Практическая химия белка - А. Дарбре 1989

Предсказание конформации пептидов и белков
Исходные предпосылки расчетов
Проверка потенциальных функций, полученных из структурных данных, с помощью более точных методов

Проще всего при ответе на сформулированный выше вопрос считать, что расчет физических свойств с использованием данных потенциальных функций неправомочен. Однако правильнее все же проанализировать, не связано ли завышение барьеров с каким-нибудь неоправданным упрощением даже при правильных потенциальных функциях? И действительно, такое упрощение имеет место: это использование жесткой геометрии. Хорошо известно, что длины связей и валентные углы в молекулах не постоянны, причем изменения валентных углов могут быть очень важны для предотвращения столкновения атомов. Например, в четырехатомной системе с конфигурацией связей A-B-C-D для ослабления взаимодействия A...D важно несколько увеличить углы А-В-С и B-C-D.

Подходящим методом, допускающим ослабление взаимодействия частиц рассмотренным образом, является приближение валентного силового поля, т. е. такой набор потенциальных функций, при использовании которого энергия зависит и от длин связей и от валентных углов при соответствующем типе химических связей. Одно из первых валентных силовых полей рассчитано Хаглером и Штерном (неопубликованная работа) с привлечением данных по колебательным частотам и геометрии N-метилацетамида. Решение обратной задачи показало, что валентные углы обладают достаточной подвижностью для требуемого понижения энергетических барьеров. Введение валентного силового поля позволило сообщить значительную подвижность пептидным молекулам [67]. Например, характеристические расстояния в полипептидах могут быть понижены с 19 до 5, что соответствует нижнему значению экспериментального интервала. Тем самым было показано, что концепция гибкой геометрии играет весьма важную роль при уточнении расчетов и должна обязательно приниматься во внимание. При дальнейшем изучении и улучшении свойств валентного силового поля квантовомеханическим методом с расширенным базисом были определены оптимальные значения всех необходимых параметров [24]. Полученное при этом валентное силовое поле соответствовало несколько меньшей подвижности пептидной группы по сравнению с эмпирическим силовым полем. Поэтому валентные углы могли меняться только в пределах ±5°, что тем не менее было достаточно для сохранения основных преимуществ нового приближения.

При введении концепции гибкой геометрии не требуется особых усилий для расчета свободной энергии как функции расширенного набора внутренних степеней свободы. Для оценки дополнительного вклада, обусловленного гибкой геометрией, выполнены расчеты молекул гексапептидов [20], содержащих остатки аланина, метионина и глицина (для этих соединений имеются экспериментальные данные). Оказалось, что энтропийный вклад в свободную энергию сопоставим по величине с потенциальной энергией и этим вкладом нельзя пренебрегать при точных вычислениях.

Если колебательные степени свободы биологических молекул обеспечивают такой значительный вклад в коиформационную свободную энергию, то не менее важную роль играет также оценка влияния, вносимого растворителем. В самом деле, хорошо известно, что стабильность глобулярных белков во многом обусловливается гидрофобными взаимодействиями, энтропийный вклад которых зависит от природы растворителя. Кроме того, большую роль играет также вклад, вносимый энергией сольватации, образованием водородных связей с участием молекул растворителя и влиянием полярных групп растворителя на электростатические взаимодействия внутри молекулы белка.

С помощью метода Монте-Карло было рассчитано положение молекул воды в гидратированных кристаллах лизоцима и ряда циклических пептидов [16]. Конформация молекул белка и пептидов в этих расчетах принималась такой же, как и в кристаллах. Было показано, что наблюдается удовлетворительное согласие в расположении молекул воды, полученном расчетным и экспериментальным путем. Поэтому заслуживают доверия полученные тем же методом результаты по изучению растворов других пептидов [22], для которых не было соответствующих экспериментальных данных. Во всяком случае, наиболее существенные выводы последней работы не должны зависеть от вида потенциальных функций или характера приближения, используемого в методе Монте-Карло. Например, оказалось, что влияние растворителя на конформационную энергию малых пептидов коррелирует с потенциальной энергией изолированной молекулы. Таким образом, исследования, выполненные на более высоком уровне приближения, дали несколько неожиданный результат, согласно которому более ранние «количественные» расчеты не представляют теперь большой ценности. Очевидно также, что вклад потенциальной энергии, рассчитанной обычным образом, сравним по величине с другими вкладами в свободную энергию системы. Конечно, важное значение имеют и конкретные характеристики изучаемой системы. Например, в случае неполярного растворителя пренебрежение его влиянием не ведет к искажению результатов. Следует заметить также, что всегда возможны и более точные расчеты, требующие в настоящее время непомерно много машинного времени, но быстрое развитие вычислительной техники все больше будет способствовать выполнению подобных исследований. И наконец, совершенствование теоретических представлений должно содействовать выработке более подходящих расчетных приближений. Так, предположение о решающей роли «реакционного поля» при взаимодействии растворителя и растворенного вещества представляется весьма перспективным, тем более что при этом возможно аналитическое представление соответствующих зависимостей. Кроме того, такие взаимодействия можно ограничить масштабами первой сольватной оболочки, как это было показано при моделировании процесса самоорганизации белков [33, 62].