WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Показано, что во всех типах коллагенов спиральные параметры варьируют вдоль молекулы, однако распределение параметров, определяемое последовательностью аминокислот, отличается в разных типах коллагенов, что позволяет сделать вывод о различных адсорбирующих свойствах поверхностей макромолекул различных типов и этим объяснить разницу в их функциональных характеристиках. Отметим вариации не только углов поворота, но и проекций остатков на ось спирали. Наиболее значимой представляется тенденция к различию проекций остатков на ось спиралей на участках с пролином во вторых положениях и аминокислотой во вторых положениях в триплетах аминокислот. Обращает на себя внимание факт, что проекции остатков на ось спирали в гомополитрипептидах отличаются от тех значений, которые участки этих o Угол перехода между асимметричными единицами, o Угол перехода между асимметричными еденицами, последовательностей приобретают в коллагенах. Однако во всех случаях в триплетах с пролином проекции остатков на ось спирали меньше, чем без него.

Оценка модуля Юнга и персистентной длины фибриллярных макромолекул.

Вариации параметров спирали побудили нас проанализировать степень жесткости поддержания молекулярных параметров макромолекулы. Для этого мы предприняли исследование персистентной длины макромолекул коллагена, а в качестве показателя жесткости использовали модуля Юнга. Помимо оценки достоверности различий в рельефе поверхности, это оказалось важным для установления степени устойчивости параметров молекулы в процессах фибриллогенеза.

Для растяжения стержня, сделанного из материала с модулем Юнга E, сечением S и длиной l0 на величину l потребуется затратить энергию U, равную:

l l ESl0 l U = ES l =.

l0 2 lОтождествим энергию деформации с энергией взаимодействий атомов в макромолекуле, вычисленной методами молекулярной механики.

Для оценки модуля Юнга при помощи программы ICM путем добавления к полной конформационной энергии молекулы штрафной функции, зависящей от расстояния между ее концами, и последующей оптимизации структуры по энергии с учетом этой штрафной функции, были получены ансамбли структур с разной степенью изменения первоначальной длины молекулы. Механическим аналогом добавления к полной конформационной энергии штрафной функции (как квадрат зависящей от изменения длины молекулы) с хорошей точностью является сила, приложенная к концам молекулы.

При малых деформациях изменение конформационной энергии квадратично зависит от степени сжатия/растяжения. Таким образом, модуль Юнга E выражается так:

2ClE =, V где l0 - длина молекулы в направлении деформации, V - объем молекулы, C - коэффициент при l2 в разложении в ряд Тейлора конформационной энергии U(l).

При верификации предложенной процедуры оценки модуля Юнга и персистентной длины был использован детально изученный экспериментально объект – ДНК.

Персистентная длина L, определялась как:

- 2 E 1 L =+, kBT IY IZ где IY и IZ - моменты инерции относительно двух взаимно перпендикулярных направлений к оси молекулы. Она оказалась близкой к экспериментально определенной.

Таким образом при проведении этих расчетов была показана применимость данного метода к анализу механических параметров макромолекул.

Рассматривая трехспиральную макромолекулу коллагена как упругий стержень, мы оценили модуль Юнга для коллагеновых молекул разного состава. Расчеты персистентных длин показали, что для молекул разных типов всегда персистентная длина существенно больше размеров молекул, т.е. это означает, что обнаруженные в расчетах тонкие различия в элементах архитектуры макромолекулы имеют физический смысл.

Глава пятая. Обсуждение результатов.

При обсуждении результатов во-первых отметим практическое совпадение структуры расчетного фрагмента и соответствующего ему по последовательности олиготрипептида, структура которого установлена методом рентгеноструктурного анализа (1bkv). На рис. 11 это сходство структур продемонстрировано.

Рис. 11. Совмещение двух структур: 1BKV(рентгеноструктурный анализ) и та же структура, полученная нами расчетным путем.

Проведен исчерпывающий стереохимический анализ полученной в результате расчетов структуры. Показано, что при отсутствии дополнительных начальных условий в любой части коллагеновой молекулы генерируется трехспиральная структура с симметрией, соответствующей симметрии дифракционной картины коллагена. Таким образом, рассчитанная структура удовлетворяет требованиям, предъявляемым рентгенографическими экспериментами. Впервые на гомополитрипептидах удалось получить спиральные параметры, близкие к определяемым экспериментально, причем это характерно и для фрагментов с аминокислотой во вторых положениях триплетов аминокислот. Отметим, что, как и в эксперименте, прежде всего именно проекции остатков на ось спирали на участках, содержащих иминокислоты, в целых коллагенах в среднем длиннее, чем в гомополитрипептидах.

--y = 1.0327x2 - 142.12x + 4290.--y = 0.7758x2 - 112.73x + 3559.------580 ----------66 68 70 72 74 76 78 63 65 67 69 71 73 Длина молекулы, А Длина молекулы, А Рис. 12. Зависимость энергии межатомных Рис. 13. Зависимость энергии межатомных взаимодействий в олиготрипептиде с взаимодействий в олиготрипептиде с последовательностью (GPO)8 от длины последовательностью (GАO)8 от длины молекулы. молекулы.

--y = 0.6857x2 - 105.29x + 3612.---Рис. 14. Зависимость энергии межатомных --взаимодействий в олиготрипептиде с -последовательностью (GАА)8 от длины --молекулы.

--70 72 74 76 78 80 82 Длина молекулы, А С точки зрения процедуры нахождения структуры по минимуму энергии это выглядит как очевидное противоречие. На рис. 12, 13, 14 показана зависимость энергии межатомных взаимодействий в трехцепных макромолекулах с разной последовательностью во-вторых и третьих положениях трипептидов от длины макромолекулы. Видно, что существует минимум при растягивании молекулы. Это ккал/моль ккал/моль Конформационная энергия, Конформационная энергия, ккал/моль Конформационная энергия, означает, что под влиянием растянутых форм участков ГАА будут подвержены растяжению и участки с пролином. При этом последние попадают в свой локальный минимум, соответствующий растянутому состоянию.

Методами молекулярной механики впервые рассчитаны структуры трехспиральных макромолекул коллагенов разных типов с процедурой минимизации боковых радикалов. Это позволило установить сложную по сути зависимость структуры поверхности одиночных макромолекул коллагенов от последовательности аминокислот, что объясняет различные рецепторные свойства различных участков макромолекулы.

В ходе работы применен специально разработанный метод расчета спиральных параметров для молекул, не обладающих строгой спиральной симметрией, что даст возможность практически для всех фибриллярных макромолекул рассчитывать дифракционные картины, а, следовательно, сравнивать расчетные и рентгенографические данные, сколь бы усредненными они ни были.

Установлено, что последовательность аминокислот, не изменяя типа симметрии спирали, определяет чередование вдоль цепи участков с одной и двумя водородными связями на трипептид. При этом водородные связи и в первом и во втором случаях имеют CO-группу второго остатка в качестве акцептора Н-связи, NH-группу глицина в Рис. 15. Распределение периодов качестве первого донора протона. В случае, параметров спирали вдоль если вторым остатком в триплетах гли-x-y макромолекулы коллагена.

является аминокислота, у CO-группы второго остатка появляется второй, соединенный с ним донор - NH-группа второй аминокислоты соседней, второй цепи.

Таким образом, была обоснована двусвязная модель структуры коллагена и нашли объяснение многочисленные физико-химические данные, прежде всего данные о роли тройной спирали в дополнительной стабилизации участков пространственной структуры коллагенов без пролинов во вторых положениях триплетов аминокислот.

Показано периодическое распределение параметров спирали вдоль макромолекулы коллагена (рис. 15), что показывает направление сборки макромолекул в фибриллу.

ВЫВОДЫ 1. Рассчитаны полные пространственные структуры трехспиральных макромолекул коллагенов человека I, II, III, V и XI типов с оптимизацией конформаций боковых радикалов. Расчет проведен специально развитым методом молекулярной механики, включающим разработанный метод анализа спиральных параметров для молекул, не обладающих строгой спиральной симметрией.

2. Разработан метод редукции набора конформаций боковых радикалов из библиотек ротамеров, позволяющий существенно сократить вычислительную сложность задачи нахождения оптимальной конформации боковых радикалов. Показана асимптотическая эквивалентность различных подмножеств, полученных методом редукции полной библиотеки конформаций боковых радикалов.

3. Установлено, что последовательность аминокислот, не изменяя типа симметрии спирали, определяет чередование вдоль цепи участков с одной или двумя водородными связями на трипептид. При этом вторая сетка водородных связей всегда образуется на участках с аминокислотой во втором положении триплета. Таким образом, доказана пригодность двусвязной модели для описания структуры коллагена.

4. Показано, что СО-группы остатка глицина и третьего по цепи остатка находятся на поверхности тройного комплекса макромолекулы коллагена и симметрически эквивалентны друг другу. Это определяет независимость гидратации макромолекулы коллагена от последовательности аминокислот, т.е. объясняет фундаментальный факт ткане-, а не видоспецифичности гидратации коллагенов разного типа и разного происхождения.

5. Рассчитаны параметры спиралей для пяти типов коллагенов. Показана негладкость распределения параметров спиралей вдоль оси макромолекул и периодичность, соответствующая периодичностям в последовательности аминокислот, что свидетельствует о различном сродстве участков одиночных макромолекул друг к другу. Различия в периодичностях распределения спиральных параметров в разных типах коллагенов свидетельствуют о различных формах фибриллогенеза в них.

6. Проведена оценка модуля Юнга и персистентной длины для структур коллагенового типа. Показано, что персистентная длина коллагена существенно больше размера макромолекулы, что позволяет сделать вывод об участии недеформированных макромолекул коллагена в фибриллогенезе, что подчеркивает одновременную роль негладкости и периодичности распределения параметров спирали в определении типа фибриллогенеза.

7. Обнаружен глобальный минимум конформационной энергии, возникающий при растяжении трехспиральных макромолекул. При этом величины проекции остатков на оси спиралей становятся ближе к данным рентгенографических исследований коллагенов различного происхождения. Это позволяет прежположить существование механизма растягивания макромолекул коллагена в клетке.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. И.В. Филатов, Ю.В. Мильчевский, Н.Г. Есипова, В.Г. Туманян. Расчет структуры фрагментов молекулы коллагена. Биофизика, 2004, том 49, вып. 6, с. 1047-1052.

2. И.В. Филатов, Ю.В. Мильчевский, Н.Г. Есипова, В.Г. Туманян. К проблеме анализа конформаций боковых радикалов в методах молекулярной механики. О возможностях редукции библиотеки конформаций боковых радикалов для -спиральных белков.

Биофизика, 2004, том 49, вып. 6, с. 1144-1146.

3. С.Р. Амирова, Ю.В. Мильчевский, И.В. Филатов, Н.Г. Есипова, В.Г. Туманян.

Исследования -изгибов в глобулярных белках. Биофизика, 2005, том 50, вып. 6, с. 11501152.

4. Filatov I.V., Milchevsky Ju.V., Esipova N.G., Tumanyan V.G. Сomputation of the three dimensional structure of the human type (III) collagen, International Conference On Bioinformatics Of Genome Regulation And Structure, Новосибирск, 2004, P. 262.

5. Amirova S.R., Machavariani M.A., Filatov I.V., Milchevsky Ju.V., Esipova N.G., Tumanyan V.G. Combined approach to protein secondary structure prediction, International Conference On Bioinformatics Of Genome Regulation And Structure, Новосибирск, 2004, P. 231.

6. Филатов И.В., Мильчевский Ю.В., Опарина Н.Ю., Туманян В.Г., Есипова Н.Г., расчет трехмерной структуры молекулы коллагена III человека, III съезде биофизиков России, Воронеж, 2004, c. 133.

7. Filatov I.V., Milchevsky Ju.V., Esipova N.G., Tumanyan V.G., Refinement and Analysis of Three-Dimensional Structure of Human Collagen types II and III, Moscow Conference on Computational Molecular Biology, Москва, 2005, P. 99-100.

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»