Введение к работе
Актуальность проблемы. Взаимосвязь между аминокислотной последовательностью и пространственной структурой белков остается одной из центральных нерешенных проблем в биоорганической химии и молекулярной биологии. Решение этой проблемы имеет большое значение как для фундаментальной, так и для прикладной науки, поскольку это позволило бы предсказывать пространственные структуры любых белков, целенаправленно исследовать взаимосвязь структуры и функции белков, конструировать новые белки с заданными свойствами, упрощать структуру, сохраняя при этом функцию, белков, имеющих важное значение в биотехнологии и медицине и т. д. Очевидно, что для того, чтобы понять "как" предсказывать пространственную структуру белков, необходимо выяснить "что" предсказывать, т. е. нужно знать все возможные конформации полипептидной цепи и структуры, которые она способна образовать в принципе. С другой стороны, необходимо выяснить, каким образом полипептидная цепь белка из большого числа возможных структур отбирает только одну уникальную структуру, т. е. необходимо знать принципы укладки полипептидной цепи в пространственные структуры.
Целью настоящей работы было решение трех основных задач:
-
Поиск новых, не описанных ранее в литературе, конформации полипептидной цепи как на уровне небольших структур в нерегулярных участках белков, так и на уровне супервторичных структур, образованных двумя и более связанными между собой элементами вторичной структуры.
-
Выяснение необходимых условий образования этих структур, т. е. выяснение необходимых условий, которым должна удовлетворять аминокислотная последовательность, кодирующая ту или другую структуру.
-
Разработка стереохимического метода поиска всех разрешенных пространственных структур глобулярных белков; составной частью этой задачи является выяснение новых закономерностей и принципов укладки полипептидной цепи в пространственные структуры, а также таких свойств цепи, которые резко ограничивают число возможных структур.
Научная новизна. До недавнего времени основное внимание исследователей в данной области науки было сосредоточено на изучении не связанных между собой а-спиралей и(или) ^-участков, на развитии методов их предсказания и выяснении принципов их упаковки; струк-
тура нерегулярных участков при этом сильно упрощалась или не рассматривалась вовсе. Однако, полипептидная цепь белка сворачивается в уникальную структуру как единое целое, и нерегулярные участки играют в этом процессе не менее важную роль, чем а-спирали и (3- структура. Значительная часть настоящей работы посвящена исследованию структуры нерегулярных участков и их роли в отборе уникальных упаковок а-спиралей и(или) (3-тяжей, связанных нерегулярными участками. Обнаружен и охарактеризован ряд неизвестных ранее небольших стандартных структур в нерегулярных участках белков, выяснены необходимые условия их образования. Показано, что основная часть длинных нерегулярных участков представляет собой различные комбинации из двух и более небольших стандартных структур.
В работе описан целый ряд неизвестных ранее структурных мотивов, состоящих из двух и более элементов вторичной структуры и имеющих уникальные укладки полипептидной цепи в пространстве. Показано, что структуры белков, содержащих один и тот же структурный мотив с уникальной укладкой цепи, могут быть получены последовательной пристройкой других а-спиралей и( или) (3-тяжей к этому структурному мотиву, принимая во внимание структурный контекст, хиральность структур, запрет на пересечение перетяжек и известные принципы упаковки элементов вторичной структуры. Предложена гипотеза о том, что такие структурные мотивы могут быть зародышами или готовыми "структурными блоками" в процессе сворачивания белков.
Практическая ценность. Полученные результаты значительно расширяют наши знания о конформационных возможностях и свойствах полипептидной цепи как на уровне небольших структур в нерегулярных участках, так и на уровне супервторичных структур. Полученные данные вместе с уже известными кокформациями и свойствами полипептидной цепи необходимы для разработки любого (стереохимии еекого, расчетного, статистического) метода предсказания пространственной структуры белков. Они могут использоваться и уже используются при конструировании новых белковых структур, в белковой инженерии, при интерпретации карт электронной плотности в рентгеноструктурном анализе белков и при расшифровке пространственных структур белкер методом ЯМР. Предложенный в работе метод описания коьфогчЧ l: -: * нерегулярных участков широко используется во многих 33\ . : ных лабораториях.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на рабочих совещаниях "Конформации и функции биологических
молекул" (Юрмала, 1985, 1987, 1989), Всесоюзном рабочем семинаре молодых ученых "Физико-химические свойства биологических макромолекул и методы их исследования" (Пущино, 1985), Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "Стабильность, структура и функции ферментов - теоретические и прикладные аспекты" С Вильнюс, 1986), VII Всесоюзном симпозиуме по химии белков и пептидов (Таллинн, 1987), Научных конференциях Института белка РАН (Пущино, 1988, 1993, 1994), Международном симпозиуме "Методы предсказания белковых структур, основанные на анализе дальних взаимодействий" (Копенгаген, 1993), а также на семинарах в Колледже Лондонского Университета, в Отделе Кристаллографии Беркбекского Колледжа и в Институте Исследований рака (Лондон, 1992).
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 19-ти научных статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из семи частей или глав (I. Введение, .... VI. Заключение, VII. Основные результаты и выводы) и списка цитированной литературы. Части II, III и IV подразделены на три, восемь и восемь разделов, соответственно. В диссертации нет традиционного обзора литературы в виде отдельной главы, однако большинство разделов содержит введения, где представляется современное состояние соответствующей проблемы, а также описание известных результатов и данных по мере необходимости в тексте. Материал диссертации изложен на 188 страницах, включая 125 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 10 таблиц и список литературы, состоящий из 256 наименований.
