Теоретическое исследование барьеров внутреннего вращения и механизма сворачивания белков - Автореферат

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОФИЗИКИ на правах рукописи теоретическое исследование барьеров внутреннего вращения и механизма сворачивания белков АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Шишков А.В. доктор физико-математических наук, профессор Сергеев Н.М. доктор физико-математических наук, профессор Туманян В.Г.Вторая концепция посттрансляционная, согласно которой нативная конформация белка формируется после синтеза и полного выхода полипептидной цепи из рибосомы из состояния случайного клубка (рис.1). Общеприняты утверждения, что процесс сворачивания белка может быть представлен как переход «клубок - глобула», и что сворачивание белков in vivo и ренатурация денатурированных белков происходят по одинаковым или схожим механизмам из состояния случайного клубка. Важный фундаментальный вопрос на пути решения проблемы сворачивания - объяснение быстрого сворачивания белков, поскольку число доступных полипептидной цепи дискретных конформаций астрономическое, и поэтому потребовалось бы астрономическое время, чтобы цепь приобретала соответствующую нативному белку единственную конформацию путем перебора всевозможных вариантов. Итак, решение проблемы сворачивания белков требует ответить на обозначенные выше три фундаментальных вопроса: 1) сворачиваются ли белки ко-или посттрансляционно, т.е., в процессе, или после синтеза полипептидной цепи на рибосоме, 2) каков механизм сворачивания белков, 3) каково объяснение быстрого сворачивания белков? Работа посвящена фундаментальным вопросам проблемы: 1) сворачиваются ли белки котрансляционно в процессе биосинтеза, или после синтеза и выхода из рибосомы посттрансляционно, 2) каков механизм сворачивания белков, а также оценки 3) энтальпийного вклада в свободную энергию сворачивания белков и 4) величины барьеров внутреннего вращения вокруг единичных связей основной цепи полипептидов и их роли в сворачивании белков.Изменение химической структуры полипептидной цепи белка на один аминокислотный остаток при биосинтезе происходит на порядки медленнее формирования элементов вторичной структуры и компактных состояний в развернутой цепи, а также предполагаемого для сворачивания белков времени.Показано, что метод позволяет получить реалистические данные о структуре, конформациях, барьерах внутреннего вращения и дипольных моментах широкого класса органических молекул, предпочтительные структуры, стабильные конфигурации, энергии взаимодействия и дипольные моменты димеров и комплексов таких молекул, исследовать структуру, конформации и поверхности потенциальной энергии аминокислот и их дипептидов. Расчетами полной поверхности потенциальной энергии аминокислот глицина и аланина методом ФФВ установлено, что относительные энергии предпочтительной и равновесных конформаций аминокислот и величины потенциальных барьеров между этими конформациями составляют не более 3 и 5 ккал/моль соответственно. Расчетами комплексов амидов и пептидов методом ФФВ установлено, что в белках возможны образования специфических Н-р водородных связей с энергией стабилизации до 2,5 ккал/моль, которые могут сыграть существенную роль в формировании и стабилизации пространственной структуры белков; наличие таких связей в структурах белков было обнаружено впоследствии кристаллографами. Исследованиями методом ФФВ полной поверхности потенциальной энергии ряда олигопептидов (глицина и аланина от ди-до декапептида, дипептидов серина, валина, фенилаланина и тирозина, серединного пятого и концевого девятого остатков в декапептидах глицина и аланина) установлено, что барьер вращения вокруг связей NCA составляет около 16 ккал/моль - что сопоставимо с транс-цис барьером пептидной связи, и вокруг связей CAC - около 6 ккал/моль. Маловероятно, что неглициновые остатки могут приобрести конформацию с положительным значением угла вращения ? вокруг связи NC? изза высоких барьеров вращения вокруг связей NC?, так как синтез белка на рибосоме происходит в конформации правой а-спирали.