Применение для научных целей

 

 

 

ВИЗУАЛИЗАТОР НАДМОЛЕКУЛЯРНЫХ БИОСТРУКТУР

«Protein 3D»

 

 

Назначение

Пользователи

Возможности

Описание

Применение

для учебных целей

для научных целей

 

             Программа «Protein 3D»  позволяет проводить анализ взаимосвязи кофакторов с ферментами (рис. 48).

 

Применение программы  для обоснования гипотезы о роли фосфатных групп как активирующих элементов ССИВС, способствующих процессам переноса зарядов в биоструктурах.

Хотя идея переноса энергии по системам пептидно-водородных связей возникла более 65 лет назад (см. раздел 4.2.5. в нашей книге [2]), последующие расчеты и экспериментальные исследования не подтвердили возможность такого переноса в белках и эта идея была надолго отодвинута в сторону, как не состоявшаяся.

Однако, развитие структурных исследований показывает, что системы пептидно-водородных связей не являются изолированными (см. [2]). Обобщенное представление о системах сопряженных ионно-водородных связей  (ССИВС) как основы построения биоструктур  и каналах передачи энергии в этих структурах, развитое в работе [2], позволило показать, что ССИВС содержат в своем составе разнообразные простые и резонансные группы. В частности, в их состав  входят и      HOP=O-группы. Факт широкого распространения комплексов белков, содержащих ССИВС с биомолекулами, содержащими HOP=O-группы, не получил в литературе должной оценки.

Отсутствие таких оценок позволило нам сформулировать гипотезу о роли HOP=O-групп в качестве активирующих элементов и источников зарядов в составе ССИВС. Эта гипотеза была впервые сформулирована и доложена нами на международном семинаре по нанобиотехнологиям, проходившем в Санкт-Петербурге в 2006 году [3]. В дальнейшем она была более подробно обоснована в нашей монографии ([2], см. разд.  10.3.4.).

Хотя при обосновании гипотезы в [2] нами были использованы и собственные данные, в этом разделе мы сосредоточим внимание на вопросе использования программы Protein 3D для демонстрации участия HOP=O-групп в ССИВС комплексов, структура которых была исследована различными авторами.

Белки в комплексе с фосфорилированными молекулами

В качестве примера таких белков (этих примеров  можно привести очень много) приводим структуру комплекса  бисфофоглицератмутазы человека с фосфоглицератом (файл 2H52).  Как видно на рисунке 45,а, молекула фосфоглицерата находится в центре белковой структуры (в красном прямоугольнике). Если кликнуть фосфатную группу на рендеринге «ССИВС», то видно, что выделяемые ССИВС проходят через HOP=O-группы, являются довольно протяженными и охватывают практически всю структуру белка.

 

 а

 б

 

  в

 

 г\

Рис. 45. Фосфоглицерат в структуре фосфоглицератмутазы человека  (pdb-файл 2H52).

а – форма представления – альфа-углеродный скелет; б – фосфолиглицерат в составе ССИВС;

Подсистемы ССИВС: в – подсистема; г – подсистема 2.

 

Если провести выделение ССИВС после удаления фосфатной группы, то оно  выявляет существование двух не связанных между собой подсистем ССИВС (рис.45, в, г). В то же время, в присутствии фосфоглицерата они являются взаимосвязанными. Таким образом, HOP=O-группы включены в ССИВС этого фермента и обеспечивают взаимосвязь отдельных подсистем ССИВС.

 

Фосфолипиды в структуре белков

Молекулы фосфолипидов, являющиеся важным компонентом биомембран, содержат диглицеридный остаток, связанный с азотистым основанием, например, этаноламином или холином (триметиламином) через фосфатную группу. До недавнего времени считалось, что гидрофильные «головки» (азотистые основания и фосфатные группы) должны быть погружены в растворитель. С позиции зонно-блочной модели биомембран это совсем не так (cм. главу 11 в [2]). Лишь в последние годы исследования комплексов фосфолипидов с белками методами РСА  подтвердили правильность наших представлений о том, что биполярные группировки должны входить в состав ССИВС. В монографии [2] приведены примеры структур фосфолипидов в составе ССИВС белков. 

В данном разделе приводим свежий пример – комплексы фосфатилилэтаноламина (ФЭА) и фосфатидилхолина (ФХ) с сигнальным белков дрожжей (файлы 3B74 и 3B7Q). Как видно на рисунке 46, а, HOP=O-группа ФЭА образует H-связь с серином, далее с аминогруппой фосфолипида и тирозином белка. Далее эта система продолжается вглубь белка.  В присутствии фосфатидилхолина (файл 3B7Q) связь HOP=O-группы с ССИВС нарушается за счет холиновой группировки (рис. 46, б), которая, согласно представлениям, развитым в разд.11.2.3. монографии [2], осуществляет в ССИВС изолирующие функции.

 

  а

  б

Рис. 46. Структура ССИВС сигнального белка дрожжей (файл 3B74), связанных с фосфатилилэтаноламином (а) и фосфатидилхолином (б).

 

 

Циклический АМФ в составе белковых рецепторов

К числу важных сигнальных молекул клеток живых организмов относятся молекулы циклических аденозинмонофосфата (цАМФ) и гуанозинмонофосфата (цГМФ). Анализу этих молекул в составе ССИВС посвящен раздел 12.4 в монографии [2]. В качестве примера приводим структуру ССИВС, содержащую цАМФ, в регуляторе транскрипции генов микобактерий (файл 3I54). Как показано на рис. 47,а. с цАМФ связан ряд подсистем ССИВС.: с адениловым кольцом (в верхней части рисунка), с углеводным остатком (вне прямоугольника) и с фосфатной группой (в прямоугольнике).

 

 а

 б

Рис. 47. Структура ССИВС, связанных с цАМФ, в регуляторе транскрипции генов микобактерий (файл 3I54).

 а – в присутстивии цАМФ, б - без цАМФ.

 

Как следует из рисунка 47, б, в отсутствие цАМФ связанные с фосфатной группой ССИВС (в красном прямоугольнике) распадаются на ряд разрозненных фрагментов. Аналогичные взаимодействия были выявлены ранее для файла 1I5Z (см. разд. 12.4.3 в монографии [2]).

 

Кофакторы ферментов

Многие ферменты, в первую очередь, из класса дегидрогеназ, содержат в своей структуре кофакторы в виде динуклеотидов, которые принимают участие в процессе катализа. В качестве примера на рисунке  48,а показано положение кофактора никотинамидадениндинуклеотида (НАД) в структуре фермента алкогольдегидргеназы лошади (файл 1AXE), а на рисунке 48,б – взаимосвязь фосфатных групп с ССИВС самого фермента.

 

  а

 б

 

  в

Рис. 48. Кофактор НАД в структуре алкогольдегидрогеназы лошади (файл 1AXE).

а- положение кофактора в структуре фермента (альфа-углеродный скелет);

б – связь фосфатных групп кофактора (в красном прямоугольнике) с ССИВС фермента;

в – взаимосвязь кофакторов через ССИВС, которые проходят через область контакта субъединиц (красная линия).

 

Отметим также, что фермент существует в виде димера. В его структуре выявляется взаимосвязь фосфатных групп обоих кофакторов, осуществляемая через ССИВС. Эти системы проходят через область контакта двух субъединиц (антипараллельную бета-структуру).

 

A-белки и G-белки

Большое число ферментов обладают каталитической активностью  при наличии в их структуре центров связывания молекул аденозинтрифата (АТФ-азы или А-белки)  или гуанозитрифосфата (ГТФ-азы или G-белки). Количество исследованных структур таких белков исчисляется тысячами. В монографии [2] (разд. 7.2.2. и 10.3.3.) рассмотрено несколько примеров взаимодействия этих молекул, рассматриваемых в качестве источников зарядов,  с ССИВС белков. Типичным можно считать положение трифосфатного блока в A- или G-белках, когда он связан с фрагментом альфа-спирали. В качестве примера на рисунке 49,а показано положение молекулы АТФ  структуре тяжелой цепи миозина (альфа-углеродный скелет, файл 1FMW), а на рисунке 49,б – взаимосвязь трифосфатного блока молекулы АТФ со спиральным фрагментом этого белка.  Для большей наглядности мы приводим лишь участком последовательности со 150 до 200 аминокислоты. На рисунке 49,б видно, что трифосфатный блок буквально встроен в ССИВС белка.

 

 а

 б

Рис. 49. Молекула АТФ в структуре тяжелой цепи миозина (файл 1FMW ).

а- положение молекулы АТФ в структуре белка (альфа-углеродный скелет). В красном прямоугольнике – фрагмент альфа-спирали, с которым взаимодействует трифосфатный блок АТФ.

б – связь трифосфатного блока с ССИВС альфа-спирального участка белка (фрагмент белка со150 до 200 аминокислоты).

 

Нуклеопротеиды

Нуклеиновые кислоты являются примером надмолекулярных структур, в которых  НOP=O-группы являются одним из основных структурно-функциональных элементов. Многочисленные процессы, происходящие при образовании комплексов белков с нуклеиновыми кислотами, происходят при встраивании фосфатных групп в ССИВС комплексов. В монографии [2] в разделе 7.3.2. рассмотрена структура нуклеосом. Образование ССИВС в них при участии НOP=O-групп. В данном разделе мы приводим пример ССИВС из комплекса рестриктазы PVU II с ДНК (рис. 50). На этом рисунке видно, что НOP=O-группа ДНК встроена в ССИВС белка, которая образует комплекс с участком ДНК.

 

 

Рис. 50. Фосфатная группа ДНК (в красном прямоугольнике), встроенная с ССИВС рестриктазы PVU II (зеленый прямоугольник), образующей комплекс с ДНК (файл 3PVI).

 

Обуждение и выводы

Возникает естественный вопрос: каково функциональное значение встраивания НOP=O-групп в структуру ССИВС. Нам представляется, что ответ на этот вопрос может дать рассмотрение особенностей электронной структуры НOP=O-групп.

-       во-первых, атом кислорода этой группы связан с атомом фосфора за счет pp-dp связи, более высокоэнергетичной, чем обычная pp-связь;

-       во-вторых, атом кислорода является в этой группе более электроотрицательным, чем в обычных  НOP=O группах;

-       в третьих, атом водорода, присоединенный к НOP=O-группе обладает большей подвижностью, чем в НOС=O-группах (фосфорная кислота является более сильной, чем карбоновые кислоты).

 

Все вместе взятое позволяет предположить, НOP=O-группы, встраиваясь в ССИВС, обладающую кооперативными свойствами, придают большую подвижность входящим в них протонам и являются, по сути, элементами, способными активировать процесс переноса зарядов в ССИВС.

 

На наш взгляд, именно НOP=O-группы являются тем недостающим звеном, без которого идея переноса зарядов по ССИВС до сих пор не находила широкого распространения. Можно сказать, что без включения НOP=O-групп в ССИВС многие процессы переноса зарядов в белках были бы просто неосуществимы. Отрицательный заряд, появившийся в результате расщепления одной из фосфатных групп в нуклеотидтрифосфатах, получает возможность свободно перемещаться по такой активированной ССИВС. Именно благодаря этому молекулы нуклеотидтрифосфатов приобрели столь широкое распространение, являясь источником зарядов.

 

Таким образом, использование программы Protein_3D позволило наглядно продемонстрировать, какую важную роль играет встраивание НOP=O-групп в формирование функциональных ССИВС и привести дополнительные доводы в пользу участия этих систем в процессах переноса зарядов биоструктур.

 

 

Адреса для связи:  genetic-code@yandex.ru  (руководитель проекта),

                                      amino-acids-20@yandex.ru  (программист)

 

Желающих СКАЧАТь программу  приглашаем перейти

На главную страницу