их боковых радикалов. Для остальных аминокислот теоретически возможно не менее трех поворотных изомеров по С-С связи, присоединяющей их боковые радикалы к остову молекул. Однако в геноме кодируется только один из них, обладающий наибольшей стабильностью вследствие заторможенной конфигурации, в отличие от менее стабильных, заслонённых.

Известно, что энергетические барьеры, разделяющие ротамеры, не превышают ~100 кДж/моль, поэтому времена их жизни в индивидуальном состоянии составляют ~10-5—10-13 с. Это, на первый взгляд, делает бессмысленным детерминирование в геноме определённого ротамерного варианта КПС, если не принять во внимание, что в составе полипептида он дополнительно фиксирован внутримолекулярными водородными связями.

Установили, что повторение в белке R-КПС заставляет его полипептидную цепочку сворачиваться в правую спираль, повторение 0-КПС – в β-тяж, а повторение L-КПСв левую спираль. Чередование R, 0 и L-КПС обусловливает неупорядоченный участок полипептидной цепи или выпетливание между фрагментами с вторичной структурой.

Как же кодируется структурный шаблон пептидных связей белка и как этот код реализуется? На основе эмпирической таблицы композиционного генетического кода [Кушелев А.Ю., 2002] нами была составлена ^ таблица генетического кода пространственной структуры белка, в которой каждому кодону кроме аминокислотного остатка поставлен в соответствие один из трёх ротамерных вариантов КПС (R, 0 или L).

В данном исследовании предположили, что не геометрия третьего нуклеотида кодона определяет ротамерный вариант КПС между смежными аминокислотными остатками полипептидной цепи, как это следует из таблицы генетического кода пространственной структуры белка. КПС детерминирована направлением водородных связей между третьим нуклеотидом кодона иРНК и первым нуклеотидом антикодона тРНК, что и определяет ориентацию в пространстве всей аминоацил-тРНК в процессе удлинения полипептидной цепи на один аминокислотный остаток. Важно отметить, что пространственные ориентации пар G—C и C—G подобны, поэтому они определяют одну конфигурацию пептидной связи, и отличаются от пар А—U и U—A на угол в 120о. Если допустить, что изоакцепторные тРНК для одного аминокислотного остатка имеют одинаковые пространственные структуры и различаются между собой только первым нуклеотидом антикодона, то угол поворота присоединяемого аминокислотного остатка относительно растущей полипептидной цепи будет 0о для пары А—U, +120о для пары U—A и -120о для пар G—C и C—G. Эта геометрия коррелирует с характеристиками вторичных структур: в β-тяже (0о, А—U) почти нет закручивания, правая (-120о, G—C и C—G) и левая (+120о, U—A) спирали закручиваются против и по часовой стрелке, соответственно.

Экспериментально установлено, что разновидностей среди правых и левых спиралей больше, чем это задаётся структурным шаблоном пептидных связей: 2/7, 3/10, α, π и др. Поэтому, последовательность ротамерных вариантов КПС в спирали определяет только направление закручивания: правая или левая спираль, а разнообразие спиралей определяется свойствами боковых радикалов аминокислотных остатков, формирующих виток спирали. Таким образом, разновидность спирального фрагмента белка кодируется дуплетом первых двух нуклеотидов, а её наличие и направление закручивания – третьим нуклеотидом кодонов. Из приведенного положения следует, что на основе структурного шаблона правой спирали, благодаря взаимодействию боковых радикалов аминокислотных остатков, может быть сформирована правая α-спираль, правая спираль 3/10, правая π-спираль, правая 2/7 спираль и никогда – β-тяж или любая разновидность левой спирали. Для трансформаций вида: правая спираль ↔ β-тяж ↔ левая спираль ↔ правая спираль необходимо изменение ротамерного варианта КПС. В то время как, в разновидностях правой (или левой) спиралей наблюдается лишь некоторая деформация пептидных связей без изменения их конфигурации.

Конфигурация пептидной связи R- или L-вида является только необходимым условием формирования витка правой или левой спирали. Достаточными условиями существования спиральной структуры есть система водородных связей между атомами пептидных групп соседних витков, стабилизирующих вторичную структуру, наличие 3-4 и более подряд аминокислотных остатков, кодируемых триплетами с G/С (U) в третьем положении кодона, а также свойства боковых радикалов аминокислот. Наиболее полная разработка проблемы достаточного условия для правых α- и 3/10 спиралей представлена в работе Карасёва В.А. [Карасёв В.А., 2009], где автор привлекает модели графов связности/антисвязности для дифференциации аминокислотных остатков по характеристикам боковых радикалов. Там же представлена матрица топологического генетического кода, в которой ведущая роль в кодировании аминокислот отводится второму нуклеотиду триплета: для операторов антисвязности это пиримидины (C и U), операторов связности – пурины (A и G). В связи с ретроградным направлением боковых радикалов аминокислотных остатков в витке правой спирали топологический код не распространяется на первые 2-3 аминокислотных остатка спирального фрагмента полипептидной цепи. Например, пролин в начале такого фрагмента способствует вхождению полипептидной цепи в правую спираль, тогда как в любой другой позиции вызывает прерывание спирального фрагмента. Аналогично, в связи с сонаправленной росту спирали ориентацией боковых радикалов аминокислотных остатков в витке левой спирали топологический код не распространяется на последние 2-3 аминокислотных остатка спирального фрагмента полипептидной цепи.

Таким образом, использование таблицы генетического кода пространственной структуры белка даёт возможность по детерминирующей его нуклеотидной последовательности построить структурный шаблон из последовательности ротамерных вариантов КПС, а также декодировать положение элементов вторичной структуры с точностью до 1 аминокислотного остатка. Визуализировать такой структурный шаблон, а точнее ход основной полипептидной цепи, можно в графическом редакторе Ggenedit.exe. В основе алгоритма этой программы лежит соответствие между кодонами и ротамерными вариантами КПС, которое детерминирует углы в композиции смежных аминокислотных остатков.

Вышеприведенным способом только на основе информационного ресурса базы данных нуклеотидных последовательностей EMBL были смоделированы структурные шаблоны и установлена вторичная структура для таких белков и пептидов, как основной актин, α-актин1, аполипопротеин Е3, семейство белков синуклеинов (α, β и γ), α-субъединица гемоглобина, β-амилоидные пептиды 1-40 и 1-42, белок хантингтонг, прионы.

В заключение несколько слов о перспективе развития излагаемого подхода к моделированию пространственной структуры белка. По нуклеотидной последовательности можно декодировать и построить структурный шаблон белка. Но следует учитывать, что мы получаем не конечный вариант нативной конформации белка, а тот его прототип, который сходит с рибосомы, поскольку информация о посттрансляционной модификации белка, синтезированного de novo на рибосоме, не содержится в детерминирующей его нуклеотидной последовательности. Речь идёт о таких модификациях, как гликозилирование, сульфатирование, сиалирование, ограниченный протеолиз, димеризация и др., моделирование которых предполагает другие алгоритмы программ. Это не умаляет значимости описанного в данной работе подхода, а напротив свидетельствует о том, что он должен служить фундаментом в моделировании пространственной структуры белков по детерминирующих их нуклеотидным последовательностям путём построения персонального структурного шаблона. В то же время, хорошо разработанная методология моделирования молекулярной динамики и сопоставительного моделирования, опирающаяся на аминокислотные последовательности белков, должна работать надстройкой на этом фундаменте, позволяя оптимизировать пространственную структуру такого шаблона с учётом взаимодействий боковых радикалов аминокислотных остатков. До сих пор, эта надстройка была «колосом на глиняных ногах», барахтаясь в бесконечном море вероятностей в надежде преодолеть или обойти несуществующий парадокс Левинталя [Levinthal C., 1968].




Похожие:

В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconСнипы в третьем положении кодонов практически не встречаются в генах, детерминирующих мутантные белки в. В. Соколик гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины»
Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины», г. Харьков, Украина; sokolik67@rambler ru
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconПространственная структура гомологов основного актина и ?-актина 1 различна в. В. Соколик гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины»
Установлена различная пространственная структура для основного актина и ?-актина 1 с 91% идентичностью аминокислотных последовательностей...
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconРоль конформационной патологии в реализующих механизмах старения в. В. Соколик гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины»
Данный механизм характерен для целого ряда нейродегенеративных заболеваний, клиническое проявление которых совпадает с началом этапа...
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» 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...
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconКровотечения
Кабинета Министров Украины; кафедра анестезиологии, реаниматологии и медицины катастроф Национального медицинского университета им....
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconЭкзогенные психические расстройства
...
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconРешение Об отмене решения Седовского поселкового совета от 28. 09. 2009 г
Конституции Украины, ст. 25, ст. 26 Закона Украины «О местном самоуправлении в Украине», ст. 59, п. 3 ст. 62 Земельного Кодекса Украины,...
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconНаучный совет по физиологии человека ан СССР и амн СССР институт физиологии им. И. П. Павлова
Фролькнс В. В., Мурадян X. К. Экспериментальные пути продления жизни. — Л.: Наука, 1988. — 248 с
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconЛабораторное исследование (аназизы) воды. Артезианские скважины: нрбу-97 (п 6 ) санпин 4-171-10: Радионуклиды
Исследования проводятся в лаборатории радиационного мониторинга гу игмэ амн украины. Ответственное лицо – Бузынный Михаил Георгиевич,...
В. В. Соколик, к б. н., с н. с. Гу «Институт неврологии, психиатрии и наркологии амн украины» iconЛабораторное исследование (аназизы) воды. Артезианские скважины: нрбу-97 (п 6 ) санпин 4-171-10: Радионуклиды
Исследования проводятся в лаборатории радиационного мониторинга гу игмэ амн украины. Ответственное лицо – Бузынный Михаил Георгиевич,...
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