Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

лнимой задачей. Возможности ЯМР-спектроскопии в копформацпоипом анализе биополимеров существенно расширились вследствие разработки новых методик, в частности двумерной (2D) J-корреляцпонной спектроскопии (CUSY — Currelated Spectroscopy) и ряда ее модификаций и 20-спектроскошш ядерного эффекта Оверхаузера (N0ESY — Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy).

Любой 20-ЯМР-спектр может быть представлен в виде диаграммы, построенной в системе координат резонансных частот вдоль вертикальной и горизонтальной осей. 20-ЯМР-спектр состоит из диагональных сигналов, представляющих собой обычный lD-ЯМР-спектр, и кросс-пиков, которые располагаются вне диагонали. Именно кросс-ппкн несут принципиально новую (но сравнению с 1D-ЯМР-спектром) информацию: наличие кросс-пика между любыми двумя ядрами свидетельствует о ЯЭО (в случае NOl'SY-спектра) пли о спин-спиновом взаимодействии (в случае COSY-спектра) между этими ядрами.

В 2D-C0SY- и NOESY-спектрах сигналы макромолекул идентифицируют, используя методологию последовательного отнесения сигналов, разработанную для определенных типов макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, олиго- или полисахаридов). С использованием кросс-пиков COSY-спектра ядра, связанные скалярным сшш-спиповым взаимодействием, объединяют в соответствующие спиновые системы. Хотя COSY-спектры помогают установить связь между ядрами одной спиновой системы и часто содержат весьма полезную информацию о величинах констант сппи-спппового взаимодействия для любых пар J-взанмо-действующих яде]), в них отсутствует информация об относительном расположении данной спиновой системы в последовательности биополимера. Эта информация может быть получена из NOESY-спектрон путем анализа кросс-релаксациоппых взаимодействии, которые осуществляются через пространство для ядер соседних остатков биополимера. Эта информация, используемая в комбинации с данными COSY-экс пер и м'ептов, с учетом известной последовательности биополимера обеспечивает практически полное (пли почти полное) отнесение сигналов макромолекулы.

В качестве иллюстрации па рис. 93 приведен фрагмент двумерного спектра ядерного эффекта Оверхаузера короткого дуплекса, образованного двумя комплементарными олпгопуклеотпдамп:

(5') —d(pTpGpTpTpTpGpGpC)—(3') (3'J— d( ApCpApApApCpCp)—(5')

соответствующего по оси ординат области химических сдвигов протонов гетероциклов 116 пиримпдинов и 118 пуринов, а по оси абсцисс — области химических 316

HI'/HJ

_1_

'.О .Л—

1.»

5,4 _1_

К. «Т 4j 'g

I

?

7,6

¦7»

-8,0

< «C(HS)

образованного о. шгонуьлеотндамп

<А *С(Н5) «А 'С ? *А *С

'C(HS)

Рис. 93. Фрагмент NOESY-спектра дуплекса. Крогс-лпки. соответствующие первому олигонуклеотиду. спроектированы па юную оертмкальную и верхнюю горизонтатъную оси, а для второго олигонуклеотида - на правую вертикальную и нижнюю горичонтальную оси. На осях отменено, к каким нуклеотидным остаткам относятся сигналы. Остатки пронумерованы отдельно для каждого из олигонуклеотидов с 5 -конца. Интенсивные кросс-пики, отмеченные звездочкой, соответствуют внутринуклеотпдным взаимодействиям между протонами Н5 и Нб четырех остатков цитидинов

сдвигов протонов при первом углеродном атоме дезоксирибозы 111 '. Кросс-пики, соответствующие различным парам взаимодействующих ядер, представлены в виде серии горизонталей, соединяющих точки с одинаковой интенсивностью сигнала. Видно, что каждый протон HI ' взаимодействует с протоном 116 или 118 гетероцикла, принадлежащего тому же пуклеотпдпому звену, и с протоном гете-Роцикла соседнего нуклеотндного звена, находящегося со стороны 3 '-гидрокси-

317

группы. Например, кросс-пик а характеризует взаимодействие протона 111 ' пято остатка тимидина верхнего олигонуклеотида (нумерация остатков от 5'-конца олигонуклеотида) и 116 этого же остатка, а кросс-пик б — его же взаимодействие с Н8 шестого остатка дезокснгуанозина. Кросс-пик о описывает взаимодействие того же протона Н8 с 111' шестого остатка дезоксирнбозы, а кросс-пик г — взаимодействие последнего с Н8 седьмого остатка дезокснгуанозина.

7.15. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СГРУКТУРЛ БИОПОЛИМЕРОВ ПО ДАННЫМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХАНИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

Наряду с экспериментальными методами, а в ряде случаев и в сочетании с ними, для изучения пространственной структуры биополимеров начинают использовать расчетные методы, применение которых стало возможным в результате появления сверхмощных компьютеров. Их разделяют иа методы молекулярной механики и молекулярной динамики, которые исходят из возможности количественно описать энергию каждого атома в биополимере как функцию внутренних координат его ядер. При этом электроны в явном виде вообще пе рассматриваются. Таким образом, просто допускается, что электроны оптимальным образом распределены в пространстве вокруг ядер. Функция, описывающая зависимость энергии от ядерных координат, рассматривается как многомерная поверхность, которую называют поверхностью потенциальной энергии.

В общем случае молекула может иметь много энергетических минимумов, различающихся по глубине. В первом приближении молекулярной механики такая молекула характеризуется структурой, отвечающей наиболее глубокому минимуму энергии. Следующее приближение состоит в описании равновесной смеси конформации, находящихся во всех минимумах энергии в соответствии с распределением Больцмаиа. Для описания этой поверхности используют эмпирически выведенную систему уравнений, математическая форма которых заимствована из классической механики. Эта система потенциальных функций, называемая силовым поле.и, содержит некоторые варьируемые параметры, числовое значение которых выбирается оптимальным образом так, чтобы получить наилучшее согласие рассчитанных и экспериментальных характеристик молекулы. Метод использует одно общее допущение о возможности переноса соответствующих параметров и силовых постоянных от одной молекулы к другой. Другими словами, эти числовые значения, будучи определены для некоторых простых молекул, используются в дальнейшем в качестве фиксированных величин для других родственных соединении, в данном случае для биополимеров. Таким образом, в методе молекулярной механики молекула рассматривается как набор атомов, взаимодействие между которыми описывается простыми аналитическими функциями, заимствованными из классической механики. Потенциальная энергия в общем виде может быть представлена следующим образом:

V= Vi + V2+Vu + Vt+V5+V6, (7.15)

где V\ — энергия ковалентных связей как функция расстоянии между ядрами; V2— энергия, связанная с отклонением от оптимальных валентных углов; И3 — торсионная энергия, описывающая зависимость энергии от торсионных (двугранных, dihedral) углов; \\ — энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий между каждой парой атомов; V$ — энергия взаимодействия между каким- либо атомом и

.41«

атомом Н, если последний участвует в образовании водородной связи; V6 — энергия электростатического притяжения или отталкивания между заряженными атомами. Каждый потенциал V является функцией отклонения структурных параметров молекулы от некоторого гипотетического равновесного состояния.

Первый член выражения (7.15), соответствующий потенциалу деформации связей, описывает растяжение валентных связей в молекуле. Хорошим приближением реального изменения потенциальной энергии деформации связей является закон Гука, который часто используют для математического описания этого потенциала во многих типах силового поля:

Vi = Щг - req)2, (7.16)

где Kr — силовая константа; — равновесное значение длины связи, соответствующее минимуму энергии. Суммирование проводят по всем ковалептным связям. Однако при больших деформациях или » случае стерпчески перегруженных молекул возможны отклонения от гармонического приближения (7.16). Иногда для описания V\ используют гармонический потенциал с добавлением кубического члена Кт ,(г - req)3:

К, = ЩАт - req)2 + к;.(г - геа)з]. (7.17)

Второй член выражения (7.15), V2, соответствует потенциалу угловой деформации. Математически оно аналогично выражению, описывающему потенциал растяжения связи, и может быть представлено к виду

У2 - ??'0(? - 0eq)2, (7.18)

где Aq — силовая константа; 9eq — равновесное значение валентного угла, соответствующее минимуму энергии. Энергия возрастает, если величина валентного угла отклоняется от своего равновесного значения 0eq. В уравнение (7.15) также могут быть включены члены более высокого порядка. Таким образом, согласно основной модели метода, атомы в молекуле как бы связаны вместе отдельными независимыми пружинками, стремящимися сохранить "естественные" величины длин связей и валентных углов.

Третий член выражения (7.15), V3, соответствует торсионному потенциалу и описывает внутреннее вращение вокруг простых связен в молекуле:

^ А'[1 + "cos(?ip - '7)]

(7.19)

где К — силовая константа; ? — коэффициент периодичности; ? — равновесное значение торсионного угла, соответствующее минимуму энергии; 7 — фазовый угол.

Комбинацию потенциальных функций, описывающих растяжение связей, угловую деформацию и торсионные взаимодействия, часто называют валентным силовым полем. Ван-дер-ваальсовы потенциалы К) часто выражают в виде так называемой функции "6/??":

??= ? (DijlRYj-Aijlfij), . (7.20) iгде Rjj — расстояние между несвязанными атомами; fly и A,j — параметры ван-дер-

319

ваальсовых взаимодействий для данной пары атомов. Член Я"1'-' описывает отталкивание между атомами; член Я"6 — притяжение между парами атомов.

В случае взаимодействия протопоп, участвующих в формировании водородной связи, с донором неподеленной пары электронов ван-дер-ваальеов потенциал б/|2 заменяют на потенциал 10/?2:

Р^ЦСу/Я1,}- Dij/Rty, (7.21)

где Яу — расстояние между ковалентно несвязанными атомами II и донором неподеленной пары электронов, участвующими в формировании водородной связи; Cij и Dij — параметры Ц—11-взаимодействий для данной пары атомов.

Последний член выражения (7.15), VG, описывает кулоиовские взаимодействия между атомами:

У

страница 78
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Скачать книгу "Биологическая химия" (8.81Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(11.12.2017)