Протоколы испытаний теории нового кода

Протоколы испытаний теории нового кода

КАК формируется пространственная структура биополимеров вообще и олигопептидов, пептидов, полипептидов и белков в частности? Решением этой одной из центральных проблем молекулярной биологии заняты сегодня тысячи авторитетных специалистов биофизиков, биохимиков, молекулярных биологов - в разных странах. Однако до сих пор степень совпадения предсказаний вторичных структур (не говоря уж о третичных) рентгеноструктурным (РСА) и ЯМР-анализом еще далека от желаемой.

Иное дело - результаты, получаемые Л. Б. Меклером и Р. Г. Идлис на основе разработанной ими теории. С помощью открытого ими общего стереохимического кода авторы выявляют общий пространственный ход пептидной цепи для десятков природных олигопептидов, полипептидов и белков, который полностью совпадает со структурами, определяемыми на основании данных РСА и ЯМР-анализа. Более того, данная теория позволяет воспроизводить природный процесс во всех стадиях, а именно: сначала строится модель "промежуточной" трехмерной молекулы "расплавленной глобулы" и лишь затем - твердой, нативной.

Однако до сих пор такой нетрадиционный подход к решению проблемы трехмерной структуры биополимеров вызывал недоверие у специалистов. Именно поэтому летом 1992 г. был проведен открытый эксперимент с участием специалистов из разных институтов.

"Комиссия в составе: В. А. Геловани (член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, генеральный директор Отделения Всемирной лаборатории в Российской Федерации, заведующий отделом Института системного анализа РАН - председатель комиссии); Э. Г. Арутюнян (доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела кристаллографии белков Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН); А. А. Замятнина (доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института нормальной физиологии им. П. К. Анохина АМН РФ); В. 3. Плетнева (доктор химических наук, заведующий лабораторией рентгеноструктурного анализа биополимеров Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина РАН) провела проверку предсказательной способности общего стереохимического генетического кода Л. Б. Меклера и Р. Г. Идлис на примере ряда природных пептидных молекул, содержащих от 4 до 14 цистеиновых остатков. Проверка заключалась в оценке однозначности построения по коду пространственной структуры выбранных объектов, приводящей к правильному замыканию их S-S-связей.

В ходе проверки Меклеру и Идлис предъявлялись первичные структуры 17 пептидных молекул без указания каких-либо пространственных характеристик, в том числе и без указания положения их S-S-связей. Л. Б. Меклером и Р. Г. Идлис с помощью ленточных моделей строились пространственные структуры, а затем этот же процесс повторялся в присутствии и с участием членов комиссии. Для пептидов № 15, 16 и 17 структуры строились сразу же в присутствии и с участием членов комиссии. После этого результаты сравнивались с литературными данными".

В результате проверки, в которой в основном использовались сведения из Банка EROP–Moscow¹ о структуре и функциях эндогенных регуляторных олигопептидов, во всех случаях установлено правильное расположение S-S-связей в трехмерных молекулах следующих пептидов и полипептидов: конотоксин MI (14 аминокислотных остатков, 2 S-S-связи), харибдотоксин (37 аминокислотных остатков, 3 S-S-связи), [Ilе-2]-токсин As-II и [Vаl-2]-токсин As-II (47 аминокислотных остатков каждый, по 3 S-S-связи), пептид Кинг-Конг (27 аминокислотных остатков, 3 S-S-связи), тахиплезины I и II (17 аминокислотных остатков каждый, по 2 S-S-связи), полифемузины I и II (18 аминокислотных остатков каждый, по 2 S-S-связи), (m -агатотоксины: II, IV и VI (37 аминокислотных остатков каждый, по 4 S-S-связи), энтеротоксин (19 аминокислотных остатков, 3 S-S-связи), тертиапин (21 аминокислотный остаток, 2 S-S-связи), МСД-пептид (22 аминокислотных остатка, 2 S-S-связи), сарафотоксин S6b - (21 аминокислотный остаток, 2 S-S-связи), дефензин HNP-2 (29 аминокислотных остатков, 3 S-S-связи), соевый ингибитор трипсина и химотрипсина (71 аминокислотный остаток, 7 S-S-связей).

"Таким образом, комиссия констатирует высокую эффективность общего стереохимического генетического кода Меклера и Идлис при предсказании системы S-S-связей в структурах природных пептидных соединений по их аминокислотной последовательности".

Другое же заключение (подписанное Э. Г. Арутюняном и А. А. Замятниным), подробно описывающее результат построения одного лишь природного полипептида - металлотионеина, по-моему, должно быть приведено здесь полностью:

"Заключение

о возможности вычислять (теоретически определять) трехмерные промежуточные структуры молекул белков по их первичным структурам, исходя из теории самоорганизации и функционирования молекул биополимеров согласно общему стереохимическому - генетическому - коду, разработанной Л. Б. Меклером и Р. Г. Идлис.

Формирование пространственных структур природных полипептидов, согласно теории, разработанной Л. Б. Меклером и Р. Г. Идлис, определяется кодовыми связями между определенными аминокислотными остатками, входящими в одну из трех компонент связности графа А-А-кода, демонстрирующего взаимную стереокомплементарность аминокислотных остатков. Согласно теории, при переходе к кристаллическому состоянию или при концентрации полипептида в растворе, превышающей определенную величину, происходит переход исходной, "промежуточной", "жидкой" А-А-конформации полипептидной цепи в ее П-К-конформацию "нативную", "твердую". При этом характер хода полипептидной цепи - линейная, спиральная, поворотная или нерегулярная, равно как и положение дисульфидных мостиков, согласно авторам, не меняются. Поскольку, согласно этой теории, мы строили только промежуточную - А-А-конформацию, а при этой конформации по теории координаты атомов трехмерных молекул не определяются, ибо она "жидкая", снимается возможность детальной проверки предсказательной способности данной части этой теории по результатам рентгеноструктурного и ЯМР-анализа. При этом, однако, сохраняется возможность сопоставления общих характеристик структуры полипептидов: конфигурации их цепей, их топологии, контактов между их аминокислотными остатками, местоположения их дисульфидных мостиков.

Именно возможность точного определения положения дисульфидных мостиков полипептидной цепи и конфигурации полипептидной цепи, в тех случаях, когда она была установлена методами ЯМР или/и РСА, и была нами подвергнута проверке построением соответствующих моделей, исходя из первичной структуры этих полипептидов. Результаты ее приведены в соответствующем заключении комиссии.

Ниже в дополнение к этому заключению приведены результаты проверки однозначности построения структуры металлотионеинов высших млекопитающих, которая в данное время уже определена методами ЯМР и РСА².

Эти белки связывают атомы металлов исключительно в результате образования связей металл - сера остатков цистеина, что предполагает пространственную сближенность соответствующих остатков цистеина данной полипептидной цепи в ее нативной трехмерной структуре. В исследуемой структуре (металлотионеина человека) имеется 20 остатков цистеина из общего числа аминокислотных остатков 61. Аминокислотные остатки этого белка образуют две группы, содержащие по 9 и 11остатков цистеина каждая и связывающие три и четыре атома металла (Zn, Cd) соответственно. Часть атомов серы выступает в качестве мостиков между тетраэдрами из атомов серы вокруг каждого из атомов металла.

При построении нами, совместно с авторами, пространственной структуры металлотионеина человека (без атомов металла), согласно разработанной авторами теории, выяснилось, что полипептидная цепь действительно формирует два домена. В каждом из этих доменов содержится по одному кластеру, содержащему четыре и пять дисульфидных мостиков соответственно и по одному пространственно сближенному с ними изолированному остатку цистеина. Границы доменов, конфигурация цепи (положение линейных и нерегулярных ее частей, поворотные участки) совпадают с результатами структурных исследований.

Каким же образом происходит связывание атомов металлов, если большинство остатков цистеина участвует в образовании S-S-мостиков? Авторами предложено элегантное объяснение этому, впрочем, одно из возможных. Согласно авторам, вследствие пространственной сближенности остатков цистеина, участвующих в формировании разных дисульфидных мостиков, возможно альтернирование S-S-связей. Поскольку число SH-групп в кластерах нечетное, всегда в каждом кластере имеется свободная SH-группа, которая может катализировать разрушение соседних дисульфидных мостиков. Таким образом, в каждый момент времени каждая из этих SH-групп может быть или занятой, или свободной. Последние могут связывать атомы металлов.

Немаловажно отметить, что в нативной структуре пространственно в наибольшей степени сближенными являются именно те остатки цистеина, которые участвуют в связывании одного и того же атома металла.

Полагаем, что и в отношении структуры металлотионеинов, и в отношении их функционирования предсказательная сила этого метода Л. Б. Меклера и Р. Г. Идлис выдержала самое серьезное испытание".

А. А. Замятнин,

доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук

^{1 Zamyatnin А. А. // Prot. Seq.Data Anal. 1991. V. 4. N 1. С. 49-52.

^{2 Меssегlе В. A. et. al. // J. Мо1.Biol. 1990. V. 214. Р. 765-779; Robbins А. К. et. al. // J. Мо1.Biol. 1991. V. 221. Р. 1269-1293.

Опубликована в журнале "Природа", 1993, № 5, стр. 65–66
Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер}}