СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Биофизика ПОСТРОЕНИЕ МАСШТАБНОЙ МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ БЕЛКА

ПОСТРОЕНИЕ МАСШТАБНОЙ МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ БЕЛКА

© Кушелев А.Ю., Писаржевский С.А.
Лаборатория "Наномир"
Научно-производственное объединение "Политехнология"
107005, Россия, Москва, Госпитальный пер., 10,
Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана
Тел./факс: 7-095-263-6608
E-mail: nanoworld@bigfoot.com

РЕЗЮМЕ

С помощью физического моделирования была теоретически предсказана, экспериментально обнаружена и статистически подтверждена сильная корреляционная зависимость между пространственной структурой белка и его нуклеотидной последовательностью.

В процессе биосинтеза третий нуклеотид кодона контролирует ориентацию аминокислоты, формируя конкретный пространственный изомер, т.е. конформацию белковой молекулы, отсекая конкурирующие пути формирования вторичной и третичной структур.

ВВЕДЕНИЕ

Предсказание пространственной структуры белков является важной проблемой современной молекулярной биологии [1, 2, 3].

Нами создана кольцевая модель электрона, что позволило применить законы классической физики к "неклассическим" объектам, в частности, создать масштабные геометрические модели электронных оболочек атомов и молекул. В наших классических моделях микрообъектов электроны представлены кольцевыми магнитами. Отметим для упрощения дальнейших рассуждений, что внутренняя структура электрона, зависимость радиуса электронного кольца от напряженности ядерного поля и другие физические нюансы кольцевой модели электрона выходят за рамки настоящей статьи.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Основным методом исследования было физическое моделирование. Оно состояло в проведении модельных экспериментов с кольцевыми магнитами, представлявшими электроны. Число кольцевых магнитов соответствовало числу валентных электронов молекулы.

В экспериментах использовались дополнительные поверхности, имитирующие компенсацию электростатического влияния ядер атомов и других электронов.

Было изготовлено несколько моделей методом симметричного размещения определенного числа колец с учетом всех видов свойств реальных электронов.

Были использованы методы пересмотра всех вариантов, аналогии, оптимизации, систематизации и другие.

Были использованы базы данных PDB и EMBL.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Первый экспериментальный результат был получен в модельном эксперименте с кольцевыми магнитами, который был выполнен с целью проверки гипотезы: "Кольца-электроны образуют электронную оболочку-многогранник". В действительности 8 кольцевых магнитов поддерживают форму октаэдра из колец, размещенных на поверхности электростатического равновесия электронов. Эта модель электронной оболочки соответствует экспериментально обнаруженной ферми-поверхности (рис. 1).

Замещение четырех колец-электронов незавершенными октаэдрами (без одного кольца) превращает форму октаэдра в знакомую нам форму тетраэдрической молекулы. Электронные поверхности молекул четереххлористого углерода и фосфорной кислоты имеют такую форму.

Наши модели атомов позволяют рассчитывать межатомные расстояния и углы между связями в молекулах и кристаллах.

Мы построили более 1500 кольцевых моделей различных химических веществ.

Специальным классом химических соединений являются сопряженные системы. Модельные эксперименты показали, что взаимное влияние сходных с углеродом атомов оказалось причиной перестройки электронной структуры молекулы из многогранной в полислойную, что приводит к образованию плоской конъюгированной системы, например, молекулы бензола.

Структура многогранных и полислойных атомов и молекул позволила построить кольцегранную структуру ДНК нуклеотидов (рис. 2). Структура нашей модели ДНК не противоречит общепринятой модели.
Мы построили модель группы CCON. Различные варианты взаимного расположения групп CCON представлены на рис. 3.

Т-РНК удерживает аминокислоту своим АСС-концом. Нами обнаружена особенность структуры t-РНК: на ее конце находится петля. Последний нуклеотид триплета ACC повернут на шарнире-молекуле фосфорной кислоты таким образом, что оказывается возможным процесс образования дополнительной диэфирной связи ее свободной группой PO3 с группой PO3 комплементарной цепи РНК.

Последний из двух нуклеотидов, образующих 3'-конец t-РНК обладает инверсными магнитными свойствами, которые отличают все нуклеотиды обратной цепей ДНК и РНК от нуклеотидов прямых цепей.

Северные магнитные полюса двух электронов (один принадлежит кислороду, а второй – азоту), которыми оканчивается цитозин-N (в котором северные магнитные полюса электронов, образующих водородные связи с комплементарным основанием, повернуты наружу) и южные магнитные полюса двух электронов цитозина-S (в котором южные магнитные полюса электронов, образующих водородные связи с комплементарным основанием, повернуты наружу) расположены комплементарно по отношению к четырем электронам пептидной группы, которая ориентирована группой азота по оси вращения t-РНК. Аминокислота может быть установлена манипулятором-T-РНК в растущую белковую цепь под разным углом поворота вокруг оси вращения. Угол поворота регулируется вариабельной петлей t-РНК и расстоянием между третьим нуклеотидом кодона m-РНК и первым нуклеотидом антикодона t-РНК. Расстояние между первым нуклеотидом антикодона (инозин) и третьим нуклеотидом кодона зависит от природы основания, комплементарного инозину (A, C, G, T), а также от длины вариабельной петли t-РНК.

Мы построили кольцегранные модели белков с известной структурой, в частности миоглобина, инсулина, тропонина, окситоцина. Отбор помог выбрать варианты соединения моделей групп CCON, которые давали формы этих белков.

Например, оказалось, что аминокислота глицин кодируется кодом GGC, если она входит в состав 4/10 альфа-спирали, GGA, если она входит в состав бета-слоя, кодом GGG, если она входит в состав 3/10 альфа-спирали, в которой водородная связь образуется не с четвертым, а с третьим аминокислотным остатком и, наконец, кодом GGT, если она является вторым аминокислотным остатком бета-поворота. Таким образом, был составлен композиционный генетический код, показывающий, как аминокислота расположена относительно предыдущей аминокислоты в зависимости от ее генетического кода (таблица 1).

Регулярное повторение варианта 1 приводит к образованию альфа-спиарли.

Повторение варианта 2 ведет к образованию бета-слоя. Поворот цепи в бета-слое требует последовательности вариантов 1-2-3-3 (фрагмент вторичной структуры лизоцима) или 1-3-1 (модельный эксперимент).

Повторение варианта 4 ведет к образованию уменьшенной альфа-спирали. Ее структура отличается от структуры обычной альфа-спирали: водородная связь между группой СО и группой азота закрывается не на четвертом, а на третьем аминокислотном остатке.

Соответствие вариантов структуры (1, 2, 3, 4) и композиционных углов, под которыми построен белок, показано в таблице 2. Это позволяет определять близкий порядок пространственной структуры белка.
Геометрия аминокислот и таблица композиционного генетического кода положены нами в основу компьютерной программы "Пикотехнология", которая собирает структуру белковой молекулы на экране компьютера.

Используя доступные для нас коды, программа отнесла 30 вариантов кератинов к альфа-структурным белкам и 3 типа фиброинов к бета-структурным белкам.

Мы сравнили данные о вторичной структуре белков из the Brookhaven Protein Data Bank с данными, полученными с помощью нашей программы на основании кодов этих же самых белков из the Oxford Bank of Nucleotide Sequence.

Восемь соответствующих последовательностей из the Oxford Bank были найдены для 314 структур из Brookhaven Bank. Процент содержания альфа-кодонов, соответствующих альфа-спиральным частям (согласно рентгеноструктурному анализу), указан ниже.

Холестерол оксидаза (1.1.3.6): 92.43
Арабиноза-связывающий протеин: 57.52
Лизоцим (3.2.1.17): 41.54
Альдолаза (4.1.2.13): 73.00
Аминотрансфераза (2.6.1.1): 72.02
Trp-репрессор (E-coli): 61.68
Гликоген-фосфорилаза (2.4.1.1): 85.75
Миоглобин: 70.59.

Полученные нами данные требуют пересмотра существующих взглядов на структуру белков, в особенности на интерпретацию данных рентгеноструктурного анализа. Дело в том, что многие глобулярные белки в соответствии с нашими модельными экспериментами содержат сшитые вместе участки альфа-спиралей, которые интерпретируются в настоящее время как бета-участки.

ОБСУЖДЕНИЕ

Растущая полипептидая цепь синтезируется глубоко внутри рибосомы. Однако каждая аминокислота приобретает конформацию расширенной бета-структуры (в случае, если она кодируется бета-кодоном) и альфа-структуры (в случае, если она кодируется альфа-кодоном). Диаметр альфа-структуры практически не отличается от диаметра расширенной бета-структуры. Более того, диаметр структуры зависит от длины радикалов, которые включены в состав альфа и бета структур в большей степени. Например, замещение радикалов Gly радикалами Trp увеличивает диаметр бета и альфа структур приблизительно в три раза, в то время как диаметр альфа спирали превышает диаметр бета структуры менее чем в 1.5 раза. Кроме расширенной бета структуры (в нашей модели она соответствует варианту 2, например, для глициа это триплет gga) в канале рибосомы могут помещаться альфа-спираль (вариант 1, например, для глицина это триплет ggc), 3/10 альфа-спираль (вариант 4, например, для глицина это триплет ggt).

Более 20 аминокислотных остатков, образующих эти структуры, должны быть включены перед тем, как цепь выйдет из канала рибосомы. Однако природа кодона любого остатка может влиять на его конформацию в белковой структуре, образуя либо участок расширенной бета-структуры, либо участок альфа-спирали, либо участок 3/10 альфа-спирали, которые отличаются по диаметру в незначительной степени по сравнению с длиной самых больших радикалов.

Сравнивая структуры белков, полученные с помощью программы, с данными рентгеноструктурного анализа специалисты, занимающиеся изучением структуры белков, обнаруживают различия, заключающиеся в смещении концов альфа-спирали иногда даже до пяти аминокислотных остатков.

Может ли рентгеноструктрный анализ давать такую ошибку?

Давайте рассуждать. Что такое альфа-спираль? Это спираль, каждый виток которой включает приблизительно четыре аминокислотных остатка. Следовательно, остатки с номерами 1 и 4 расположены рядом и связаны водородной связью.

Соседние остатки по отношению к остатку 4 (3 и 5) также расположены очень близко к остатку номер 1 (скажем не на 1.5, а на 2 А).

Оказывается, что, делая ошибку на 1 – 1.5 остатка, мы фактически делаем ошибку на 5 остатков вдоль первичной последовательности.

Таким образом, мы видим, что наша программа показывает все повороты альфа-спирали белка с "ошибкой до 5 аминокислотных остатков", и может быть сделано заключение, что она работает безошибочно, но рентгеноструктурный анализ, делая ошибку на полтора остатка, может ошибиться на 5 остатков.

В ходе дискуссии против существования композиционного генетического кода были выдвинуты следующие аргументы:

  1. Известно, что в некоторых случаях белки могут восстанавливать свою нативную конформацию после денатурации. В чем заключается значение композиционного кода в этом случае?
  2. Известно, что вторичная структура полипептида может быть предсказана по его аминокислотной последовательности. Как это можно сделать без привлечения композиционного кода?
  3. Различные организмы имеют разный G-C состав. Некоторые кодоны практически не используются, если содержание G-C высоко. Некоторые белки различных организмов выполняют одинаковые функции, имеют высокую гомологию и образуют сходные вторичные и третичные структуры. Может ли композиционный код быть применен в этом случае?
  4. Если ДНК модифицирована таким образом, что аминокислотная последовательность не изменилась (белок до модификации и после модификации имеет 100% идентичных остатков), тогда структура нового белка осталась идентичной первоначальной.

Давайте рассмотрим первый аргумент.

Действительно, белок может ренатурировать. Это свойство белка не противоречит существованию композиционного кода, который, согласно нашему предположению, появился в процессе эволюции, как дублирующий физико-химические механизмы и способствующий ускорению формирования белковой молекулы. Стабильность структуры возможна в том случае, если физико-химические взаимодействия дублируют программу формирования белковой молекулы. Это могло быть скоординировано в процессе естественного отбора функциональных молекул, т.е. в процессе эволюции механизмов биосинтеза.

Рассмотрим второй аргумент.

Действительно, вторичная и третичная структуры белка могут быть предсказаны по его аминокислотной последовательности. И это делается без композиционного кода. Однако здесь нет противоречия с существованием последнего. Противоречит ли арифметика алгебре? Аминокислотная последовательность координирована с физико-химическими взаимодействиями групп, входящих в белок. Нуклеотидная последовательность содержит информацию о первичной структуре и дополнительную информацию о пространственной структуре, которая скоординирована с физико-химическими взаимодействиями групп, входящих в белковую молекулу. Различие между арифметикой аминокислотной последовательности и алгеброй нуклеотидной последовательности состоит в следующем: достоверность предсказания вторичной структуры с помощью последней превышает достоверность предсказания вторичной структуры с помощью первой на несколько порядков.

Рассмотрим третий аргумент.

Действительно, G-C состав ДНК различных организмов варьирует от 35 % у морского ежа до 52 % у Escherichia coli. Однако белки, выполняющие сходные функции, могут быть собраны из кодонов, используемых этими организмами в полном соответствии с таблицей композиционного генетического кода.

Рассмотрим четвертый аргумент.

Если ДНК-последовательность изменена, рибосома строит другую конформацию белка, однако она вряд ли стабильна и ренатурирует в стабильную форму. Структура белка не изменяется, но теряется время. В процессе эволюции медленные процессы элиминируются, поэтому сохраняются только такие ДНК-последовательности, которые определяют стабильные конформации белков.

Мы хотели бы дополнить статью демонстрацией возможностей нашего метода. Для демонстрации мы выбрали фрагмент лизоцима, структура которого исследована различными методами. S-S связь между аминокислотными остатками Cys96 и Cys117 является бесспорной в его структуре.

Наша программа "Пикотехнология" строит третичную структуру белка автоматически, используя таблицу форм аминокислотных остатков, таблицу композиционного генетического кода и генетический код из EMBL-файла.

Получив координаты атомов с помощью нашей программы, мы видим, что между остатками Cys96 и Cys117 образуется дисульфидный мостик.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Wales D.J., Scheraga H.A. (1999) Science, 285(5432), 1368-1372.
  2. Shortle D. (1999) Curr Biol, 9(6), R 205-209.
  3. Takada S.(1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96(21), 11698-11700.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица 1. Композиционный генетический код

Вариант 1 соответствует вхождению остатка в 4/10 альфа-спираль.
Вариант 2 соответствует вхождения остатка в классический бета-слой.
Вариант 3 соответствует вхождению остатка в бета-поворот.
Вариант 4 соответствует вхождению остатка в 3/10 альфа-спираль.

Код Ам-та Вар-т   Код Ам-та Вар-т
00 AAA Lys 3   32 GAA Glu 3
01 AAC Asn 1   33 GAC Asp 1
02 AAG Lys 1   34 GAG Glu 1
03 AAT Asn 3   35 GAT Asp 3
04 ACA Thr 2   36 GCA Ala 2
05 ACC Thr 1   37 GCC Ala 1
06 ACG Thr 4   38 GCG Ala 4
07 ACT Thr 3   39 GCT Ala 3
08 AGA Arg 3   40 GGA Gly 2
09 AGC Ser 1   41 GGC Gly 1
10 AGG Arg 1   42 GGG Gly 4
11 AGT Ser 3   43 GGT Gly 3
12 ATA Ile 2   44 GTA Val 2
13 ATC Ile 1   45 GTC Val 1
14 ATG Met 1   46 GTG Val 4
15 ATT Ile 3   47 GTT Val 3
16 CAA Gln 3   48 TAA TKD 1
17 CAC His 1   49 TAC Tyr 1
18 CAG Gln 1   50 TAG TKD 1
19 CAT His 3   51 TAT Tyr 3
20 CCA Pro 2   52 TCA Ser 2
21 CCC Pro 1   53 TCC Ser 1
22 CCG Pro 4   54 TCG Ser 4
23 CCT Pro 3   55 TCT Ser 3
24 CGA Arg 2   56 TGA TKD 1
25 CGC Arg 1   57 TGC Cys 1
26 CGG Arg 4   58 TGG Trp 1
27 CGT Arg 3   59 TGT Cys 3
28 CTA Leu 2   60 TTA Leu 3
29 CTC Leu 1   61 TTC Phe 1
30 CTG Leu 4   62 TTG Leu 1
31 CTT Leu 3   63 TTT Phe 3

Таблица 2. Соответствие "варианты-углы"

Расщепление варианта (1,1a,1b,1c) связано с тем, что и 4/10-альфа-спираль и 3/10-альфа-спираль являются напряженными структурами. Если аминокислотные остатки не удерживаются водородными связями с четвертым или третьим остатком соответственно, то напряженность структуры снимается за счет изменения углов. Изменение углов может достигать 10 градусов, что существенно влияет на точность моделирования. Остаток пролина (Pro) является шарнирным механизмом, поэтому образованный им угол не только отличается от других, но может меняться в широких пределах (десятки градусов). Радикал Met также меняет угол в Альфа-спирали. В программе "Пикотехнология" учтены только 4 основных варианта композиции, поэтому большая часть белков строится приближенно.

Вариант Угол относительно оси х Угол относительно оси y Угол относительно оси z Примечание
1 10 30 97 4/10 Альфа
1a 10 30 90 ? 1/1 Альфа
1b 10 ? 30 ? 90 ? Альфа-Pro
1c 10 ? 30 ? 90 ? Альфа-Met
2 0 120 120 Бета
2a 0 ? 120 ? 120 ? Бета-Pro
3 0 30 -60 Бета-поворот
3a 0 ? 30 ? -60 ? Бета-поворот-Pro
4 10 30 80 3/10 Альфа
4a 10 30 90 ? 1/1 Альфа
4b 10 ? 30 ? 90 ? Альфа-Pro
4c 10 ? 30 ? 90 ? Альфа-Met

По этой таблице строится предварительная структура белковой молекулы. Для уточнения структуры необходимо применить методы физического моделирования: Дэвидсона, сопряженных градиентов или минимизации энергии. В качестве оптимизирующей программы можно использовать Hiperchem.



Рис. 1. Структура 8-электронной оболочки, до которой достраиваются большинство атомов таблицы Менделеева.


Рис. 2. Структура нуклеотидов.

Рис. 3. Модель расположения группы CCON относительно предыдущей группы CCON в соответствии с композиционным генетическим кодом.
Вариант 1: точка F совпадает с точкой B (сдвинута против часовой стрелки на несколько градусов).
Вариант 2: точка F совпадает с точкой A.
Вариант 3: точка F совпадает с точкой C.
Вариант 4: точка F совпадает с точкой B (сдвинута по часовой стрелке на несколько градусов).

Рис. 4. Структура фрагмента лизоцима, построенная программой "Пикотехнология".
Дата публикации: 2 апреля 2002
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.