Реферат «Ақуыздардың динамикалық қозғалуының физикалық модельдері»
жүктеу/скачать 6.4 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Белоктардың конформациялық қозғалғыштығы
| Негізгі бөлім
Шектеулі диффузиялық модель (күшті сөнетін броундық осциллятор) Шектеулі диффузиялық модель жасушадағы белоктар мен басқа молекулалардың қозғалыс динамикасын зерттеудің маңызды құралы болып табылады. Бұл модель молекулалар жылулық ауытқулар, басқа молекулалармен әрекеттесу және жасуша ішіндегі кедергілер мен шектеулер сияқты әртүрлі әсерлерге ұшырайды деп болжайды. Бұл модельді сипаттайтын қозғалыстың күшті әлсіреуі молекулалардың қозғалысына қоршаған ортаның әсерін көрсетеді. Бұл молекулалардың қозғалысы көптеген өзара әрекеттесулердің салдарынан энергиясы мен бағытын тез жоғалтады дегенді білдіреді, бұл шектеулі диффузия моделін классикалық броундық диффузиядан айтарлықтай ерекшелендіреді. Шектеулі диффузиялық модельді пайдалану зерттеушілерге кедергілердің болуы, басқа биомолекулалармен әрекеттесу және микроортадағы өзгерістер сияқты жасуша ішіндегі молекулалардың қозғалысына әсер ететін күрделі факторларды қарастыруға мүмкіндік береді. Бұл жасуша ішіндегі молекулалық тасымалдау және өзара әрекеттесу динамикасын дәлірек сипаттауға көмектеседі. Шектеулі диффузиялық модель қазіргі жасуша биологиясы мен биофизикасында маңызды рөл атқарады, бұл жасушаның жұмыс істеу механизмдерін түсінуді тереңдетуге және әртүрлі ауруларды емдеудің жаңа тәсілдерін іздеуге мүмкіндік береді. Оны қолдану тірі ағзалардың ішінде болып жатқан молекулалық процестерді зерттеудің жаңа перспективаларын ашады. Белоктардың конформациялық қозғалғыштығы. Бұл құбылыс амплитудасы 0,1 нм-ден асатын немесе одан жоғары белок фрагменттерінің микроқозғалысымен анықталады, бұл жеке конформациялық субстанциялар арасындағы ауысуларды сипаттайды. Әрбір жеке фрагменттің қозғалысы шектелген, оған қосымша, жақын ортаның күйі әсер етеді. Сонымен тығыз ортадағы бөлшектің орташа еркін жолы ретінде (у – үйкеліс коэффициенті, m – бөлшектің массасы -100 а.м.у.) конформациялық қозғалыстардың амплитудасынан әлдеқайда аз болса, онда тізбек үзіндісінің қозғалысының табиғаты диффузиялық, немесе стохастикалық сипатта болады. Белок макромолекуласының конденсацияланған ортада 0,1 нм орын ауыстыруы фрагментті қоршап тұрған жеке молекулалық топтардың ығысуымен бірге жүретіні анық. Бұл жеке конформациялық субстанциялар арасындағы ауысуларға сәйкес келетін потенциалды кедергілерді еңсеруді талап етеді. Сонымен қатар, мұндай қозғалыстың физикалық механизмі, Френкельдің сұйықтықтардың кинетикалық теориясына сәйкес, тұтқыр ортадағы қозғалысқа немесе өздігінен қозғалыстар жағдайында диффузияға тең. Белок фрагментінің қозғалысы екі параметрмен сипатталады: конформациялық потенциал U(x) және конформациялық диффузия коэффициенті D(x), олар конформациялық координата x-ке тәуелді. Диффузия коэффициентінің D(x) конформациялық координата х тәуелділігі потенциалды кедергілердің гетерогенділігімен тікелей байланысты белокты ортаның микрогетерогенділігін көрсетеді. Сонымен, конформациялық қозғалыс екі кеңістіктік шкаламен сипатталады.Бір жағынан тізбек фрагментінің тығыз ортамен әрекеттесуіне байланысты потенциалды кедергілердің «пикеттік қоршауы» пайда болады, еркін қозғалысты болдырмайды. фрагменттердің тербелістері. Екінші жағынан, әлеуетті «тарақ» минимумдарының конверті - бұл жүйенің потенциалдық энергиясының өзгеруімен және деформациясымен байланысты қозғалатын әлдеқайда біркелкі өзгеретін U(x) конформациялық потенциалының профилі (Cурет 1). XI.1). Ақуыз құрылымының құраушы элементі ретінде фрагменттің диффузиясының шектеулі сипатына байланысты конформациялық энергетикалық ұңғымадан тыс шығуға табиғи түрде тыйым салынады. U(x) потенциалдық профилінің ішіндегі фрагменттің релаксациясы өте тұтқыр ортадағы маятниктің апериодтық қозғалысына ұқсайды. Мысал ретінде өте тұтқыр сұйықтыққа немесе шайырға батырылған сығылған серіппенің түзетілуі де болады. U(x) қисығының меншікті формасына келетін болсақ, гармоникалық жуықтауда ол осциллятор энергиясының тербеліс амплитудасына квадраттық тәуелділігімен берілетіні белгілі. мұндағы (Wo – тербеліс жиілігі. Көрсетілгендей, конформация 7 = 200 К-де белок тізбегінің тұрақты қозғалыстары салыстырмалы түрде төмен орташа жиіліктерге ие Қатты денедегі атомдардың кішігірім тербелістері жоғары жиілікте co0 ~ 10° с 1 (м ~ 1013 с) және шағын амплитудалары x, - 0,01 -0,1 А болатыны белгілі. Бұл тербелістерді қарапайым гармоникалық тербелістерге жатқызуға болады. Алайда, бұл тәсіл амплитудалары xa » 0,1 А болатын ақуыз микроқозғалыстарын сипаттау үшін қолданылмайды. Ақуыздың тығыздығы өте жоғары және сұйықтар мен органикалық кристалдардың тығыздығымен салыстыруға болады. Демек, жеке белок фрагментінің 0,1 А мөлшеріне ығысуы, егер ол бір уақытта осы фрагментті қоршап тұрған басқа молекулалық топтардың ығысуынан флюктуациялық қуыстың пайда болуымен бірге жүрсе ғана мүмкін болады. Протеин фрагменті көрші топтарды «итеріп жіберетін» сияқты. Мұндай қозғалыс фрагменттің орын ауыстыруын болдырмайтын потенциалдық энергетикалық кедергілерді жеңу үшін белсендіру энергиясын қажет етеді. Бір микрокүйден екіншісіне өту үлкен орын ауыстырулармен (~1 А) жүретіндіктен, тосқауылдың ені жеткілікті үлкен болуы керек. Мұндай ауысу процесін екі микроақпараттық күй арасындағы «бір актілі» секіріспен салыстыруға болмайды. Мұнда кең тосқауыл арқылы өту күрделі топографиясы бар потенциалды өрістегі үздіксіз қозғалыс процесі - жиі потенциалдық тарақ (10.1-сурет). Осылайша, ақуыз фрагментінің қозғалысы екі кеңістіктік шкаламен сипатталады. Жиі ықтимал кедергілердің «пикет қоршауы» бойымен қозғалу фрагменттің қоршаған ақуыз топтарымен өзара әрекеттесуін көрсетеді. Ол диффузиялық сипатта болады l - конформациялық тербелістердің орташа амплитудасы; U(x) - конформациялық потенциал: s - қоршаған ортаға байланысты конформациялық диффузия коэффициенті D(x) конформациялық қозғалыстардың активтену энергиясы немесе конформациялық координат x. Басқа кеңістіктік шкала конформациялық координатаның өзі бойымен пайда болатын баяу қозғалысты көрсетеді және u(x) конформациялық потенциалында пайда болады. Суреттен көрініп тұрғандай, конформациялық энергия тесігінің шегінен шығып | l'„, l'„| тыйым салынады, өйткені ақуыз молекуласының қалған бөлігімен байланысқан фрагмент қалағандай қозғала алмайды. Мұндай қозғалыс, әдетте, фрагмент кездейсоқ соққыларды немесе термиялық шуды бастан кешіретін тұтқыр ортадағы үздіксіз шектеулі диффузияға сәйкес келеді. Бұл процесте түбір-орта квадратты араластырудың уақытқа тәуелділігі формуламен анықталады. мұндағы x2a – орын ауыстыру амплитудасының орташа квадраты; tc – қозғалыс кезіндегі үйкеліске байланысты шектеулі диффузия процесіндегі тән релаксация уақыты. Ол тең мұндағы у – белоктың микротұтқырлығына пропорционалды үйкеліс коэффициенті; m – фрагменттің массасы; co0 – тербеліс жиілігі. Үйкеліс коэффициенті белгілі Стокс формуласы бойынша ақуыздың микротұтқырлығына байланысты екенін еске түсірейік. мұндағы b - фрагменттің сипаттамалық сызықтық өлшемі (b ~ (1 - 10) A); p - тұрақтылықтағы тұтқырлық (P) (1 P = 0,1 Па с). Температураның жоғарылауы тұтқырлықты экспоненциалды түрде төмендетеді: мұндағы e – тұтқыр ағынның активтену энергиясы. Бұл температураның жоғарылауымен tc уақыты да экспоненциалды түрде азаяды дегенді білдіреді, өйткені Ортаның тұтқырлығының жоғарылауы т.б. диффузия жылдамдығының төмендеуіне әкеледі. Бұдан біз температураның ақуыздағы молекулаішілік қозғалысқа әсерін және, атап айтқанда, Мессбауэр атомының орташа квадраттық орын ауыстыруының температураға тәуелділігін түсінуге болады. Төмен температурада τ өте жоғары, ал у-квант жұтылғанда, Моссбауэр ядросы қозған күйде ығысып үлгермейді. Бұл жағдайда y-кванты кері серпілмей жұтылады (f'~ 1). Керісінше, жоғары температура аймағында r| және де кішкентай, ядроның ауысуға уақыты бар және /' құлайды. Осылайша, температура қисығының үзілу нүктесінде температураның жоғарылауымен tc мәні өзгереді, ол критикалық мәннен төмен болады. f'(T) температураға тәуелділіктен микротұтқырлықтың r| мәндерін табуға болады белоктар үшін тұтқыр ағынның активтену энергиясы e, амплитудасы х, конформациялық қозғалыстар. Ақуыздарға арналған тәжірибелік деректерді өңдеу 300 К кезінде p ~ 102 әдеттегі мәндерін береді, бұл су мен глицериннің тұтқырлығынан әлдеқайда жоғары (c = 20 кДж/моль, ха ~ 0,4 А). Белок құрылымында болатын a- және p-элементтер ортаның қаттылығы мен микротұтқырлығына байланысты шектеулі диффузиялық қозғалысты бастан кешіреді. α-спиральдардың иілу тербелістері белгілі бір пішінге ие, ал амплитудасы мен релаксация уақыты спиральдың сызықтық өлшемдеріне күрт тәуелді. Нақты жағдайларда иілу тербелістерінің амплитудалары бірнеше ангстромға жетуі мүмкін, ал релаксация уақыты микросекунд диапазонында жатыр. Осылайша, ақуыз релаксация уақытында айтарлықтай ерекшеленетін байланысқан элементтер жиынтығын қамтиды. Ең жылдам және шағын ауқымды ауытқулар бүйірлік топтарға тән. Бұл топтар полипептидтік қаңқаның бұрандалы аймақтарының айналасында сұйық тәрізді жиекті құрайды және демпферлік орта рөлін атқарады. Релаксация уақытындағы иерархия белок глобулының динамикасын серпімді полипептидтік жақтаумен күшейтілген сұйықтық тәрізді тамшыдағы тербеліс ретінде елестетуге мүмкіндік береді. Белоктардағы реакция жылдамдығының еріткіштің тұтқырлығына тәуелділігін осы ұғымдар негізінде түсінуге болады. Глобулдың ішіндегі лигандтардың диффузиясы флуктуациялық қуыстар немесе «тесіктердің» пайда болуымен ғана жүреді. Глобулдың ішінде «тесік» пайда болуы оның алдымен глобулдың бетіндегі еріткіште пайда болуымен басталады. Бұл процестің ықтималдығы еріткіштің тұтқырлығына кері пропорционал. Конформациялық қозғалыстардың арқасында белоктың беткі тобы еріткіштегі «тесікті» толтырады. Осылайша, «тесік» енді белоктың сыртқы қабатында пайда болады. Әрі қарай, екінші және үшінші қабаттар топтарының қозғалысына байланысты «тесік» глобулдың ішіне таралып, қосымша флуктуациялық қуыстардың пайда болуын қамтамасыз етеді. Ақуыздағы бұл қуыстардың пішіні, бұрын көрсетілгендей, ерікті емес, өзгермелі саңылаулар пішініне ие, оның параметрлері белок жақтауының қатты элементтерінің геометриясымен анықталады. Диффузия теңдеулерін шешу осындай ауытқымалы саңылаулар жүйесі арқылы бөлшектердің диффузия жылдамдығын есептеуге мүмкіндік береді. Осылайша, миоглобиндегі диффузия кезінде СО лигандасы конформациялық қозғалыстардың әсерінен ашылатын бірнеше «қақпалардан» өтуі керек. Диффузия жылдамдығы лиганд диаметріне, флуктуация амплитудасына және саңылаулардың релаксация уақытына байланысты, бұл өз кезегінде қабырғалардың қаттылығы мен микротұтқырлығымен анықталады. Миоглобин үшін есептелген және эксперименттік деректер сәйкес келді. Атап айтқанда, СО-ның миоглобиндегі жалпы өту уақыты K) 7 с және глобулдағы бірнеше қақпаның конформациялық релаксация уақыттарын қосуға сәйкес келетіні анықталды. Молекулярлық қозғалыстар мен құрылымдық ауытқулар болмаған қатты ақуыз молекуласында лигандтардың диффузиясы үлкен активтену кедергілерін (100 ккал/мольге дейін) жеңумен байланысты болуы керек екенін ескеріңіз. Бұл кедергілер лигандтың қозғалысын бәсеңдететіні сонша, ол биологиялық уақыт шкалаларында шексіз дерлік баяу болады. Басқаша айтқанда, тығыз оралған нақты биополимерлерде оның функционалды белсенділігі үшін маңызды болып табылатын молекуланың ішінде лигандтарды тасымалдауға мүмкіндік беретін құрылымдық ауытқулар. Белоктардағы кооперативті релаксация процестерінің күрделірек түрлері ферментативті катализ механизмдеріне байланысты әрі қарай қарастырылады. жүктеу/скачать 6.4 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|