Задачи конформационного анализа комплекса биополимеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Мильчевский, Юрий Викторович

• Мильчевский, Юрий Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мильчевский, Юрий Викторович

Общая характеристика работы

Глава I. Обзор литературы

Глава П. Информационный анализ моделирующих коллаген полипептидов

II. 1. Введение

11.2. Тройные комплексы [(GAO)4-(GPO)4]3 и [(GPO)4-(GAO)4]

11.3. Тройные комплексы [GKOGEOGPKGDAGAOGAO(GPO)2]3 и [(GPO)2(GEK)(GPO)2]

II. 4. Результаты и обсуждение

Глава Ш. Конформационные расчеты пространственной структуры полной молекулы коллагена Ш человека

III. 1. Введение

111.2. Конформационный расчет полной молекулы коллагена

111.3. Развитие метода пошаговой множественной регрессии для анализа результатов конформационных расчетов

111.4. Результаты и обсуждение

Глава IV. Расчет трехмерных структур участков полипептидных цепей коллагенов, включающих замены аминокислот, происходящие вследствие мутаций, вызывающих тяжелые патологии - «коллагеновые болезни»

IV. 1. Введение

IV.2. Исследование однонуклеотидного полиморфизма в коллагене III человека

IV. 3. Результаты и обсуждение

Выводы Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Задачи конформационного анализа комплекса биополимеров»

Актуальность проблемы. Коллаген - наиболее распространенный белок млекопитающих, достигающий по весу до 30% от всех белков организма. На сегодня известно до 20 различных типов коллагеновых молекул, отличающихся соотношением трехспиральных и глобулярных областей, общей архитектурой макромолекул и, соответственно, микро- и макромолекулярными особенностями их функционирования. Все молекулы коллагенов к тому же и видоспецифичны. Молекулы коллагенов, в основном первого типа, после того как они секретируются клеткой, собираются в характерные волокна, обеспечивающие функциональную целостность таких тканей как кости, хрящи, сухожилия и кожа. Молекулы коллагенов первого и некоторых других типов способствуют структурной организации кровеносных сосудов и большинства других органов. Многие проявления жизнедеятельности человеческого организма как нормальные, так и патологические включают в себя способность тканей восстанавливать и видоизменять коллагеновые структуры.

Фибриллярные части молекул коллагенов состоят из трех параллельных полипептидных цепей, связанных межцепочечными водородными связями. Различаются коллагены, образованные тремя идентичными цепями и разными цепями - al и а2 - в пропорции 2:1. Из идентичных цепей построены макромолекулы коллагенов типа П и III. Последовательность цепей коллагена имеет замечательную особенность - каждый третий остаток - глицин. Кроме того, в коллагене наблюдается повышенное содержание остатков пролина и его производной - оксипролина. В каждой цепи коллагена несколько более 1000 аминокислот. Основные черты молекулы коллагена были установлены методом рентгенографии волокон еще в 20-е годы. Однако более существенное продвижение в определении структуры молекулы коллагена произошло в 50-х годах после разработки теории дифракции на спиралях, получения сведений о первичной структуре макромолекул и физико-химических данных. В 1955 году практически одновременно три группы исследователей пришли к принципиальному выводу, что молекула построена по принципу тройной «спиральной спирали». Каждая цепь представляет собой искаженную левую спираль типа полипролин II, причем трипептид размножается вдоль ковалентной цепочки правым спиральным преобразованием. Построенные на основе правильно определенного типа структуры модели имели, однако достаточное число слабых мест, что практически сделало их непригодными, прежде всего из-за отсутствия стереохимически удовлетворительных участков переходов от областей последовательности, содержащих пролиновые остатки во вторых положениях молекулярных цепей и содержащих аминокислотные остатки во втором положении трипептидов. Поэтому, невзирая на то, что с начала 60 гг. было опубликовано большое число исследований гомополитрипептидов и даже проведены кристаллографические исследования олиготрипептида (ОРР)ю, до сих пор мы не представляем себе, хотя бы в принципе, как устроена вся макромолекула коллагена в целом.

Похоже на то, что атомная структура макромолекулы, рентгенограмма которой была получена одной из первых, станет достоянием естествознания одной из последних. В этом смысле, исследования принципов организации фибриллярных макромолекул коллагенов остаются столь же актуальными, как и полвека назад. Важные вопросы при исследованиях коллагеновых структур определяются неясностями, возникающими при попытках объяснения необычных физико-химических свойств коллагеновых макромолекул, среди которых, прежде всего, следует упомянуть роль воды в стабилизации структур и необычные физико-химические, а среди них, прежде всего, термодинамические свойства коллагенов.

Цель работы. Цель исследования заключалась в развитии методов конформационного анализа для расчетов структур целых фибриллярных макромолекул и их комплексов. Основная задача исследования заключалась в расчете структуры макромолекулы коллагена Ш методами молекулярной механики и объяснении на основе рассмотрения полученной структуры дифракционных и физико-химических свойств целого белка и отдельных олигомеров, составляющих участки его пространственной структуры. Предполагалось установить вклады ближних и дальних взаимодействий в стабилизацию и механизмы функционирования коллагеновых макромолекул и их элементов.

Научная новизна. Методами молекулярной механики впервые рассчитана структура трехспиральной макромолекулы коллагена Ш человека. В ходе работы применен специально разработанный метод расчета спиральных параметров для молекул, не обладающих строгой спиральной симметрией, что даст возможность рассчитывать дифракционные картины, а, следовательно, сравнивать расчетные и рентгенографические данные, сколь бы усредненными они ни были.

Проведен полный стереохимический анализ полученной структуры. Показано, что при отсутствии дополнительных начальных условий в любой части коллагеновой молекулы генерируется трехспиральная структура с симметрией, соответствующей симметрии дифракционной картины коллагена. Таким образом, рассчитанная структура удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым рентгенографическими экспериментами.

Установлено, что последовательность аминокислот, не изменяя типа симметрии спирали, определяет чередование вдоль цепи участков с одной и двумя водородными связями на трипептид. При этом водородные связи и в первом и во втором случаях имеют СО-группу второго остатка в качестве акцептора Н-связи, КН-группу глицина в качестве первого донора протона. В случае, если вторым остатком в триплетах гли-х-у является аминокислота, у СО-группы второго остатка появляется второй, соединенный с ним донор -]Ч[Н-группа второй аминокислоты соседней, второй цепи. Таким образом, была обоснована двусвязная модель структуры коллагена и нашли объяснение многочисленные физико-химические данные, прежде всего данные о роли тройной спирали в дополнительной стабилизации участков пространственной структуры коллагенов без пролинов во вторых положениях триплетов аминокислот.

Показано, что СО-группы остатка глицина и третьего по цепи остатка находятся на поверхности тройного комплекса макромолекулы коллагена и симметрически эквивалентны друг другу. Это определяет независимость гидратации макромолекулы коллагена от последовательности аминокислот, т.е. объясняет фундаментальный факт ткане-, а не видоспецифичности гидратации коллагенов разного типа и разного происхождения. Вместе с тем симметрическая эквивалентность основных гидратируемых групп определяет возможность создания единой кооперативной сетки водородных связей воды вдоль макромолекулы, не зависящей от последовательности аминокислот, что впервые объясняет эффекты изотопного замещения водорода на дейтерий, установленные В.И. Лобышевым, показывающие основной вклад Н-связей воды в процессы дейтерозамещения в коллагенах, в том числе и в условиях денатурации. Показано, что энергия гидратации на порядок больше, чем энергия межцепных Н-связей, что количественно иллюстрирует качественный вывод.

Метод пошагового регрессионного анализа развит для нахождения зависимости конформационной энергии от последовательности для общего случая линейных структур, в частности для фибриллярных белков. Этим методом впервые проведено детальное исследование распределения конформационной энергии вдоль всей макромолекулы коллагена, содержащей 1026 аминокислот в каждой из трех цепей. Показано, что наилучшей системой независимых переменных для регрессионной модели распределения конформационной энергии вдоль цепи является система дискретного распределения отдельных остатков вдоль цепи. Это позволило обосновать аддитивность вклада отдельных аминокислотных . остатков (даже для дипептидов предсказательная сила данной модели оказывается хуже) в термостабильность структур коллагенового типа. Это дает возможность использовать полученные значения конформационных энергий, определяющих структуру фрагментов коллагеновых молекул, и соответствующие регрессионные коэффициенты для построения термодинамической модели коллагенов.

Важным следствием полученных статистических результатов является наглядная демонстрация того, что термодинамическая и кинетическая стабильность коллагенов может регулироваться точечными мутациями. Практическое значение работы. Впервые рассчитаны структуры, содержащие последовательности аминокислот, приводящие к патологиям соединительной ткани и тяжелым клиническим последствиям. Неожиданным результатом расчетов было установление не только возможности сохранения коллагенового типа структуры в местах мутаций, но даже и увеличения значений конформационной энергии соответствующих фрагментов. Основные изменения энергетических характеристик связаны с изменениями условий гидратации вследствие деформации поверхности трехцепного комплекса, что ведет к нарушению фибриллогенеза. Установлены отличия возможных дефектов фибриллогенеза при различных точечных мутациях в коллагенах человека. Разработанные рподходы позволяют предсказывать типы возможных дефектов коллагеновых фибрилл при различных мутациях, в том числе и неточечных.

Апробация работы. Различные разделы настоящей работы докладывались на следующих научных конференциях: "II съезд биофизиков России" (Москва 1999); на VII Российский национальный конгресс "Человек и лекарство". (Москва 1999); на II международной конференции по биоинформатике регуляции генома и структуры (Новосибирск 2000). Публикации. Основные результаты работы изложены в 6 работах.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Мильчевский, Юрий Викторович

Выводы

L Впервые рассчитана структура трехспиральной макромолекулы коллагена III человека. Расчет проведен специально развитым методом молекулярной механики, включающим разработанный метод расчета спиральных параметров для молекул, не обладающих строгой спиральной симметрией.

2. Проведен полный стереохимический анализ полученной структуры. Показано, что при отсутствии дополнительных начальных условий в любой части коллагеновой молекулы генерируется трехспиральная структура с симметрией, соответствующей симметрии дифракционной картины коллагена и изоморфных ему гомополитрипептидов.

3. Установлено, что последовательность аминокислот, не изменяя типа симметрии спирали, определяет чередование вдоль цепи участков с одной и двумя водородными связями на трипептид. Таким образом, обоснована двусвязная модель структуры коллагена.

4. Показано, что СО-группы остатка глицина и третьего по цепи остатка находятся на поверхности тройного комплекса макромолекулы коллагена и симметрически эквивалентны друг другу. Это определяет независимость гидратации макромолекулы коллагена от последовательности аминокислот, т.е. объясняет фундаментальный факт ткане-, а не видоспецифичности гидратации коллагенов разного типа и разного происхождения.

5. Показано, что энергия гидратации на порядок больше, чем энергия межцепных Н-связей. Суммарная энергия межпептидных водородных связей на трипептид коррелирует с суммарной энергией гидратации на трипептид, что свидетельствует о роли второй сетки водородных связей в стабилизации поверхности тройной спирали.

6. Разработан метод определения вклада элементов первичной структуры в рассчитанную конформационную энергию фибриллярных белков или ДНК. При помощи этого метода, получена регрессионная модель, позволяющая вычислять конформационную энергию для произвольной последовательности аминокислот без дополнительного проведения молекулярно-механических расчетов. Для случая тройных комплексов длиной четыре трипептида данная модель обеспечивает высокую (0.98) корреляцию между конформационной энергией, полученной из конформационных расчетов и на основании регрессионной модели.

7. Показано, что наилучшей системой независимых переменных для регрессионной модели распределения конформационной энергии вдоль цепи является система дискретного распределения отдельных остатков вдоль цепи. Это позволило обосновать аддитивность вклада отдельных аминокислотных остатков в термостабильность структур коллагенового типа.

8. Впервые рассчитаны структуры, содержащие последовательности аминокислот, приводящие к патологиям соединительной ткани и тяжелым клиническим последствиям. Установлены отличия возможных дефектов фибриллогенеза при различных точечных мутациях в коллагенах человека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мильчевский, Юрий Викторович, 2000 год

1. Bear R.S. The structure of collagen molecule as fibril. J. Biophys. Biochem. Cytol., 1956, v.2, No. 2, pp. 363-366.

2. Ramachandran G.N. structure of collagen at molecular level. In: Treatise on collagen, New York, Acad. Press. 1967, v.l p. 103-183.

3. Rich A, Crick F.H.C. The molecular structure of collagen.- J. Mol. Biol. 1961, v.3 No. 5, pp. 483-506.

4. Lakshmandram B.R., Ramamkrishnan C., Sasisekharan V., Thathachari Y.T., X-ray diffraction pattern of collagen and the Fourier transform of the collagen structure. In: Collagen. New York, Willey, 1962, pp. 117-137.

5. Fräser R.D., MackRae T.P., Suzuki E. Chain conformation in the collagen molecule. -J. Mol. Biol., 1979, v. 129, No. 3, pp. 463-481.

6. Ramachandran G.N., Kartha G. Strücture of collagen. Nature, 1955, v. 176, No. 4482, pp. 593-595.

7. Rich A. Crick F.H.C. The structure of collagen. Nature, 1955, v. 176, No. 4489, pp. 915-916.

8. Yee R.Y., Englander S.N., von Hippel P.H. Nature. Native collagen has a two-bonded structure. J. Mol. Biol., 1974, v.83, No.l pp. 1-16.

9. Есипова Н.Г., Лазарев Ю.А., Лазарева A.B., Спектральные исследования коллагена и родственных ему полипептидов. О характере основной системы водородных связей. Биофизика, 1972, т. 17, № 6, стр. 949-953.

10. Андреева H.C., Есипова Н.Г., Милионова М.И., Рогуленкова В.Н., Туманян В.Г., Шибнев В.А. Синтетические регулярные полипептиды и белки коллагенового класса. Биофизика, 1970, т. 15, № 2, стр. 198-207.

11. Rogulenkova V.N., Mililonova M.I., Andreeva N.S., On the close structural similarity between poly-Gly-L-Pro-L-Hypro and collagen. J. Mol. Biol., 1964, v. 9, No. 2, pp. 253-254.

12. Милионова М.И. Дисперсия и температурная зависимость оптического вращения для полимера (глицил-1-пролил-1-оксипролин)„. Биофизика, 1964, т. 9, № 2, стр. 145-147.

13. Engel J., Kurtz. J., Katchalski E., Berger A. Polymer of tripeptides as collagen model. II. Conformation changes of poly(L-prolyl-glycyl-L-prolyl) in solution. J. Mol. Biol., 1966, vl7, No. 1, pp. 255-272

14. Kobayashi Y., Sakai R. Kakichi K., Isemura T. Physio chemical analysis of (Pro-Pro-Gly)„ with defined molecular weight-temperature dependence of molecular weight in aqueuos solution. Biopolymers, 1970, v. 9, No. 4, pp. 415-425.

15. Traub W., Yonath A. Polymers of tripeptides as collagen models.III. Structural relationship between two form of poly (L-prolyl-L-alanyl-glycine). J. Mol. Biol., 1967, v. 25, No. 25, pp. 351-355.

16. Brown F.R., di Carato A., Lorenzi G.P., Blout E.R. Synthesis and structural studies of two collagen analogues: poly(L-prolyl-L-seryl-glycyl) and poly(L-prolyl-L-alanyl-glycyl). J. Mol. Biol., 1972, v. 63, No. 1 pp. 85-89.

17. Heidemann E., Bernhardt H.W. Synthetic polypeptydes as model for collagen. -Nature, 1968, v. 220, No. 5174, pp. 1326-1327.

18. Heymer G. R. Die struktur kollagenahnlicher homound heteropolytripeptide, 2. -Macromol. Chem., 1976v. 177, No. 11, pp. 3299-3223.

19. Segal D.M., Traub W. Synthesis and structural investigation of poly(L-alanyl-L-prolyl-glycune). J. Mol. Biol., 1969, v. 43, No. 3, pp. 487-496.

20. Doyle B.B., Traub W., Lorenzi G.P., Glout E.R., Conformational investigation of the polypeptide and oligopeptides with relating sequence L-alanyl-L-prolyl-glycine. Biochemistry, 1971, v. 10, No. 16, pp. 3052-3060.

21. Tumanyan V.G. Investigation of fibrous structures. I. Computation for collagen. -Biopolymers, 1970, v. 9, No. 8, pp. 955-963.

22. Sugeta H., Miyadzava T. General method for calculating helical parameters of polymer chains from bond length, bond angles, and internal-rotation angles. -Biopolymers, 1967, v. 5, No. 7, pp. 673-680.

23. Туманян В.Г., Есипова Н.Г. Исследование структуры коллагенового типа. -Биофизика, 1973, т. 18, № 6, стр. 977-980.

24. Okuyama К., Takana N., Ashida Т., Kakudo М., Sakakibara., Kishida Y. An X-ray study of the synthetic polypeptide (Pro-Pro-Gly). J. Mol. Biol., 1972, v. 72. No. 3, pp. 571-576.

25. Okuyama K., Takayanagy M., Ashida Т., Kakudo M., A new structural model for collagen. Polymer J., 1977, v. 9, No. 3 pp. 341-343.

26. Miller M.H., Sheraga H.A. Calculation of the structure of collagen model. Role of the interchain interaction in determining the triple-helical coiled-coil conformation. I. Poly(glycyl-prolyl-prolyl). Polymer Sci., 1976, Symp. No. 54, pp. 171-200.

27. Туманян В.Г. Уточнение структуры полипептида (глицил-иминокислота^ иминокислота)„ как модели коллагена методом теоретического конформационного анализа. Биофизика, 1980, т.25, № 6, стр. 1097-1108.

28. Луговской В.А., Дашевский В.Г. Конформационый анализ кислородсодержащих гетероциклов. I. Метод расчета. Ж. структ. хим., 1972, т. 13, № 1, стр. 122-130.

29. Туманян В.Г., Есипова Н.Г. Структура коллагена с новым принципом формирования двух сеток межпептидных водородных связей. Биофизика. 1983, т. 28, стр. 962-965.

30. Tumanyan V.G., Rogulenkova V.N., Esipova N.G. // Modelling and Computer Method in Mol.Biol. and Genetics. / Eds. V.A.Ratner, N.A.Kolchanov. New York: Nova Science Publisher. 1992, pp. 197-201.

31. Туманян В.Г., Рогуленкова В Н., Есипова Н.Г., Айзенхабер Ф. Биофизика. 1992, . т. 37, стр. 1-4.

32. Tumanyan Y.G. Esipova N.G. Comprehensive conformational analysis of (Gly-Pro-Pro)n and (Gly-Pro-Hyp)n related to collagen. Biopolymers. 1982. V. 21. P. 475-497.

33. Okuyama K., Okuyama K., Arnott S., Takayanagi M., Kakudo M. Crystall and molecular structure of a collagen-like polypeptide (Pro-Pro-Gly)io. J. Mol. Biol., 1981, v. 152, pp. 427-443.

34. Bella J., Eaton M., Brodsy, B. & Berman, H.M. Crystal and molecular structure of collagen like peptide at 1.9A resolution. Science. 1994, v. 266, pp, 75-81.

35. Hoeve C.A., Kakivaya S.R., On the structure of absorbed water in collagen. J.Phys. Chem, 1976, v.80, pp. 745-749.

36. Steven K.H., Lynn E.B., Kimbery M.T., Ronald T.R., A hyperstable collagen mimic. Chemistry & Biology. 1999, v. 6, No 2.

37. Panasik N.J., Eberhardt E.S., Edison A.S., Powell D.R., Raines R.T., Inductive effects on the structure of proline residues. Int J. Pept. Protein Res. 1994, v. 44(3), pp. 262-269.

38. Nagarajan V., Kamitori S., Okuyama K, Structure analysis of a collagen-model peptide with a (Pro-Hyp-Gly) sequence repeat. J Biochem. ( Tokyo). 1999, v. 125(2), pp. 310-318.

39. Venugopal M.G., Ramshaw J., Braswel E., Zhu D., B.Brodsky, Electrostatic Interaction in Collagen-like Triple-Helical Peptides. Biochemistry. 1994, v. 33, pp. 7948-7956.

40. Vitagliano L., Nemethy G., Zagari A., Scheraga H.A., Stabilization of the triple-helical structure of natural collagen by side-chain interactions. Biochemistry 1993, Jul 27;32(29) pp. 7354-9

41. Paterlini M.G., Nemethy G., Scheraga H.A. The energy of formation of internal loops in triple-helical collagen polypeptides. Biopolymers. 1995, Jun;35(6), pp. 607-619.

42. L.Ala-Kokko, S.Kontusaari, C.Baldwin, H.Kuivaniemi, D.Prockop, Biochem. J. 260,509-516(1989)

43. Zhorov,B.S., Ananthanarayanan,V.S. 1994. Similarity of Ca2+ bound conformations of morphine and Met-enkephalin: a computational study. FEBS Letters 354:131-134.

44. Zhorov,B.S., Arianthanarayanan,V.S. 1993. Conformational Analysis of Free and Ca2+-bound forms of Verapamil and Methoxyverapamil. J.Biomol.Struct.Dynam. 11:529-540.

45. Zhorov,B.S. 1993. Comparison of Lowest-Energy Conformations of Dimethylcurine and Methoxy verapamil: an Evidence of Ternary Association of Calcium Channel, Ca2+, and Calcium Entry Blockers. J.Membr.Biol. 135:119-127.

46. Zhorov,B.S., Brovtsyna,N.B. 1993. Conformational analysis of d-tubocurarine: implications for minimal dimensions of its binding site within ion channels. J.Membr.Biol. 135:19-26.

47. Zhorov,B.S. 1981. Vector method for calculating energy derivatives of atom-atom interactions of complex molecules according to generalized coordinates. J.Struct.Chem. 22:8-12.

48. Zhorov,B.S. 1982. Vector method for calculating derivatives of energy of deformation of valence angles and torsion energy of complex molecules according to generalized coordinates. J. Struct. Chem 23:3-9.

49. Nemethy, G., Pottle, M. S., & Scheraga, H. A., (1983) Energy Parameters in Polypeptides, 9. Updating of Geometrical Parameters, Non-bonding Interactions and Hydrogen Bonding INteractions for Naturally Occuring Amino Acids, J. PHys. Chem. 87, 1883-1887.

50. Статистические методы для ЭВМ. 1986, М.: Наука, Гл. ред. Физ-мат. JlHT.Collins F. S., Guyer М. S. and Chakravarti А. (1997). Variations on a theme: cataloging human DNA sequence variation. Science, 278(5343), 1580-1581.

51. Cargill M., Altshuler D, Ireland J, et.al. (1999). Characterization of single-nucleotide polymorphisms in coding regions of human genes. Nature Genetics, 22(3), 231-238.

52. Kuivaniemi H., Tromp G., Prockop D.J. (1991) Mutations in collagen genes: causes of rare and some common diseases in humans. FASEB J., 5(7), 20522060.

53. Rigby B.J, Robinson M.S (1975) Thermal transitions in collagen and the preferred temperature range of animals. Nature, 253(5489), 277-279.

54. Tumanyan V.G., Abagyan R.A., EsipovaN.G. (1984) Conformational analysis of polytripeptides (Gly-Pro-Ala)n, (Gly-Pro-Hyp)n and (Gly-Ala-Ala)n in connection with collagen structure. Biopolymers, 23(8), 1499-1512.