Введение к работе
Введение. Актуальность проблемы.
Более пятидесяти лег проблема структурпой организации глобулы белка является предметом активного натиска ученых из различных областей естествознания. Тем не менее до сих пор проблема складывания белка по последовательности остается одной из самых интригующих загадок молекулярной биологии. Сложности понимания процессов структурооб-разоваяил связаны в первую очередь с тем обстоятельством, что белок как макроскопическая система формируется в воде и при участии воды как элемента невалентпого ансамбля структуры глобулы. Это предопределило неудачу многих попыток построения белка по последовательности и, прежде всего, с использованием эмпирических потенциалов. Другая линия исследований структуры белка связана с иерархическим подходом: от первичной структуры ко вторичной и далее - третичной структуре. Этот подход особенно стимулировало открытие нового промежуточного состояпия белков - расплавленной глобулы, в которой вторичная структура мало отличается от таковой в нагивном белке, а трепгшая структура нарушена. Неожиданным результатом термодинамического анализа белков оказалось некооперативное по температуре, по кооперативное по воздействию химических денатурирующих факторов разрушение расплавленной глобулы, т.е. стало очевидным существование еще одного типа компактного состояния белка, переход из которого носит характер фазового по параметру объема.
Эти результаті.! привели к попыткам установить минимальную структурную единицу белка, которая одновременно является и иерархической единицей самосборки его третичной структуры. Многочисленные исследования показали, что элементарные устойчивые части пространствепной структуры белка пе совпадают ни с отдельными участками вторичных структур, пи с доменами, т.е. участками повышенной электронной плотности, определяемыми рентгенографически. Оказалось, что чаще всего ими являются участки супервторичных структур, стабилизированных поверхностными водородными связями или ионными парами. В то же время, структурные домены, выделяемые из данных рентгеноструктурного анализа, не всегда совпадают с размерами независимо и кооперативно плавящихся областей по данным микрокалориметрии. Это сделало проблему выделения энергетически независимых областей в глобулярных белках одной из ключевых задач в современных подходах к решению проблемы самосборки белков и усилило поэтому интерес к развитию новых, адекватных подходов к оценке потенциальных энергетически независимых областей в белковых макромолекулах.
Цели и задачи исследования.
Цель настоящей работы состояла в создании единого метода выделения энергоемких участков в глобулах белков и их комплексов и последующем анализе с его применением Банка пространственных структур белков. В конкретные задачи работы входило: 1) выбор приближения для оценки энергии взаимодействий в различных участках пространственных структур белков, 2) выбор системы потенциалов для расчета распределения энергии нева-лентпых взаимодействий на отдельных участках молекулы белка, 3) разработка универсального компьютерного метода оценки распределения энергии невалентных взаимодействий в макромолекулах белков и их комплексов, 4) разработка способа графического представления распределения энергии невалентных взаимодействий на разных уровнях иерархии белковых структур и их комплексов, 5) выделение энергетически значимых участков пространственных структур глобул белков на материале Банка негомологичных структур белков, 6) анализ доменной структуры семейств с одинаковым типом пространственной структуры, 7) установление роли доменной структуры в поддержании термостабильности белков.
Научная новизна работы.
Впервые разработан объективный компьютерный метод оценки распределения невалентных взаимодействий по пространству трехмерных структур глобулярных белков. Метод позволяет выделять домены, обнаруживаемые из данных рентгеноструктурного анализа по распределению электронной плотности, а также указывать уровень энергетической иерархии, на котором эти домены могут быть выделены. Метод впервые даст возможность устанавливать конкретные взаимодействия, ответственные за распределение доменов, модулей и элементарных энергоемких участков. Обоснован выбор ван-дер-ваальсова приближения для решения задачи о выделении доменов в глобулярных белках. Разработан графический способ проектирования трехмерных распределений энергии на двумерную диаграмму, позволяющую выявлять иерархию распределения энергий ван-дер-ваальсовых взаимодействий по отношению к последовательности аминокислот и устанавливать, таким образом, роль электростатики во взаимодействии границ энергоемких участков.
На основании развитого метода впервые проанализирован Банк пространственных структур белков с целью получения распределения энергии в пространстве белковых макромолекул, выделены уровни энергетической иерархии в пространственных структурах негомологичных белков. Показано, что новым методом с большой точностью выделяются домены (участки с повышенной электронной плотностью). Помимо этого метод позволяет устанавливать потенциальные энергетические домены - участки, независимые друг от друга в термодинамическом отношении, и указывать условия, в которых такая потенциальная неза-
висимость могла бы проявиться. Показано, что распределение энергии ван-дер-ваальсовых взаимодействий в похожих по пространственной структуре белках гомологично и может быть использовано как дополнительный критерий выравнивания последовательностей.
Практическое значение работы
Разработанный метод и полученный с его помощью Банк доменных структур, включающий их иерархически организовавшее энергетические характеристики, важпы для развития методов конструирования белков с заданпой теплоустойчивостью и параметрами взаимодействия в любой из частей пространства глобул. С помощью разработанных подходов можно проводить компьютерное конструирование химерных белков на основе энергоемких участков различных глобул, используя их как неизменпые единицы. Метод позволяет также интерпретировать результаты термодинамического анализа белков в терминах энергии взаимодействия участков глобул. Поэтому он может оказаться полезным как для белковой инженерии, так и для компьютерного дизайна в медицинских целях. Разработаппый метод, включая его графические приложения, может быть применен для анализа последовательностей в белках, а созданный комплекс программ использован в качестве базового для структурно-функционального анализа иерархической блочной организации последовательностей символов в белках и их соответствия энергоемким участкам пространственных структур.
Апробация
Результаты диссертации докладывались на Международной конференции по химической термодинамике ("17-th Conference IUPAC on Chemical Thermodynamics"), Осака, Япония, 25-30 августа 1996 года, на рабочем совещаіши по математическому анализу биологических последовательностей ("Malhematical Analysis of Biological Sequences"), Pyan, Франция, 27-29 августа 1997 года, а также были представлені,! па конференции по биоинформатике ("The 24lh Aharon Katzir-Katchalsky Conference "Bioinformatics-Structure"). Иерусалим, Израиль, 17-21 ноября 1996г.
Публикапип
По материалам работы опубликованс шесть печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 105 страницах и включает 30 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 95 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, включая литературный обзор, заключения и выводов.