Переходные состояния и доменная организация белков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, доктор физико-математических наук Потехин, Сергей Александрович

• Потехин, Сергей Александрович
• доктор физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Потехин, Сергей Александрович

I. ВВЕДЕНИЕ.

II.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8 II. 1. Термодинамическое исследование тепловой денатурации белков. ii. 2. Микрокалориметрическое исследование кинетики тепловой денатурации. ii. 3. Изучение природы активированного состояния. ii. 4. Объекты исследования.

II. 4.1. а -тропомиозин.

II. 4.2. Миозин.

II. 4.3. СгуЗА 5-эндотоксин.

II. 4.4. Другие белки использованные в работе.

III. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

III. 1. Равновесная денатурация.

III. 1.1. Термодинамическое описание многостадийных процессов.

III. 1.2. Теория обобщенных переходов между двумя состояниями.

III. 1.2(а). Общие положения.

111.1.2(6). Переход между двумя состояниями с комплексной вырожденностью.

Ш.1.2(в). Вырожденность представления термодинамических систем.

Ш.1.2(г). Алгоритм анализа поведения термодинамических систем.

III. 1.3. Поведение двухстадийной модели тепловой денатурации.

III. 1.4. Двухдоменная модель денатурации с взаимодействующими. доменами.

III. 1.5. Методы термодинамического анализа реальных калориметрических данных.

III. 2. Неравновесная денатурация

III. 2.1. Влияние кинетических факторов на тепловую денатурацию и ренатурацию биополимеров.

III.2.1(a). Методы расчета.

III.2.1(6). Влияние медленной кинетики и констант скоростей реакций на калориметрические. кривые при прогреве образца.

Ш.2.1(в). Обратное сканирование.

Ш.2.1(г). Повторное сканирование препаратов.

III. 2.2. Методы анализа неравновесных экспериментальных данных.

IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАС ТЬ 92 IV. 1. Методы выделения и очистки препаратов.

IV. 1.1. Выделение и очистка а-тропомиозина и его фрагментов.

IV. 1.2. Выделение и очистка суперспиральных фрагментов миозина.

IV. 1.3. Выделение и очистка СгуЗА 5-эндотоксина и его фрагментов.

IV. 1.4. Другие экспериментальные методики использованные в работе.

IV. 2. Результаты.

IV. 2.1. Неравновесная денатурация.

IV. 2.1 (а). Метионинаминопептидаза.

IV. 2.1(6). СгуЗА б-эндотоксин.

IV. 2. 2. Равновесная денатурация.

IV. 2.2(а). Цитохром С.

IV. 2.2 (б), а -Тропомиозин и его фрагменты.

IV. 2.2 (в). Суперспиральные фрагменты миозина.

IV. 2.2 (г). Другие белки и фрагменты.

V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

V. 1. Кинетически контролируемая денатурация и природа переходного состояния.

V. 2. Дискретность структуры.

VI. ВЫВОДЫ.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Потехин, Сергей Александрович

VI. выводы.

1. На основании теории комплексных чисел разработан аппарат обобщенных переходов между двумя состояниями, позволяющий представлять кривые избыточного теплопоглощения произвольной термодинамической системы в виде суммы определенного вида пиков теплопоглощения. Класс обобщенных переходов между двумя состояниями представляет собой вырожденный базис по отношению к любой термодинамической системе.

2. Используя аппарат обобщенных переходов между двумя состояниями, проанализированы несколько простейших моделей конформационных переходов в реальных биополимерах. В частности, оценена область энергий междоменных взаимодействий, которые могут быть реально измерены в микрокалориметрических экспериментах.

3. Разработан аппарат анализа (деконволюции) экспериментальных кривых избыточного теплопоглощения в равновесных и неравновесных экспериментах. Проанализированы области устойчивости алгоритмов.

4. Проанализирована модель одностадийной обратимой неравновесной тепловой денатурации. Показано, что в определенных случаях причиной кажущейся необратимости при тепловой денатурации может быть неравновесность процесса охлаждения.

5. Разработанные методы применены к большому набору фибрилярных и глобулярных белков (а-тропомиозин, суперспиральный хвост молекулы миозина, 5-эндотоксин, метионинаминопептидаза, иммуноглобулин О, фибритин и их фрагменты). В случаях равновесной денатурации построены карты доменной организации изученных белков. Показана определяющая роль доменной организации в образовании продуктов ограниченного протеолиза молекул. Концы структурированых протеолитических фрагментов всегда совпадают с границами кооперативных блоков.

6. В случаях метастабильных структур получены термодинамические параметры их активированного (переходного) состояния. Показано, что белки в активированном состоянии представляют собой компактные, слабогидратированые структуры, близкие к нативным. Изменение структуры белка, происходящее при активации, затрагивает далеко не всю структуру молекулы.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Потехин, Сергей Александрович, 1999 год

1. Публикации автора по теме диссертации:

2. Потехин С.А., Привалов П.Л. (1978) Тепловая денатурация а-тропомиозина и егофрагментов. Биофизика, 23, 219-223.

3. Потехин С. А., Филимонов В.В. Специфическое расщепление а-тропомиозина поцистеину-190 и физико-химическое изучение фрагментов. (1978) Биофизика, 23, 986-990.

4. Потехин С.А., Трапков В.А., Привалов П.Л. (1978) Структура миозинового "хвоста" итепловая денатурация его спиральных фрагментов. III Всесоюзная конференция по биохимии мышц. Ленинград, 24-26 мая. Тезисы докладов, 142.

5. Потехин С.А., Трапков В.А., Привалов П.Л. (1979) Стадийность тепловой денатурацииспиральных фрагментов миозина. Биофизика, 24, 46-50.

6. Потехин С. А., Привалов П.Л. (1979) Тепловая денатурация парамиозина и егофрагментов. Мол. биол., 13, 666-672.

7. Потехин С. А., Привалов П.Л. (1979) Основные закономерности тепловой денатурацииа-суперспиральных белков. VIII Всесоюзная конференция по калориметрии и химической термодинамике. Иваново, 25-27 сентября. Тезисы докладов, 418420.

8. Матвеев C.B., Потехин С.А., Привалов П.Л., Филимонов В.В. (1980)

9. Термодинамический подход к исследованию структурной организации макромолекул. V Совещание по конформационным изменениям биополимеров в растворах. Телави, 1-3 октября. Тезисы докладов, 74.

10. Potekhin S.A. & Privalov P.L. (1980) Cooperative blocks in tropomyosin molecules.1.ternational Symposium on Вiocalorimetry, Tbilisi (USSR), September 21-27. Abstracts, 20.

11. Potekhin S.A. & Privalov P.L. (1982) Co-operative blocks in tropomyosin. J. Mol. Biol.,159, 519-535.

12. Филимонов B.B., Потехин C.A., Матвеев C.B., Привалов П.Л. (1982)

13. Термодинамический анализ данных сканирующей микрокалориметрии.

14. Алгоритмы деконволюции кривых избыточного теплопоглащения. Мол. биол., 26, 551-562.

15. Tishchenko V.M., Zav'yalov V.P., Medgyesi G.A., Potekhin S.A. & Privalov P.L. (1982)

16. A thermodynamic study of cooperative structures in rabbit immunoglobulin G. Eur. J. Biochem., 126, 517-521.

17. Потехин С.А., Привалов П.Л. (1983) Блочная структура а-тропомиозина. Всесоюзныйсимпозиум по биохимии и биофизике мышечного сокращения. Тбилиси. Тезисы докладов, 55-56.

18. Potekhin S.A. and Pfeil W. (1985) Physico-chemical properties of biopolymers in solutionand cells. International Symposium on Physico-Chemical Properties of Biopolymers in Solutions and Cells, Pushchino, 1985, p.59.

19. Потехин С.A. (1985) Термодинамический анализ конформационных измененийферрицитохрома с при кислых значениях рН. VI Всесоюзный симпозиум по конформационным изменениям биополимеров в растворах. Тбилиси. Тезисы докладов, 15.

20. Privalov P.L. & Potekhin S.A. (1986) Scanning microcalorimetry in studying temperatureinduced changes in proteins. Methods in Enzymology, 131, 1-51.

21. Potekhin S.A. and Pfeil W. (1989) Microcalorimetric studies of conformational transitions offerricytochrome-C in acidic solution. Biophys. Chem. 34, 55-62.

22. Кутышенко В.П., Потехин С.А., Смалла К.Х. (1991) Изучение N-концевых фрагментова-тропомиозина методом ЯМР спектроскопии. Биофизика, 36, 762-769.

23. Потехин С. А. (1993) Обобщенная модель переходов между двумя состояниями;удобный аппарат для анализа формы кривых плавления. Биофизика, 38, 47-57.

24. Потехин С. А. (1993) Обобщенная модель переходов между двумя состояниями.

25. Применение к анализу формы кривых избыточной теплоемкости по статистической сумме системы. Биофизика, 38, 239-252.

26. Efimov V.P., Nepluev I.V., Sobolev B.N., Zurabishvili T.G., Schulthess Т., Lusting A.,

27. Engel J., Haener M., Aebi U., Venyaminov S.Yu., Potekhin S.A. & Mesyanzhinov

28. V.V. (1994) Fibritin encoded by bacteriophage T4 gene wac has a parallel triple-stranded alpha-helical coild coil structure. J. Mol. Biol. 242, 470-486.

29. Potekhin S.A. (1994) A generalized model for two-state transitions; Additive representationof curves of excessive heat absorption. International and III Sino-Japanese Symp. on Thermal Measurements. Xi'an, China, June 5-9.

30. Лосева О.И., Киркитадзе М.Д., Добрица А.П., Потехин С.А. (1996)

31. Термодинамический анализ доменной организации токсинов из Bacillus thuringiensis. Биоорг. химия., 22, 900-906.

32. Потехин С. А., Ковригин Е.Л. (1998) Влияние кинетики на тепловую денатурацию иренатурацию биополимеров. Биофизика, 43, 223-232.

33. Potekhin S.A. & Kovrigin E.L. (1998) Folding under inequilibrium conditions as a possiblereason for partial irreversibility of heat-denatured proteins: computer simulation study. Biophys. Chem., 73, 241-248.

34. Loseva O.I., Potekhin S.A., Tiktopulo E.I., Kirkitadze M.D. & Dobritsa A.P. (1998)

35. Potekhin S.A., Loseva O.I., Tiktopulo E.I. & Dobritsa A.P. (1999) Transition state of the ratelimiting step of heat denaturation of СгуЗА 5-endotoxin. Biochemistry, 38, 4121-4127.

36. Использованная литература:

37. Freire E. & Biltonen R.L. (1978) Statistical mechanical deconvolution of thermal transition inmacromolecules. 1. Theory and application to homogeneous systems. Biopolymers, 17, 463-479.

38. Freire E. (1977) Statistical thermodynamics of conformational transitions in macromolecules.

39. Dissertation, University of Virginia.

40. Privalov P. L. (1982) Stability of proteins. Proteins which do not present a single cooperativesystem. Adv. Protein Chem., 35, 1-104.

41. Kidokoro S.-J. & Wada A. (1987) Determination of thermodynamic functions from scanningcalorimetry data. Biopolymers, 26, 213-229.

42. Prigogine I, & Defay R. (1962) ChemicalThermodynamics. Wiley, New York.

43. Hermans J.J. & ScheragaH.A. (1961) Structural studies of ribonuclease. 5. Reversible changeof configuration. J. Am. Chem. Soc., 83, 3283-3292.

44. Brandts J.F. (1964) The thermodynamics of protein denaturation. 2. A model of reversibledenaturation and interpretation regarding the stability of chymotrypsinogen. J. Am. Chem. Soc., 86, 4302-4314.

45. Brandts J.F. & Lumry R. (1963) The reversible thermal denaturation of chymotrypsinogen. 1.

46. Experimental characterization. J. Phys. Chem., 67, 1484-1494.

47. Lumry R., Biltonen R.L. & Brandts J.F. (1966) Validity of the "two-state" hypothesis forconformational transitions of proteins. Biopolymers, 4, 917-944.

48. Biltonen R.L. & Lumry R. (1971) Studies of the chymotrypsinogen A family of proteins. 8.

49. Thermodynamic analysis of transition of the methionine sulfoxide derivatives of a-chymotrypsin. J. Am. Chem. Soc., 93, 224-230.

50. Anfinsen C.B. (1956) The limited digestion of ribonuclease with pepsin. J. Biol. Chem., 221,405.412.

51. Kresheck G.C. & Benjamin L. (1964) Calorimetric studies of the hydrophobic nature ofseveral protein constituents and ovalbumin in water and aqueous urea. J. Phys. Chem., 68, 2476-2486.

52. Fasman G.D. & Lindblow C. (1964) Conformational studies on synthetic poly-a-amino acids.

53. Factors influencing the stability of the helical conformation of poly-L-glutamic acid and copolymers of L-glutamic acid and L-leucine. Biochemistry, 3, 155-166,

54. Poland D. & Scheraga H.A. (1965) Statistical mechanics of noncovalent bonds inpolyaminoacids. 9. The two-state theory of protein denaturation. Biopolymers, 3, 401419.

55. Scott R.A. & Scheraga H.A. (1963) Structural studies of ribonuclease. 9. Kinetics ofdenaturation. J. Am. Chem. Soc., 85, 3866-3873.

56. Meadows D.H., Jardetzky O, Epand R.M., Ruterjans H.H. & Scheraga H.A. (1968)

57. Assignment of the histidine peaks in the nuclear magnetic resonance spectrum of ribonuclease. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 60, 766-772.

58. Characterization of the conformational variation of chymotrypsin. J. Am. Chem. Soc., 91, 4251-4256.

59. Elson E.L. (1972) Analysis of the steady-state approximation for the sequential model.

60. J. Mol. Biol, 63, 469-475.

61. Anfinsen C.B. (1973) Principles that govern the folding of protein chains. Science, 181, 223230.

62. Tsong T.Y. & Baldwin R.L. (1972) Kinetic evidence for intermediate states in the unfoldingof chymotrypsinogen A. J. Mol. Biol., 69, 145-148.

63. Tsong T.Y. & Baldwin R.L. (1972) Kinetic evidence for intermediate states in the unfoldingof ribonuclease A. 2. Kinetics of exposure to solvent a specific dinitrophenyl group. J. Mol. Biol., 69, 149-153.

64. Privalov P.L. & Khechinashvili N.N. (1974) A thermodynamic approach to the problem ofstabilization of globular protein structure: a calorimetric study. J. Mol. Biol., 86, 665-684.

65. Privalov P.L. (1979) Stability of proteins. Small globular proteins. Adv. Prot. Chem., 33, 167241.

66. Тиктопуло Е.И. (1975) Термодинамическое исследование процесса тепловойденатурации глобулярных белков. Кандидатская диссертация. Пущино, Институт белка АН СССР.

67. Holcomb D.N. & Van Holde K.E. (1962) Ultracentrifugal and viscometric studies of thereversible thermal denaturation of ribonuclease. J. Phis. Chem., 66, 1999-2006.

68. Тиктопуло Е.И., Привалов П.Л. (1975) Исследование температурных измененийрибонуклеазы. Биофизика, 20, 778-782,

69. Nakanishi М., Tsuboi М. & Ikegami А. (1973) Fluctuations of the lysozyme structure. 2.

70. Effects of temperature and binding of inhibitors. J. Mol. Biol., 75,673-682.

71. Zaborsky O.R. & Millman G.E. (1972) The effect of temperature on the chemical shifts of thehistidine residues of ribonuclease A. Biochim. Biophys. Acta, 271, 274-278.

72. McDonald C.C., Phillips W.D. & Glickson J.D. (1971) Nuclear magnetic resonance study ofthe mechanism of reversible denaturation of lysozyme. J. Am. Chem. Soc., 93, 235-246.

73. Freire E. & Biltonen R.L. (1978) Statistical mechanical deconvolution of thermal transition inmacromolecules. 1. Theory and application to homogeneous systems. Biopolymers, 17, 463-479.

74. Freire E. (1977) Statistical thermodynamics of conformational transitions in macromolecules.

75. Dissertation, University of Virginia.

76. Pfeil W. (1981) The problem of the stability of globular proteins. Molecular and Cellular1. Biochemistry, 40, 3-28.

77. Gudkov A.T., Khechinashvili N.N. & Bushuev V.N. (1978) Studies of the structure ofprotein L7/L12 from Escherichia coli ribosomes. Eur. J. Biochem., 90, 113-118.

78. Privalov P.L. & Pfeil W. (1978) Thermodynamics of protein folding. FEES 12th Meeting.

79. Dresden, (ed. Hofmann E.)159-172.

80. Птицын О.Б. (1975) Многоцентровой механизм самоорганизации глобулярных белкови кооперативность их денатурации и ренатурации. ДАН СССР, 223, 1253-1255.

81. Kretsinger R.H. (1972) Gene triplicaton deduced from the tertiary structure of a musclecalcium binding protein. Nature New Biol., 240, 85-88.

82. Rossmann M.G. & Lilijas A. (1974) Recognition of structural domains in globular proteins. J.1. Mol. Biol., 85, 177-181.

83. Makhatadze G.I. & Privalov P.L. (1995) Energetics of protein structure. Adv. Prot. Chem.,47, 307-425.

84. Privalov P.L. (1979) Microcalorimetric studies of macromolecules. NETSIJ (Japan), 6, 56-65.

85. Privalov P. L. (1982). Stability of proteins. Proteins which do not present a single cooperativesystem. Adv. Protein Chem. 35, 1-104.

86. Privalov P.L. & Filimonov V.V. (1978) Thermodynamic analysis of transfer RNA unfolding.1. Mol. Biol., 122, 447-464.

87. Shinoda Т., Takahashi N., Takayasu Т., Okuyama T. & Shimizu A. (1981) Complete aminoacid sequence of the Fc region of a human delta chain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 78, 785-789.

88. Niedzwiadek W.E., O'Bryan G.T., Blumenstock F.A., Saba T.M. & Andersen T.T. (1988) Acalorimetric analysis of human plasma fibronectin: effects of heparin binding on domain structure. Biochemistry, 27, 7116-7124.

89. Donovan J.W. & Mihalyi E. (1974) Conformation of fibrinogen: calorimetric evidence for athree-modular structure. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 71, 4125-4128.74