Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР ГЛЮКОАМИЛАЗ ИЗ ASPERGILLUS AWAMORI И SACCHAROMYCOPSIS FIBULIGERA

Кожокина О.М. Ковалева Т.А.
С помощью программы компьютерного моделирования MolScript на базе данных рентгеноструктурного анализа (РСА) осуществлено сравнение вторичных структур глюкоамилаз из Aspergillus awamori и Saccharomycopsis fibuligera. Получены данные о типах вторичной структуры, количественном соотношении, топологии упорядоченных и нерегулярных участков.
Особенности расположения α-спиралей, β-слоев и неупорядоченных участков являются одной из основных характеристик третичной структуры, исследование которой вызывает глубокий интерес при изучении структурно-функциональных свойств ферментов, так как именно данный уровень организации белковой макромолекулы ответственен за осуществление реакции катализа.

Использование метода компьютерного моделирования позволяет не только уточнить информацию о количестве и протяженности элементов вторичной структуры белковой молекулы, но и выявить их пространственную локализацию.

Из данных литературы следует, что в глобулярных белках, трехмерные структуры которых определены методом РСА, обычно около 60 % остатков аминокислот участвуют в формировании вторичной структуры [1-6]. Показано, что содержание α-спиралей в среднем составляет 35 %, β-слоев - 15 %, реверсивных поворотов - 20-25 %. Так как α-спираль является наиболее часто встречающимся в белках типом вторичной структуры, можно сделать предположение о ее высокой конформационной стабильности. С этим хорошо согласуется информация о расположении α-спирали в центре разрешенной области на карте Рамачандрана, а также тот факт, что диполи ее водородных связей имеют линейное расположение, отвечающее минимуму энергии. Кроме того, радиус спирали благоприятствует дисперсионному притяжению между остатками, расположенными по разные стороны от оси спирали.

Особенностью β-структуры является направление цепей. Складчатые листы с обоими направлениями цепей встречаются часто, хотя структуры, состоящие из параллельных или антипараллельных слоев, более предпочтительны.

На основе данных литературы можно заключить, что реверсивные повороты сконцентрированы на поверхности белковой глобулы, в связи с чем содержат преимущественно гидрофильные остатки [1-6]. Предполагается, что в процессе свертывания полипептидной цепи повороты играют пассивную роль, образуя участки наименьшего сопротивления невалентным силам, стремящимся изогнуть цепь. Подтверждением служит большое разнообразие наблюдаемых поворотов, ни один из которых не имеет стабильной конформации.

Содержание элементов вторичной структуры в молекулах глюкоамилаз из Aspergillus awamori и Saccharomycopsis fibuligera

Конформация

Глюкоамилаза из Aspergillus awamori

Глюкоамилаза из Saccharomycopsis fibuligera

Номера остатков в составе структуры

Содержание
структуры, %

Номера остатков в составе структуры

Содержание
структуры, %

α-спирали

1: 1...20

2: 54...68

3: 72...89

4: 126...144

5: 148...168

6: 186...205

7: 211... 227

8: 245...254

9: 272...285

10: 318...338

11: 345...354

12: 368...391

13: 416...429

27,1

1: 18...35

2: 69...84

3: 89...107

4: 146...163

5: 182...200

6: 218...237

7: 240...258

8: 290...298

9: 314...330

10: 364...383

11: 393...400

12: 424...447

13: 472...489

24,5

β-структура

1: 21...23

2: 49...53

3: 107...109

4: 114...116

5: 173...175

6: 181...183

7: 235...237

8: 339...344

9: 360...363

10: 398...403

11: 407...415

22,9

1: 36...39

2: 50...55

3: 63...68

4: 126...129

5: 205...208

6: 210...217

7: 264...277

8: 350...357

9: 360...363

10: 385...391

11: 415...421

12: 454...459

13: 464...470

24,5

β-изгибы

1: 20...21

2: 53...54

3: 338...339

4: 344...345

5: 415...416

10,4

1: 35...36

2: 68...69

3: 217...218

4: 363...364

7,6

Неупорядоченные участки

1: 23...49

2: 68...72

3: 89...107

4: 109...114

5: 116...126

6: 144...148

7: 168...173

8: 175...181

9: 183...186

10:205...211

11: 227...235

12: 237...245

13: 254...272

14: 285...318

15: 354...360

16: 363...368

17: 391...398

18: 403...407

19: 429...471

39,6

1: 1...18

2: 39...50

3: 55...63

4: 84...89

5: 107...126

6: 129...146

7: 163...182

8: 200...205

9: 208...210

10:237...240

11: 258...264

12: 277...290

13: 298...314

14: 330...350

15: 357...360

16: 383...385

17: 391...393

18: 400...415

19: 421...424

20: 447...454

21: 459...464

22: 470...472

23: 489...492

43,4

На основе данных РСА с помощью программы MolScript [8] нами были построены трехмерные изображения α-спиралей, β-структур, неупорядоченных участков глюкоамилаз различного происхождения. Модели элементов вторичной структуры фермента из плесневого микромицета были созданы на основе результатов РСА A. Aleshin et. al. для глюкоамилазы-II из Aspergillus awamori X100, представляющей собой комплекс каталитического домена и N-терминального участка О-гликозилированного сайта глюкоамилазы-I [7]. Для построения трехмерного изображения молекулы глюкоамилазы дрожжевого происхождения мы использовали данные РСА A. Solovicova et. al. для энзима из Saccharomycopsis fibuligera [9]. Результаты РСА для обоих ферментов получены из Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory.

Анализ топологии и соотношения различных типов вторичной структуры показал, что для фрагмента субъединицы молекулы глюкоамилазы из Aspergillus awamori характерна плотная упаковка ядра в виде 13 α-спиралей, 11 β-слоев и 19 неупорядоченных участков. Расположение α-спиральных участков в структуре фермента обозначено цифрами 1-13 в порядке очередности их локализации в макромолекуле белка. Аналогичным образом представлены β-слои, β-изгибы и неупорядоченные участки (таблица).

Установлено, что α-спирали и β-слои не имеют четко выраженной тенденции располагаться в каких-то определенных местах третичной структуры (например, внутри или на поверхности глобулы, в области N- или С-конца и т.д.). Обнаружено, что среди элементов вторичной структуры отсутствуют полипролиновые спирали, π-спирали, и, очевидно, 310-спирали. Наличие пяти β-изгибов позволяет молекуле поддерживать компактность, так как с их помощью полипептидная цепь в β-слое может поворачивать назад, и поэтому такая структура менее склонна выходить за пределы глобулы.

Таким образом, на основании полученных данных можно заключить, что вторичная структура глюкоамилазы из Aspergillus awamori является упорядоченной.

Сравнение характеров свертывания полипептидных цепей в пространстве позволяет устанавливать родственные связи между белками, выделенными из различных продуцентов. Поэтому аналогичный анализ особенностей вторичной структуры был осуществлен для глюкоамилазы из Saccharomycopsis fibuligera. Показано, что полипептидная цепь образует 13 α-спиралей, 13 β-слоев, 4 β-изгиба и 23 неупорядоченных участка (таблица). Установлено, что в целом топология вторичной структуры для глюкоамилаз из Aspergillus awamori и Saccharomycopsis fibuligera очень схожа. Увеличение количества β-слоев и аморфных участков в ферменте дрожжевого происхождения объясняется, вероятно, большей протяженностью полипептидной цепи. Удлинение цепи предусматривает наличие дополнительных факторов компактизации глобулы.

Количество β-изгибов (4) является явно недостаточным для компактности молекулы, в связи с чем глобула глюкоамилазы из Saccharomycopsis fibuligera имеет больший объем по сравнению с ферментом из Aspergillus awamori. Из таблицы видно, что протяженности α-спиралей анализируемых белковых структур весьма сходны, равно как и β-слоев.

В β-структуре глюкоамилазы из Saccharomycopsis fibuligera лишь седьмой слой является, вероятно, параллельным, остальные двенадцать имеют антипараллельную направленность цепей. Из таблицы следует, что вторичная структура фермента дрожжевого происхождения обладает высокой степенью упорядоченности, равно как и энзим из Aspergillus awamori.

Таким образом, нами обнаружено, что в состав вторичной структуры молекул глюкоамилаз плесневого и дрожжевого происхождения входят все основные элементы: α-спирали, β-слои, β-изгибы и неупорядоченные фрагменты полипептидной цепи. При этом β-структура анализируемых ферментов характеризуется наличием антипараллельных цепей. Выявлено, что заниженное по сравнению со среднестатистическим содержание α-спиралей компенсируется за счет увеличения количества β-слоев. Показано, что примерно 66 % аминокислотных остатков полипептидных цепей глюкоамилаз из Aspergillus awamori и Saccharomycopsis fibuligera задействованы в образовании упорядоченных элементов вторичной структуры. Топология α-спиралей, β-структур и неупорядоченных участков в молекулах анализируемых белков свидетельствует об их эволюционной близости. Полученные нами результаты хорошо согласуются с данными литературы о пространственной организации белковых молекул [1-6].

Список литературы

  1. Кантор Ч. Биофизическая химия. - М.: Мир, 1984. - Т. 1. - 336 с.
  2. Мурзин А.Г., Финкельштейн А.В. // Биофизика. - 1983. - Т. 28, № 5. - С. 905.
  3. Попов Е.М. Структурно-функциональная организация белков. - М.: Наука, 1992. - 358 с.
  4. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. - М.: Высш. шк., 1996. - 335 с.
  5. Шерман С.А. Конформационный анализ и установление пространственной структуры белковых молекул. - Минск: Наука и техника, 1989. - 240 с.
  6. Шульц Г. Принципы структурной организации белков. - М.: Мир, 1982. - 360 с.
  7. Aleshin A.E., Hoffmann C., Firsov L.M. et.al. // J. Mol. Biol. - 1994. - Vol. 238, № 6. - P. 575.
  8. Kraulis P. // J. Appl. Crystallogr. - 1991. Vol. 24. - P. 946.
  9. Solovicova A., Christensen T., Hostinova E. et.al. // Eur. J. Biochem. - 1999. - Vol. 264, № 8. - P. 756.

Библиографическая ссылка

Кожокина О.М., Ковалева Т.А. КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР ГЛЮКОАМИЛАЗ ИЗ ASPERGILLUS AWAMORI И SACCHAROMYCOPSIS FIBULIGERA // Успехи современного естествознания. – 2012. – № 7. – С. 26-28;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=30282 (дата обращения: 28.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074