Аннотация:
Разработка теоретических методов для расчета кислотно-основных свойств белков, основанных на знании об их трехмерной структуре, является важной альтернативой экспериментальным методам, и, соответственно, представляет большой интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Имея надежный метод моделирования кислотно-основных свойств биокатализаторов, можно, в частности, осуществлять их рациональный дизайн с целью получения ферментов с заданным рН-профилем активности и стабильности.
Сложность решения задачи расчета ионизационных свойств белков обусловлена тем, что даже небольшой белок имеет десятки кислотных и основных остатков, а общее количество (конформационных и ионизационных) состояний макромолекулярной системы, которое надо учитывать для расчета соответствующих статистических сумм, выражается астрономическими числами ( 10100-l01000). Существующие на сегодняшний день теоретические подходы ограничиваются неявным учетом множества возможных состояний фермента или учитывают лишь относительно небольшое количество различных состояний, получаемых с помощью методов молекулярной динамики или Монте Карло.
Другая научная проблема, связанная с необходимостью учета множества состояний макромолекулярной системы, состоит в моделировании геометрии боковых радикалов - положений всех аминокислотных остатков в пространстве - при заданной геометрии основной цепи фермента. Решение данной задачи необходимо для осуществления рационального дизайна биокатализаторов, в ходе которого моделируется множество форм фермента, несущих те или иные мутации в его каталитическом центре. При этом для каждой из форм (методами молекулярной механики или квантовой химии) рассчитывается энергия связывания субстрата и/или энергия активации соответствующей скорость лимитирующей стадии ферментативной реакции. Также моделирование трехмерной структуры белка может быть необходимо в отсутствие данных рентгеноструктурного анализа (при наличии лишь данных о трехемрных структурах родственных белков) или при недостаточном разрешении структуры.
Предложен принципиально новый граф-теоретический подход TSAR (Thermodynamic Sampling of Amino acid Residues) к моделированию свойств макромолекулярных систем, с учетом термодинамического усреднения по всевозможным состояниям системы. Алгоритм TSAR основан на представлении макромолекулярной системы в виде графа, узлы которого, соответствующие независимым молекулярным группам системы (например, аминокислотным остаткам, закрепленным на неподвижном остове полипептидной цепи), могут иметь множество (конформационных, ионизационных и т.д.) состояний, а ребра соединяют взаимодействующие между собой узлы. Основной идеей, реализованной в алгоритме TSAR, является математически строгий способ учета топологии графа молекулярной системы для поиска оптимального способа расчета термодинамических функции распределения ее состояний. В дополнение к математически строгому учету топологии в алгоритме предусмотрено применение ряда приближений (сокращение числа состояний узлов и отбрасывание ребер графа) с целью понижения вычислительной сложности задачи. Принципиальным отличием разработанного подхода от существующих методов учета множества (конформационных и т.д.) состояний макромолекулярных систем, таких как молекулярная динамика или Монте Карло, является возможность рассмотрения любого наперед заданного числа независимых (нескоррелированных) состояний системы, что невозможно осуществить в рамках динамических подходов.
Разработанный теоретический подход апробирован при решении таких практически значимых задач, как моделирование кислотно основных свойств белков, и моделирование трехмерной структуры (пространственного положения аминокислотных остатков) белков. Продемонстрировано превосходство разработанного подхода в сравнении с существующими расчетными методами в точности моделирования ионизационных свойств белков и трехмерной структуры. Дополнительно показано, что применение алгоритма TSAR для подготовки полноатомных моделей структур белков, исходя из координат тяжелых атомов, доступных из данных рентгеноструктурного анализа, позволяет существенно повысить точность моделирования трехмерных структур комплексов ферментов с их низкомолекулярными субстратами или ингибиторами.
Обратная связь: