Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук: 03.00.02 – биофизика. — Институт
теоретической и экспериментальной биофизики РАН. — Пущино, 2009.
Научный консультант: доктор биологических наук Аллахвердиев С.И.
Цель работы. На основании вышеизложенного,
основной целью данной диссертационной работы являлось исследование
проблемы сворачивания белков с использованием
расчетно-теоретических и аналитического подходов. Работа посвящена
фундаментальным вопросам проблемы: 1) сворачиваются ли белки
котрансляционно в процессе биосинтеза, или после синтеза и выхода
из рибосомы посттрансляционно, 2) каков механизм сворачивания
белков, а также оценки 3) энтальпийного вклада в свободную энергию
сворачивания белков и 4) величины барьеров внутреннего вращения
вокруг единичных связей основной цепи полипептидов и их роли в
сворачивании белков.
Научная новизна работы. Проведено фундаментальное исследование по выяснению реалистических оценок барьеров внутреннего вращения в белках:
Разработан надежный расчетный метод для оценок барьеров внутреннего вращения (БВВ) в белках – модифицированный метод фрагмент-фрагментных взаимодействий (ФФВ) для конформационного анализа и изучения взаимодействия полипептидов и других органических молекул.
Установлено, методом ФФВ, что величины БВВ вокруг связей NCα и CαC основной цепи полипептидов, которые традиционно считаются
незначительными, около 0,7 ккал/моль для обеих величин, достаточно значительны и составляют соответственно около 16 ккал/моль - что сопоставимо с транс-цис барьером пептидной связи, и 6 ккал/моль.
Обоснована невыгодность нахождения в структуре белков неглициновых остатков в положительной - с положительным значением угла вращения φ вокруг связи NCα-конформации. Представлено надежное косвенное экспериментальное подтверждение наличия высокого энергетического барьера при вращении вокруг связей NCα в белках на основе анализа трехмерных структур белков из банка белковых данных.
Обоснована, на основе анализа известных данных о химически синтезированных белках, что возможность получения синтетических белков подтверждает наличия взаимосвязи между первичной структурой и нативной конформацией белков и вряд ли свидетельствует о посттрансляционном сворачивании белков.
Выявлена общая закономерность, из систематизации литературных данных, о наличии остаточных упорядоченных структур в белках в сильно денатурирующих условиях в отличие от традиционных представлений, рассматривающих денатурированные белки как случайные клубки, что свидетельствует о недостаточной обоснованности представления процесса сворачивания белка как переход клубок – глобула.
Представлено обоснование котрансляционного в процессе биосинтеза полипептидной цепи на рибосоме сворачивания белков. Предложен механизм сворачивания белков и предъявлены подтверждающие этот механизм и его универсальность данные.
Научно-практическая значимость полученных результатов. Разработан расчетный метод для конформационного анализа и изучения взаимодействия органических молекул и полипептидов. Метод может быть использован для изучения структуру, конформаций, энергию взаимодействия, дипольные моменты различных молекул и молекулярных комплексов. Даны реалистические оценки величины БВВ вокруг связей NCα и CαC основной цепи полипептидов, что может способствовать развитию структурной протеомики и сыграть важную роль в исследованиях проблемы сворачивания и пространственной структуры белков. Обоснована концепция котрансляционного сворачивания белков, что существенно облегчает целенаправленный поиск эффективных путей для реалистического описания соотношения между аминокислотной последовательностью и пространственной структурой белков. Предложен механизм сворачивания белков, что позволит разработать адекватные алгоритмы и методы для предсказания пространственной структуры пептидов и белков на основе известной первичной структуры. Полученные по теме диссертации результаты используются в учебных курсах по молекулярной биофизике в ряде университетах США, по меньшей мере, и могут быть использованы в учебных курсах других вузов по молекулярной биофизике, биохимии, молекулярной биологии. Они могут найти активное применение в биотехнологических разработках и молекулярной медицине, при проектировании и создании новых эффективных лекарственных препаратов пептидной природы.
Научная новизна работы. Проведено фундаментальное исследование по выяснению реалистических оценок барьеров внутреннего вращения в белках:
Разработан надежный расчетный метод для оценок барьеров внутреннего вращения (БВВ) в белках – модифицированный метод фрагмент-фрагментных взаимодействий (ФФВ) для конформационного анализа и изучения взаимодействия полипептидов и других органических молекул.
Установлено, методом ФФВ, что величины БВВ вокруг связей NCα и CαC основной цепи полипептидов, которые традиционно считаются
незначительными, около 0,7 ккал/моль для обеих величин, достаточно значительны и составляют соответственно около 16 ккал/моль - что сопоставимо с транс-цис барьером пептидной связи, и 6 ккал/моль.
Обоснована невыгодность нахождения в структуре белков неглициновых остатков в положительной - с положительным значением угла вращения φ вокруг связи NCα-конформации. Представлено надежное косвенное экспериментальное подтверждение наличия высокого энергетического барьера при вращении вокруг связей NCα в белках на основе анализа трехмерных структур белков из банка белковых данных.
Обоснована, на основе анализа известных данных о химически синтезированных белках, что возможность получения синтетических белков подтверждает наличия взаимосвязи между первичной структурой и нативной конформацией белков и вряд ли свидетельствует о посттрансляционном сворачивании белков.
Выявлена общая закономерность, из систематизации литературных данных, о наличии остаточных упорядоченных структур в белках в сильно денатурирующих условиях в отличие от традиционных представлений, рассматривающих денатурированные белки как случайные клубки, что свидетельствует о недостаточной обоснованности представления процесса сворачивания белка как переход клубок – глобула.
Представлено обоснование котрансляционного в процессе биосинтеза полипептидной цепи на рибосоме сворачивания белков. Предложен механизм сворачивания белков и предъявлены подтверждающие этот механизм и его универсальность данные.
Научно-практическая значимость полученных результатов. Разработан расчетный метод для конформационного анализа и изучения взаимодействия органических молекул и полипептидов. Метод может быть использован для изучения структуру, конформаций, энергию взаимодействия, дипольные моменты различных молекул и молекулярных комплексов. Даны реалистические оценки величины БВВ вокруг связей NCα и CαC основной цепи полипептидов, что может способствовать развитию структурной протеомики и сыграть важную роль в исследованиях проблемы сворачивания и пространственной структуры белков. Обоснована концепция котрансляционного сворачивания белков, что существенно облегчает целенаправленный поиск эффективных путей для реалистического описания соотношения между аминокислотной последовательностью и пространственной структурой белков. Предложен механизм сворачивания белков, что позволит разработать адекватные алгоритмы и методы для предсказания пространственной структуры пептидов и белков на основе известной первичной структуры. Полученные по теме диссертации результаты используются в учебных курсах по молекулярной биофизике в ряде университетах США, по меньшей мере, и могут быть использованы в учебных курсах других вузов по молекулярной биофизике, биохимии, молекулярной биологии. Они могут найти активное применение в биотехнологических разработках и молекулярной медицине, при проектировании и создании новых эффективных лекарственных препаратов пептидной природы.