|
Список иллюстраций
1 Двумерная классификационная диаграмма [3] 7
2 Сравнение профилей гидрофобности для белка лизоцим G чёрного ле¬
бедя (Р00717) и белка-предшественника лизоцима G у цыплёнка (Р27042) 9
3 Зависимость толщины интерфейса от типа н-алкана[20] 15
4 Фазовая диаграмма воды по [24] 16
5 Химическое представление аминокислоты [25] 17
6 Первичная структура белка и обозначения углов вращения ф,ф [25]. . . 17
7 Неполярные и полярные аминокислотные остатки по [26] 18
8 Ароматические аминокислотные остатки по [26] 18
9 Положительно и отрицательно заряженные аминокислотные остатки
по [26] 18
10 Модель воды TIP3P 19
11 Модель 1. Система для МД расчёта 22
12 Полноатомная модель аминокислотного остатка 24
13 Результаты модели 1 для аланина 28
14 Результаты модели 1 для аргинина 29
15 Результаты модели 1 для глутамина 30
16 Результаты модели 1 для глицина 31
17 Результаты модели 1 для лейцина 32
18 Результаты модели 1 для лизина 33
19 Результаты модели 1 для метионина 34
20 Результаты модели 1 для фенилаланина 35
21 Результаты модели 1 для триптофана 36
22 Результаты модели 1 для валина 37
23 График размера ячейки по оси Z от времени при г = 0,1пс 41
24 График размера ячейки по оси Z от времени при г = 5пс 42
25 Графики профиля плотности системы вода-гексан в двух масштабах . 46
26 Результаты модели 2 для фенилаланина 47
4
4
Список таблиц
1 Индекс гидрофобности аминокислот по шкале Кайта-Дулиттла 8
2 Плотность и поверхностное натяжение систем из воды и гексана .... 11
3 Экспериментальная толщина локального интерфейса в системе вода-
н-алканы по [20] 14
4 Численные значения параметров модели воды TIP3P 20
5 Модель 1. Исследованные аминокислотные остатки и длины траекторий 27
6 Характерные размеры ALA и РНЕ 39
5
5
Введение
Одной из основных составных частей биологической системы, обеспечивающих её работу и существование, являются белки и их комплексы. Белки состоят из огра¬ниченного числа типов мономерных звеньев (аминокислотных остатков), но много¬образие их структур и функции поражает воображение. Однако, как формирование белков, их сворачивание в уникальные трёхмерные структуры, так и выполнение ими своих функций разумно рассматривать только с учётом их взаимодействий с окружением, с окружающими их структурами, обладающими определёнными свой¬ствами.
Поскольку основа клеточной среды - это вода, то мы всегда должны учитывать её влияние при рассмотрении процессов в живых организмах. Одна из отличительных особенностей воды - это её полярность, поэтому наличие или отсутствие полярных групп и их распределение у растворённых молекул будет сильным образом влиять на их структуру и функций, в частности, приводя к гидрофобным взаимодействиям. В то же время в клетке присутствует в достаточно большом количестве и неполярная фаза, главным образом представленная внутренними частями фосфолипидных мем¬бран. В зависимости от структуры рассматриваемого вещества, наличия полярных, неполярных групп, оно будет по-разному распределяться в биологической системе.
В фармокинетике, занимающейся предсказанием поведения и распределения ле¬карственных веществ в организме, используется так называемый параметр гидро-фобности, который определяется из коэффициента распределения вещества между водой и октанолом [1]. Как утверждают исследователи, гидрофобность является од¬ним из важнейших параметров для реакций катализируемых ферментами, так как сайты связывания последних очень восприимчивы к гидрофобным участкам молекул субстрата [2].
Однако такая классификация веществ не отражает их способность адсорбиро¬ваться на поверхности раздела фаз между полярной и неполярной средами. В клет¬ке такими поверхностями обычно служат мембраны. В работе [3] было предложено классифицировать вещества одновременно по двум параметрам: во-первых по их по¬верхностной активности (амфифильности), а во-вторых по их сродству к гидрофиль¬ной или гидрофобной фазе. Было предложено использовать для этого двумерную диаграмму вида Рис. 1, где по осям откладываются свободные энергии перехода из одной фазы в другую и свободные энергии адсорбции на границу раздела фаз. Было отмечено, что интерес представляет следить не только за изменением параметров вдоль каждой оси в отдельности, но и за корреляцией этих свойств.
Аналогичную классификацию разумно применить и для анализа свойств амино¬кислотных остатков входящих в белки. Таким образом, зная гидрофобные / гидро¬фильные и амфифильные свойства конкретных звеньев первичной последовательно¬сти белка, можно будет соотносить эти данные со свойствами самого белка.
В настоящее время уже существуют разнообразные попытки описания гидрофоб-но / гидрофильных свойств аминокислотных остатков и свойств образуемых ими белков. Развит так называемый метод гидрофобных профилей белков (hydropathic profile).
6
Af
у
Hydrophobic interfaciaily active Hydrophilic interfaciaily active
-
Hydrophobic interfacialiy inactive Hydrophilic interfaciaily inactive
Affinity to water phase increases
Рис. 1: Двумерная классификационная диаграмма [3]
Каждому аминокислотному остатку присваивается численное значение ("индекс гидрофобности") (hydropathy index, hydropathy score). Широко используются шкала Хоппа-Вудса (Норр-Woods) [5] и шкала Кайта-Дулиттла (Kyte-Doolittle) [4]. В первой шкале значения индекса гидрофобности меняются от -3 до +3, а во второй от -4,5 до +4,5. Существуют и более сложные шкалы гидрофобности аминокислотных остат¬ков, основанные на экспериментальном определении свободной энергии перехода из воды в октанол или на интерфейс, например [7]. Приведём для справки классифи¬кацию по Kyte-Doolittle в таблице 1.
Для построения профиля гидрофобности аминокислотной последовательности значения индексов последовательно усредняются по отрезку некоторой длины (adjacent averaging). С помощью таких профилей можно находить похожие белки выделять их в группы, а также находить трансмембранную часть белка. Приведём пример работы системы анализа профилей гидрофобности [6]. На Рис. 2 приведён пример сравнения профилей гидрофобности двух типов белка лизоцим. Видно, что корреляции меж¬ду профилями достаточно сильны. Используя такой метод сравнения можно найти белки аналогичные данному.
Итак, изучая свойства отдельных аминокислотных остатков, можно получить важные сведения о структуре самого белка. Однако, на наш взгляд в некоторых ситу¬ациях может оказать существенным не только учёт гидрофобности/гидрофильности звеньев, но также и их способности адсорбироваться на промежуточный слой между полярной и неполярной средами. Частично это сделано в работе [7], однако, приняв во внимание обсуждавшиеся выше идеи работы [3] по поводу классификации веществ на двумерной диаграмме, можно было бы попытаться строить трёхмерные профили гидрофобности для белков. По одной оси откладывать аминокислотную последова¬тельность, а по двум другим средние энергии адсорбции и перехода из фазы в фазу.
7
Название аминокислоты Однобуквенное обозначение Индекс гидрофобности
Isoleucine I 4.5
Valine V 4.2
Leucine L 3.8
Phenylalanine F 2.8
Cysteine С 2.5
Methionine M 1.9
Alanine A 1.8
|
|
Список литературы
[Ц Sotomatsu-Niwa, Т.; Ogino, A. J. Mol. Structure (Theochem), 1997, 392, 43.
[2] Stryer, L. Biochemistry, 4th ed. W. H. Freeman & Company: New York, 1995; Part I, chapter 1.
[3] Ivan M. Okhapkin, Elena E. Makhaeva, Alexei R. Khokhlov, Two-dimensional classification of nonionic compounds based on interfacial and partitioning properties: case of monomers of water-soluble polymers, in press
[4] Kyte J., and Doolittle R.F. A Simple Method for Displaying the Hydropathic Character of a Protein . Journal of Molecular Biology 157(6): 105-142, 1982.
[5] Норр Т.Р., and Woods K.R. Prediction of protein antigenic determinants from amino acid sequences. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 78(6): 3824-3828, June 1981
[6] Protein Hydrophilicity Search and Comparison Server.
http://bioinformatics.weizmann.ac.il/hydroph/index.html
[7] Experimentally Determined Hydrophobicity Scales; Stephen White Laboratory at UC Irvine http://blanco.biomol.uci.edu/hydrophobicity_scales.html
43
[8] Физическая энциклопедия, http://www.phys-encyclopedia.net/, т. 1, стр. 332 [9] J. Als-Nielsen, F. Christensen, and P.S. Pershan, Phys. Rev. Lett. 48, 1107 (1982)
[10] A. Braslau, P.S. Pershan, G. Swislow, B.M. Ocko, J. Als-Nielsen, Capillary waves on the surface of simple liquids measured by x-ray reflectivity, Phys. Rev A, V. 38, N 5, p.2457, 1988
[11] F.P. Buff, R.A. Lovett, and F.H. Stillinger, Phys. Rev. Lett. 15, 621 (1965)
[12] R. Loudon, in Surface Excitations, edited by V.M. Agranovich and R. Lounder
(Elsiver, New York, 1984)
[13] B. M. Ocko, X.Z. Wu, E.B. Sirota, S.K. Sinha, and M. Deutsch, X-ray Reflectivity Study of Thermal Capillary Waves on Liquid Surfaces, Phys. Rev. Lett. 72, 242, 1994
[14] J.S. Rowlinson and B. Widom, Molecular Theory of Capillarity, Clarendon, Oxford, 1982
[15] J.D. Weeks, JCP 67, 3106 (1977)
[16] J.V. Sengers and J.M.J. van Leeuwen, Phys. Rev. A 39, 6346 (1989)
[17] J. Meunier, J. Phys (Paris) 48, 1819 (1987)
[18] M.P. Gelfand and M.E. Fisher, Physica (Amsterdam) 166A, 1 (1990)
[19] D. Beysens and M. Roberto, JCP 87, 3056 (1987)
[20] D.M. Mitrinovic, A.M. Tikhonov, M. Li, Z. Huang, and M.L. Schlossman Noncapillary-Wave Structure at theWater-Alkane Interface, Phys. Rev. Lett. 85, 585 (2000)
[21] X.Z. Wu, E.B. Sirota, S.K. Sinha, B.M. Ocko, and M. Deutsch, Phys. Rev. Lett. 70, 958 (1993)
[22] J. С Conboy, J. L. Daschbach, and G. L. Richmond, Appl. Phys. A 59, 623 (1994).
[23] J.L. Rivera, C. McCabe, P.T. Cummings, Molecular simulations of liquid-liquid interfacial properties: Water-n-alkane and water-methanol-n-alkane systems, Phys. Rev. E 67, 011603 (2003)
[24] В.И.Путляев, Е.А.Еремина, Правило фаз (однокомпонентные системы), http://www.chem.msu.su/rus/teaching/fasa/
[25] О.И. Киселёва, курс лекций «Основы живых систем».
[26] Ленинджер А. Основы биохимии, М. Мир, 1985.
[27] http://www.engineersedge.com/fluid_flow/fluid_data.htm
[28] S.K. Nath, F.A. Escobedo, and J.J. de Pablo, J. Chem. Phys. 108, 9905 (1998).
44
[29] J.Wang, P.Cieplak, and P.A. Kollman. Howwell does a restrained electrostatic potential(RESP) model perform in calculating conformational energies of organic and biological molecules? J. Comput. Chem. 21, 1049-1074 (2000).
[30] 2. Jorgensen, W., J. Chandrasekhar, J. D. Madura, R. W. Impey, and M. L. Klein. 1983. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J. Chem. Phys. 79:926-935
[31] Humphrey, W., Dalke, A. and Schulten, K., 'VMD - Visual Molecular Dynamics', J. Molec. Graphics 1996, 14.1, 33-38.
[32] http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
[33] http://www.mathworks.com
[34] http://www.intel.com/software/products/compilers/flin/
[35] A.S. Lemak and N.K. Balabaev, A comparison between collisional dynamics and Brownian dynamics, Molecular Simulation, 1995,15, 223-231
[36] A.S. Lemak and N.K. Balabaev, Molecular dynamics simulation of polymer chain in solution by collisional dynamics method, J. Comput. Chem., 1996,17, 1685-1695
[37] A.P. Хохлов, Лекция на "VIII конференции студентов и аспирантов Учебно-научного центра по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок" 2004 г.
45
|
На уровень вверх
Купить