Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема взаимосвязи структуры и функции биологических молекул всегда была центральной в молекулярной биологии. Для белков эта взаимосвязь наиболее интересна и, по-видимому, наиболее сложна, так как белки -это биологические макромолекулы, построенные из довольно большого числа разных мономеров - двадцати аминокислот.
Развитие методов автоматического определения нуклеотидных последовательностей привело к быстрому накоплению данных и об аминокислотных последовательностях. В настоящее время в банках первичных структур белков насчитывается до 40000 последовательностей. В то же время в банке пространственных структур белков - только около 1000 белков (851 на январь 1992 г. [Protein Data Bank Newsletter, 1992]), причем многие из них являются модификациями одних и тех же или близкородственных белков. За год банк первичных структур примерно удваивает своя объем. Банк пространственных структур за это же время становится в полтора раза больше. То есть, через год в банке первичных структур будет приблизительно 80000 последовательностей, а в банке пространственных структур - около 1500. Такой большой разрыв обусловлен, во-первых', значительной сложностью и трудоемкостью метода рентгеноструктурного анализа (РСА) -практически единственного метода, позволяюаего определять пространственную структуру белков на атомном уровне. Во-вторых, метод РСА имеет принципиальное ограничение: далеко не для всех белков удается получить кристаллы, дающие качественную диффракционную картину.
Попытки предсказать пространственную структуру белков на основе аминокислотной последовательности, предсказав сначала участки вторичной структуры, и перебрав затем все варианты взаимодействия этих элементов в пространстве, не дали впечатляющих' результатов. Ксли на этом пути и удается
получить какие-то координаты, то больного доверия такие координаты не вызывают. Дело в том, что вторичная структура реальной белковой молекулы является функцией не только первичной структуры, но и конкретной третичной структуры данного белка, а именно эту структуру еще только предстоит определить. По-видимому, этим обстоятельством определяется тот предел правильности в предсказаниях вторичной структуры белков, какой мы имеем в настоящий момент, - 64% правилных предсказаний. Предел этот скорее всего принципиальный и не связан с техническими недоработками алгоритмов предсказания вторичной структуры.
Таким образом, проблема определения пространственных структур белков обостряется с каждым годом. В связи с этим актуальность анализа уже существующих пространственных структур тоже возрастает, тем более, что материала для такого анализа уже достаточно (около 1000 структур).
В настоящей работе проведен анализ пространственных структур доменов глобулярных белков, содержащих бета-листы, В стабилизацию структуры которых вносит значительный вклад гидрофобное ядро. Анализ проведен для 58 доменов глобулярных белков из банка пространственных структур.
Поль и задачи исследования.
Целью настоящей работы был поиск основных факторов, определяющих архитектуру доменов глобулярных белков, содержащих бета-структуру. Под архитектурой ідесь понимается взаимное расположение в пространстве элементов вторичной структуры, без учета того, как эти элементы соединены петлями вдоль полипептидной цепи. Попутно ревалась следующая задача: выяснить, по возможности, как много различных типов архитектур возможно для доменов, содержащих бета-структуру.
Научная новизна.
Осуществлен оригинальный метод анализа бета-структуры белков, сочетающий построение пространственных моделей, теоретический и компьютерный анализ пространственных
структур белков.
Впервые анализ проводился на уровне архитектур, в указанном выше смысле, а не конкретных структур или топология, что во многом и определило получение результатов.
Впервые выявлено, что основным фактором, определяюциы архитектуру доменов глобулярных белков, содержащих бета-структуру, является стремление гидрофобных групп образовать локальную плотную упаковку на поверхности бета-структурного листа.
Показано, что на число возмохных архитектур доменов, структура которых держится в основном иа гидрофобном ядре и содержащих бета-структру, сильные ограничения накладывает геометрические параметры бета листа.
Показано, что значительное число таких доменов с известной пространственной структурой попадают в один из выявленных типов архитектур.
Теоретическая и практическая ценность.
Полученные в настоящей работе результаты имеют принципиальное значение для проблемы получения информации о пространственной структуре белков на основе их аминокислотной последовательности. Вместе с результатами работ Мурзина А.В. по альфа-спиральным белкам они показывают, что для любого белка с неизвестной пространственной структурой существует больаая вероятность того, что в банке, уже ревенных пространственных структур есть домены с таким же типом архитектуры. То есть задача состоит не в том, чтобы предсказать элементы вторичной структуры по первичной и скомбинировать из них третичную, а в том, чтобы правильно найти уже, как правило, существующий аналог архитектуры в банке пространственных структур, получив тем самым больную часть домена в почти готовом виде и уже после этого "доводить" более тонкие детали вторичной, супервторичноя и доменной структуры.
Результаты данной работы могут применяться при
проведении рентгеноструктурных исследований белковых молекул и исследований методом ядерного магнитного резонанса, при проведении белковоинженерных работ и других работ по исследованию трехмерной структуры белковых молекул.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на 12-ой кристаллографической конференции (Москва, 1989), всесоюзном симпозиуме по химии белков (Тбилиси, 1990) и международной коференции "Моделирование и компьютерные методы в молекулярной биологии и генетике" (Новосибирск, 1990).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех Глав, Заключения, Выводов, Примечаний, Благодарностей и Списка цитируемой литературы (92 работы). Объем диссертации 67 страниц текста, 42 рисунка, 1 таблица. Общий объем диссертации 98 страниц.