Пространственная структура гомологов основного актина и α-актина 1 различна в. В. Соколик



жүктеу 120.62 Kb.
Дата17.06.2016
өлшемі120.62 Kb.
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ГОМОЛОГОВ ОСНОВНОГО АКТИНА И α-АКТИНА 1 РАЗЛИЧНА
В.В. Соколик

ГУ «Институт неврологии, психиатрии и наркологии АМН Украины», Харьков, Украина
Разработан новый способ моделирования пространственной структуры белка по детерминирующей его нуклеотидной последовательности. Вводится понятие конфигурации пептидной связи в качестве основного, кодируемого в геноме наряду с аминокислотами, элемента пространственной структуры белка. Представлена таблица генетического кода пространственной структуры белка, используя которую можно построить персональный структурный шаблон последовательности конфигураций пептидных связей белка, а также декодировать наличие и положение фрагментов его вторичной структуры. Установлена различная пространственная структура для основного актина и α-актина 1 с 91% идентичностью аминокислотных последовательностей и всего лишь с 35% схожести последовательностей конфигураций пептидных связей.
В настоящее время алгоритмы моделирования пространственной структуры белка исходят из его аминокислотной последовательности [1]. 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» [2]. Поэтому дальнейшее развитие этого направления исследований вылилось в классификацию аминокислот по способности входить в состав определённых вторичных структур в зависимости от свойств их боковых цепей. 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 [3]. Однако вновь всё свелось к характеристике аминокислотных остатков в зависимости от дуплета первых двух нуклеотидов кодона, при этом определяющая роль отводилась второму нуклеотиду триплета [4, 5].

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 они абсолютно 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.



Привлекать понятие 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 (рис. 1). Известно, что различные пространственные формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг σ-связей С–С, называют ротамерами или поворотными изомерами [6]. Три аминокислоты (серин, лейцин и аргинин) имеют ротамеры, для которых предусмотрены разные кодоны [7]. В молекулах глицина или аланина варианты конфигураций химических связей неотличимы друг от друга вследствие отсутствия или симметричности их боковых цепей (рис. 1).

Ротамеры серина

Глицин

Аланин

Serλ UC C(А,U,G)

Serθ AG C(U)

Gly GG C(А,U,G)

Ala GC C(А,U,G)

straight arrow connector 60curved right arrow 58straight connector 10straight arrow connector 1

straight arrow connector 1straight connector 1

straight arrow connector 3curved up arrow 61straight connector 1

straight arrow connector 69straight arrow connector 80curved down arrow 1

Рис. 1. Кольцегранные модели поворотных изомеров серина. Глицин и аланин не имеют поворотных изомеров. Маркировка ротамеров аминокислот соответствует первоисточнику [7].
Для остальных аминокислот теоретически возможно не менее трех поворотных изомеров по С-С связи, присоединяющей их боковые цепи к остову молекул. Однако в геноме кодируется только один из них, обладающий наибольшей стабильностью вследствие заторможенной конфигурации, в отличие от менее стабильных заслонённых. Показано, что энергетические барьеры, разделяющие ротамеры, не превышают ~100 кДж/моль, поэтому времена их жизни в индивидуальном состоянии ~10-5—10-13 с [8]. Это делает бессмысленным детерминирование в геноме определённого варианта ротамера аминокислотного остатка, если не принять во внимание, что в составе полипептида он дополнительно фиксирован внутримолекулярными водородными связями.

Аналогичным образом на примере кольцегранных моделей димера аланина были выделены три варианта КПС R, 0 и L (рис. 2). Присоединяемая к фиксированной нижней модели аланина верхняя модель этой аминокислоты имеет три варианта оринтации в пространстве относительно оси симметрии, проходящей через пептидную связь.




Конфигурация пептидной связи


R


0


L


Фото

поворотных

изомеров по

пептидной связи на примере

димера аланина

autoshape 231

autoshape 232

autoshape 233

Кодон

XYC или XYG

XYA

XYU

Вариант вторичной структуры

правая спираль

β-тяж

левая спираль


Фото

вторичной структуры

полиаланина

curved up arrow 41

up arrow 9

curved up arrow 40

Нуклеотидная последовательность


(XYC/G)n


(XYA)n


(XYU)n

Рис. 2. Варианты конфигураций пептидной связи (R – правая, 0 – нулевая и L - левая) в трёх базовых разновидностях вторичных структур белка на примере кольцегранной модели полиаланина. Х и Y – первый и второй нуклеотиды кодирующего аминокислоту триплета. Стрелкой обозначена виртуальная ось симметрии поворотных изомеров по пептидной связи.

Далее, на примере кольцегранной модели полиаланина установили, что повторение в полипептиде R-конфигурации пептидной связи заставляет его аминокислотную цепочку сворачиваться в правую спираль без какого-либо дополнительного участия боковых цепей аминокислотных остатков. Повторение 0-конфигурации – в β-тяж, а повторение L-конфигурации – в левую спираль (рис. 2). Чередование R, 0 и L-конфигураций пептидных связей 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 [7] автором данной работы была составлена таблица генетического кода пространственной структуры белка (табл. 1). В отличие от прототипа [7], где кодону аминокислотного остатка соответствует один из четырёх вариантов абстрактных значений композиционного кода (1, 2, 3 или 4), в таблице генетического кода пространственной структуры белка каждому кодону аминокислотного остатка поставлен в соответствие один из трёх вариантов КПС (R, 0 или L). Четвёртый вариант КПС в рамках кольцегранной модели белка структурно не предусмотрен.

Таблица 1

Генетический код пространственной структуры белка

Y

X

C

A.o.

A

A.o.

U

A.o.

G

A.o.

Z

КПС



C

CCC

CCA

CCU

CCG

Pro


CAC

His

CUC

CUA

CUU

CUG

Leuλ



CGC

CGA

CGU

CGG

Argt



C

A

U

G

R

CAA

Gln

0

CAU

His

L

CAG

Gln

R



A

ACC

ACA

ACU

ACG

Thr


AAC

Asn

AUC

AUA

AUU

Ile


AGC

Serθ

C

A

U

G

R

AAA

Lys

AGA

Argb

0

AAU

Asn

AGU

Serθ

L

AAG

Lys

AUG

Met

AGG

Argb

R



U

UCC

UCA

UCU

UCG

Serλ



UAC

Tyr

UUC

Phe

UGC

Cys

C

A

U

G

R

UAA

T

UUA

Leuθ

UGA

T

0

UAU

Tyr

UUU

Phe

UGU

Cys

L

UAG

T

UUG

Leuθ

UGG

Trp

R



G

GCC

GCA

GCU

GCG

Ala


GAC

Asp

GUC

GUA

GUU

GUG

Val


GGC

GGA

GGU

GGG

Gly


C

A

U

G

R

GAA

Glu

0

GAU

Asp

L

GAG

Glu

R

Примечание: КПС – конфигурация пептидной связи; XYZ – первый, второй и третий нуклеотиды в кодоне; R, 0, L – варианты конфигурации пептидной связи; Т – стоп-кодон; Serλ и Serθ, Leuλ и Leuθ, Argt и Argb – поворотные изомеры серина, лейцина и аргинина, кодируемые различными дуплетами нуклеотидов кодонов, соответственно. Маркировка ротамеров аминокислот соответствует первоисточнику [7].

Таким образом, использование таблицы генетического кода пространственной структуры белка даёт возможность по детерминирующей его нуклеотидной последовательности построить структурный шаблон последовательности КПС, а также декодировать положение фрагментов вторичной структуры. Это значит, что можно построить структурный шаблон индивидуально для любого неизвестного белка лишь “прочитав” детерминирующую его нуклеотидную последовательность.

Визуализировать структурный шаблон, а точнее ход основной полипептидной цепи, можно в графическом редакторе Ggenedit.exe., в основе алгоритма которого лежит соответствие между кодонами и вариантами КПС, которые детерминируют углы в композиции смежных аминокислотных остатков. Данные углы являются следствием изгиба полипептидной цепи на границах плоскости пептидных связей, а не отклонения самой планарной пептидной связи от плоскости пептидных групп в результате изгиба. Кроме этого, наблюдается поворот по оси пептидной связи в композиции смежных аминокислотных остатков.

Таблица 2

Структурные шаблоны, построенные по нуклеотидным последовательностям, для гомологов основного актина и α-актина 1


Основной актин

α-Актин 1

COOH


NH2





NH2

COOH

Два гомологичных белка основной актин и α-актин 1 (файлы UniProtKB/Swiss-Prot P07830 и P68133 (ACTS_HUMAN) из Protein Data Bank) со степенью идентичности аминокислотных последовательностей 91% характеризовались только 35% схожести последовательностей КПС. Это значит, что такие гомологи обладают различной пространственной структурой и ни о каком общем шаблоне для её моделирования речи идти не может. Структурные шаблоны для основного актина и α-актина 1 должны быть индивидуальными (табл. 2) с учётом специфики последовательности конфигураций пептидных связей.


Список литературы

  1. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. Курс лекций. М.: Книжный Дом Университет. 2002. 376 с.

  2. Anfinsen C.B. Structural basis of ribonuclease activity. FedProc. 1957. V.16.№3. Р.783–791.

  3. Карасёв В.А. Генетическийкод: новые горизонты. СПб.: ТЕССА. 2003. 145 с.

  4. Карасёв В.А., Лучинин В.В. Введение в конструирование бионических наносистем. М.: Физматлит. 2009. 463 с.

  5. Кондратьев М.С., Кабанов А.В., Комаров В.М. Спиралеобразующие конформеры в структурной организации метиламидов N-ацетил-alpha-L-аминокислот. Квантово-химический анализ. Биофизика. 2007. Т.52. №3. С.401—408.

  6. Илиел Э. Основы стереохимии. М.: ИЦ «Академия». 2008. 464 с.

  7. Кушелев А.Ю., Полищук С.Е., Неделько Е.В. и др. Построение масштабной модели структуры белка. Актуальные проблемы современной науки. 2002. T.2. С.236—240.


©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет