Разработка и применение новых методов анализа третичной и четвертичной структуры белков по данным малоуглового рентгеновского рассеяния

• Автор: Петухов, Максим Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 113 с. : ил

Оглавление
Введение

Глава 1 Обзор литературы

1.1 Традиционные методы анализа кривых малоуглового рассеяния

1.2 АЪ initio определение формы частиц

1.3 Расчет кривых малоуглового рассеяния от известных атомных структур.

1.4 Метод молекулярной тектоники. Рассеяние гетеро- и гомодимерами

Глава 2 Использование ограничений на симметрию и анизометрию частицы при db initio определении формы программой DAMMIN

2.1 Учет симметрии и анизометрии в программе DAMMIN

2.2 Примеры использования симметрии и анизометрии при ab initio определении формы

2.2.1 Восстановление формы димера пируват декарбоксилазы из пивных дрожжей

2.2.2 Восстановление формы тетрамера пируват оксидазы из Lactobacillus plantarum
2.2.3 Восстановление формы VI АТФазы из Manduca sexta
Глава 3 Ab initio определение доменной структуры белков по данным рассеяния растворами
3.1 Ограничения ab initio определения формы
3.2 Модель свободных виртуальных аминокислотных остатков с ограничениями на локальную цепочечность
3.3 Алгоритм минимизации
3.4 Примеры применения техники виртуальных остатков
3.4.1 Исследование структуры лизоцима из куриного яичного белка
3.4.2 Исследование альбумина сыворотки крови
3.4.3 Исследование гексокиназы из дрожжей
3.4.4 Исследование пируват декарбоксилазы из пивных дрожжей
3.4.5 Исследование структуры хитин-связывающего белка из Streptomyces
3.5 Обсуждение полученных результатов
Г лава 4 Добавление недостающих петель и доменов к известным моделям белков с использованием рентгеновского рассеяния растворами
4.1 Дальнейшее развитие метода виртуальных остатков
4.2 Типы используемых моделей

4.2.1 Модель свободных виртуальных остатков
4.2.2 Модель виртуальных остатков с упругими силами между соседями
4.2.3 Модель индивидуальных остатков с упругими силами между соседями
4.2.4 Свертывание сочлененной цепи состоящей из индивидуальных остатков
4.3 Проверка и применение развитых подходов
4.3.1 Проверка предложенных методов на тестовых примерах
4.3.2 Конформационная подвижность небольших петель/доменов
4.3.3 Исследование гяутатион S-трансферазы и слитых белков
4.4 Обсуждение полученных результатов
Глава 5 Исследование четвертичной структуры белков методом молекулярной тектоники
5.1 Разработка программного пакета MASSHA, предназначенного для моделирования атомных структур и определения их формы по данным малоуглового рассеяния
5.1.1 Трехмерная графика
5.1.2 Моделирование гетеродимерной структуры
5.1.3 Моделирование гомодимерной структуры
5.1.4 Основные преимущества программного пакета MASSHA
5.2 Анализ отличий четвертичной структуры тиаминдифосфат-зависимых ферментов в кристалле и растворе
5.2.1 Экспериментальные данные
5.2.2 Исследование пируват декарбоксилазы из Zymomonas mobilis
5.2.3 Исследование пируват оксидазы из Lactobacillusplantarum
5.2.4 Исследование транскетолазы из Saccharomyces cerevisiae
5.2.5 Исследование нативной пируват декарбоксилазы из пивных дрожжей
5.2.6 Исследование пируват декарбоксилазы из пивных дрожжей в активированном состоянии
5.2.7 Обсуждение полученных результатов
Заключение
Библиография
Введение
История современной физической науки показывает, что рентгеновское излучение является эффективным средством для физической, химической, биологической и структурной характеризации вещества. Например, рентгеновская флуоресценция широко используется для качественного и количественного анализа вещества, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия может использоваться для изучения электронной структуры вещества. Рентгеновская кристаллография позволяет определять трехмерные структуры на атомном разрешении, а различные методики рентгеновского рассеяния дают структурную информацию для аморфных материалов с разной степенью разрешения.
Малоугловое рентгеновское рассеяние (МУР), представляющее собой центральную часть дифракционной картины, также позволяет исследовать вещества самой разнообразной структуры, в которых характерные размеры неоднородностей лежат в диапазоне 1+103 нм. Чем больше размер рассеивающего объекта, тем в меньшем угловом интервале сосредоточено рассеянное излучение, и рассеяние на малые углы (меньше нескольких градусов) несет информацию о ’’крупномасштабном” (по отношению к длине волны излучения X) рассеивающем ансамбле. В структурном анализе вещества с помощью рентгеновского и нейтронного рассеяния А ~ 0.1+1 нм, что по порядку величины совпадает с межатомными расстояниями. Таким образом, МУР дает информацию о надатомной структуре вещества.
Метод малоуглового рассеяния применяется к следующим классам объектов: Биологически активные соединения. С помощью малоуглового рассеяния изучается строение биологических макромолекул и их комплексов (белков, нуклеиновых кислот, вирусов, мембран и др.) При этом удается исследовать строение частиц в водно-солевых растворах, то есть в условиях, приближенных к условиям их функционирования.
Жидкости, полидисперсиые коллоидные системы и аморфные тела. Применение малоуглового рассеяния дает возможность анализа термодинамических характеристик и кластерной структуры жидкостей, флуктуации плотности и разделения фаз в стеклах и других аморфных телах.

Глава 3 Ab initio определение доменной структуры белков по данным рассеяния
растворами
3.1 Ограничения ab initio определения формы
Традиционно считается, что рассеяние растворами дает лишь информацию о размерах и форме белка, а трехмерные пространственные модели приближают только начальные части кривых рассеяния. В диапазоне малых углов, соответствующем разрешению до 2-3 нм, кривая рентгеновского рассеяния не чувствительна к особенностям внутренней структуры частиц, а определяется в основном их формой. Форма частиц может быть определена с использованием угловой функции оболочки [16], либо с использованием модели конечных объемных элементов. В предыдущей главе было показано, что кривые рассеяния растворами, несмотря на низкое разрешение экспериментальных данных, содержат достаточное количество информации для ab initio восстановления трехмерной формы частиц. С другой стороны, данные рентгеновского рассеяния более высокого разрешения для белков измерялись достаточно редко - не только из-за технических сложностей, но и по причине отсутствия методов интерпретации таких данных посредством структурных моделей.
Уровень структурной информации, который дает рассеяние растворами, может быть качественно описан при помощи (Рис. 9), на котором представлены теоретические кривые рассеяния 25 белков различных семейств с молекулярными массами от 10 до 300 кДа. Структуры высокого разрешения были взяты из Брукхэвенской белковой базы данных [36], а кривые рассеяния рассчитаны с использованием программы CRYSOL [27]. В области углов рассеяния до значений величины s ~ 12 нм'1 дифракционные картины различаются существенным образом, однако при более высоком разрешении они практически неразличимы. Это означает, что рассеяние растворами не применимо для определения элементов вторичной структуры, но в то же время кривые рассеяния содержат информацию о форме и особенностях свертывания белка вплоть до разрешения ~ 0.5 нм.