Мутации структуры белковоподобного сополимера Компьютерное моделирование (стр. 6 из 10)
Остановимся на методах компьютерного моделирования и рассмотрим некоторые модели, используемые для создание первичной последовательности цепи. Можно сказать, что термин дизайн применим не только к белкам, но и к любым последовательностям, обладающих специфическими свойствами.
2.5. Конформационно-зависимый дизайн последовательностей цепи
В этой главе рассмотрим НР - сополимеры, то есть полимеры состоящие из двух типов звеньев, и компьютерную реализацию дизайна различных моделей.
2.5.1. НР – сополимеры, «приспособленные к адсорбции»
Такие сополимеры получают по следующей схеме. Гомополимерную цепь, состоящую из звеньев Н, адсорбируем на плоской поверхности. Для этого вводится сильное притяжение между звеньями цепи и поверхностью. Затем звенья, лежащие ближе к поверхности, обозначаем как Н, другие звенья как Р. В компьютерном эксперименте это значит, что eН>eР. Таким образом, звенья Н считаются лиофобными, то есть избегают взаимодействия с растворителем, а звенья Р лиофильными. [19] На рис. 2.4 проиллюстрирована схема получения таких сополимеров.
Рис. 2.4. Получение первичной структуры НР -сополимера, «приспособленного к адсорбции».[19]
Если говорить о реальном эксперименте, то модифицирование звеньев цепи происходит на каталитической поверхности. Таким образом, можно видеть основную идею молекулярного дизайна. Сначала мы получаем пространственную структуру адсорбированного сополимера, а затем исследуем свойства полученной цепи.
Поведение такой структуры сравнивали со случайными и случайно-блочными последовательностями. Оказалось, что число адсорбированных звеньев у таких сополимеров гораздо выше. То есть такие последовательности сохраняют «память» о своей адсорбированности. Таким образом, процесс адсорбции протекает более полно.
2.5.2. Молекулярные диспергаторы
Подобную схему можно применить для получения другого класса сополимеров. На рис. 2.5. показана схема получения.
Рис. 2.5. Получение «молекулярных диспергаторов». [19]
Такие сополимеры, приспособленные к адсорбции на коллоидных частицах или маленьких органических молекулах, обладают следующей спецификой. Такие структуры чувствительны к размеру частицы, то есть проявляют определённую селективность. При адсорбции сополимера происходит стабилизирование частицы лиофильными петлями цепи. Это препятствует слипанию коллоидных частиц.
2.5.3. Моделирование мембранных белков
Рассмотрим получение модели НР – сополимера, имитирующей мембранные белки. В этом случае неполярную прослойку обозначим как Н-звенья, а полярные опушки как Р. На долю Н – звеньев приходится 30 %, а на долю Р – 70%. Введём различные энергетические параметры (eРР, eНР, eРР). При этом eНН>eРР. При моделировании происходит диффузия Н и Р звеньев. Поэтому для улучшения структуры процедуру модифицирования производят много раз. [20]
Рис. 2.6. Нативная конформация мембранного белковоподобного сополимера (слева) и конформация, полученная после равновесия в компьютерном моделировании (справа);N = 256.[20]
Из рис. 2.6. можно видеть главную особенность таких структур – эффект стабильности микросегрегированной структуры. Таким образом, можно сказать, что подобная модель «наследует» свойства мембранных мелков.
2.7. Белковоподобные сополимеры. Дизайн, структура, свойства
Изучение структур НР сополимеров, состоящих из двух типов звеньев Н и Р, представляет достаточно большую область полимерной физики. Наиболее интенсивно изучаются блок-сополимеры и случайные сополимеры. Иногда исследуют сополимеры с близкодействующими корреляциями вдоль цепи. Такие корреляции всегда появляются после процесса полимеризации, если вероятность присоединения Н или Р звена к растущей цепи зависит от типа звена, которое присоединилось на предыдущем шаге. Тип подобной первичной структуры можно охарактеризовать как "случайная с близкодействующими корреляциями". С другой стороны глобулярные белки можно грубо считать как разновидность НР сополимеров. В самом деле, мономерные звенья этих белков различаются тем, что одни аминокислотные остатки являются гидрофильными или заряженными, в то время как другие гидрофобными. Мы можем очень грубо приписать первым из них индекс Р, и индекс Н остальным. Если проанализировать первичную структуру белковоподобного сополимера, полученного таким образом, и сравнить с простой первичной структурой описанной выше, то можно сделать вывод, что белковая НР последовательность более информативна и специфична. Обычно считают, что в глобулярных белках гидрофильные Р звенья покрывают поверхность глобулы, делая её устойчивой к межмолекулярной агрегации, а гидрофобные звенья Н в основном формируют ядро глобулы. Можно считать, что такое требование является достаточно ограничивающим, то есть справедливо только для малой доли всех возможных первичных структур. Следовательно, А/В корреляции, определённые в этом случае, зависят от конформации глобулы в целом , и их следует характеризовать как дальнодействующие.
Вопрос состоит в том, могут ли быть получены такие первичные структуры НР сополимеров, не имеющих биологическое происхождение. Это легко сделать при помощи компьютерного моделирования, и гораздо труднее в реальном эксперименте. Однако, в обоих случаях соответствующие процедуры включают следующие шаги:
Шаг 1. Берётся гомополимерный клубок с взаимодействиями с исключённым объёмом в хорошем растворителе.
Шаг 2. За счёт сильных взаимодействий между всеми мономерными звеньями образуется гомополимерная глобула. В реальном эксперименте в этом случае подразумевается скачок температуры, добавление плохого растворителя и т.д.
Шаг 3. Этот шаг легче всего реализовать в компьютерном эксперименте. Следует рассмотреть "мгновенное фото" и модифицировать поверхность, т.е. приписать индекс Р звеньям, находящимся на поверхности, и индекс Н – звеньям, образующим ядро. В реальном эксперименте поверхность модифицируется химическим реагентом, который изменяет её из гидрофобной в гидрофильную. Если количество реагента мало, то модифицируется только поверхность, а ядро остаётся гидрофобным. Важной особенностью является достаточно быстрая модификация поверхности и достаточно медленная агрегация.
Шаг 4. Этот последний шаг необходим в компьютерном эксперименте. Вместо сильных одинаковых взаимодействий между звеньями, следует ввести различные потенциалы взаимодействия для Н и Р звеньев.
Рис. 2.7. Основные этапы схемы дизайна белковоподобных сополимеров. а) гомополимерная глобула b) глобула с модифицированной поверхностью c) белковоподобный сополимер в состоянии клубка.
В статье [3] представлены результаты компьютерного моделирования методом Монте Карло перехода клубок-глобула, который происходит при увеличении притяжения между гидрофобными звеньями В. Было показано, что по сравнению со случайными сополимерами с тем же А/В составом поведение белковоподобных сополимров значительно отличается. Также анализировались особенности первичной структуры.
В эксперименте используется цепь из N звеньев, состоящая из мономеров типа Н и Р (N = NН +NР), которые занимают ячейки в кубической решётке. Молекулы растворителя представлены как вакантные ячейки. Для моделирования используется стандартная модель с флуктуирующими связями. В этой модели считается, что каждое мономерное звено цепи занимает восемь соседних ячеек кубической решётки и длина связи может флуктуировать от 2 до Ö10. Каждая конфигурация цепи характеризуется определённой энергией короткодействующих взаимодействий U, которые определяются следующим образом. Во-первых, эффект исключённого объёма заключается в том, что если два мономерных звена занимают одну и ту же ячейку, то потенциальная энергия приравнивается бесконечности. Во-вторых, пусть nab - это общее число контактов между ближайшими соседними звеньями Н и Р или между мономерными звеньями и частицами растворителя S. Таким образом, U = åabeabnab, где eab - соответствующий энергетический параметр. Ясно такими параметрами, определяющие глобулярную организацию являются eРР, eНН, eРS, eНS, eНР. . В этой модели eРР = eНР = 0, также eРS< 0, eНS> 0, eНН < 0. Параметры eНН и eНSописывают гидрофобные взаимодействия между неполярными звеньями В и частицами полярного растворителя. Поэтому eBBnBB + eBSnBS – вклад гидрофобных взаимодействий в общую энергию системы. Таким образом общая энергия системы U = eBBnBB + eBSnBS+ eASnAS. Так как физическая природа взаимодействий сходна, то |eРS| = |eНS| = |eНН|. Однако интенсивность этих взаимодействий различна. Это обусловлено тем, что максимальное число Н-Н контактов между соседними мономерами равно 26, в то время как максимальное число контактов между Н и Р звеньями с вакантными ячейками растворителя S равно 98. Поэтому вводим нормализующий фактор равный 26/98. В конце концов считали, eРS= -1, eНS = 1, eНН = -1 и определяли температуру как главный параметр системы. Время t выражено в шагах Монте Карло на мономерное звено.
Расмотрим следующие три модели цепи сополимера.
1. Соответствующая схема получения белковоподобных сополимеров включает следующие шаги. Берётся полимерный клубок и вводятся сильные взаимодействия между всеми звеньями цепи, в результате чего образуется гомополимерная глобула. Температура Т =1. NР = N/2 звеньям, которые имеют максимальное число контактов с частицами растворителя, приписывается индекс Р (гидрофильные). Остальным NН =N/2 звеньям, которые формируют ядро, приписывается индекс В (гидрофобные). Полученную первичную структуру можно охарактеризовать средними длинами непрерывных гидрофильных и гидрофобных участков (LР и LН) , а также специфическим распределением Р и Н звеньев вдоль цепи. Для получения гетерополимерной глобулы при данной температуре требуется (2-3)´106 шагов Монте Карло, после чего в течении 4´106 шагов рассчитываются средние характеристики. Такая схема дизайна многократно повторяется.