Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках
Анализ релаксации ядер ¹³С в ингибиторе трипсина и рибонуклеазе S проводится с использованием разработанной авторами модификации формального подхода. Полученные микродинамические характеристики (параметры анизотропии, наивероятнейшие времена корреляции, параметры ширины распределения времен) обсужда...
Gespeichert in:
| Datum: | 1987 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
1987
|
| Schriftenreihe: | Биополимеры и клетка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154646 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках / В.Д. Федотов, Л.С. Киваева // Биополимеры и клетка. — 1987. — Т. 3, № 4. — С. 178-187. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-154646 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1546462019-06-16T01:32:32Z Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках Федотов, В.Д. Киваева, Л.С. Структура и функции биополимеров Анализ релаксации ядер ¹³С в ингибиторе трипсина и рибонуклеазе S проводится с использованием разработанной авторами модификации формального подхода. Полученные микродинамические характеристики (параметры анизотропии, наивероятнейшие времена корреляции, параметры ширины распределения времен) обсуждаются в рамках моделей вращательно-колебательных движений и модели диффузии дефектов. Аналіз релаксації ядер ¹³С в інгібіторі трипсину і рибонуклеазі S проводиться з використанням розробленої авторами модифікації формального підходу. Отримані мікродінаміческіе характеристики (параметри анізотропії, найімовірнішого часи кореляції, параметри ширини розподілу часів) обговорюються в рамках моделей вращально-коливальних рухів і моделі дифузії дефектів. Protonated carbons' relaxation in bovine pancreatic trypsin inhibitor and ribonuclease S has been analyzed by the model-free approach based on ideology of relaxation treatment in solid polymers. Microdynamic parameters of CH³–, CH²–, aromatic CH-groups (anisotropy parameters, the most probable correlation times) are considered within the diffusion rotation-oscillation models. A model of the defect diffusion is applied to explain the backbone CH-group relaxation. A distinctive feature of the results obtained is that wide correlation time distributions are found for groups of all the types. Decays of the carbon magnetization in the wide range of microdynamic parameter values imitating the various experimental conditions are calculated to elucidate a nature of the correlation time spectra. 1987 Article Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках / В.Д. Федотов, Л.С. Киваева // Биополимеры и клетка. — 1987. — Т. 3, № 4. — С. 178-187. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.0001ED http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154646 547.962 ru Биополимеры и клетка Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров |
| spellingShingle |
Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров Федотов, В.Д. Киваева, Л.С. Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках Биополимеры и клетка |
| description |
Анализ релаксации ядер ¹³С в ингибиторе трипсина и рибонуклеазе S проводится с использованием разработанной авторами модификации формального подхода. Полученные микродинамические характеристики (параметры анизотропии, наивероятнейшие времена корреляции, параметры ширины распределения времен) обсуждаются в рамках моделей вращательно-колебательных движений и модели диффузии дефектов. |
| format |
Article |
| author |
Федотов, В.Д. Киваева, Л.С. |
| author_facet |
Федотов, В.Д. Киваева, Л.С. |
| author_sort |
Федотов, В.Д. |
| title |
Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках |
| title_short |
Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках |
| title_full |
Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках |
| title_fullStr |
Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках |
| title_full_unstemmed |
Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках |
| title_sort |
анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³с в глобулярных белках |
| publisher |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| publishDate |
1987 |
| topic_facet |
Структура и функции биополимеров |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154646 |
| citation_txt |
Анализ данных по магнитной релаксации ядер ¹³С в глобулярных белках / В.Д. Федотов, Л.С. Киваева // Биополимеры и клетка. — 1987. — Т. 3, № 4. — С. 178-187. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| series |
Биополимеры и клетка |
| work_keys_str_mv |
AT fedotovvd analizdannyhpomagnitnojrelaksaciiâder13svglobulârnyhbelkah AT kivaevals analizdannyhpomagnitnojrelaksaciiâder13svglobulârnyhbelkah |
| first_indexed |
2025-07-14T06:41:00Z |
| last_indexed |
2025-07-14T06:41:00Z |
| _version_ |
1837603500956057600 |
| fulltext |
3. Karplus Μ. Dynamics of proteins / / Proc. 2th SUNYA conversation in the discipi.
biomol. stereodynamics — N e w York: Adenine press, 1982 — Vol. 2 — P . 211—228.
4. Абатуров JI. В. Тепловые движения белка: мелкомасштабные флуктуации и конфор-
мационные подсостояния/ /Молекуляр. биология.— 1983.— 17, № 4.— С. 683—704.
5. Абатуров Л. В., Лебедев Ю. О., Носова Н. Г. Динамическая структура глобуляр-
ных белков: конформационная жесткость и флуктуационная подвижность/ /Там
ж е . — № 3 .—С. 543—567.
6. Гривцов А. Г., Маленков Г. Г., Абатуров Л. В. Численное моделирование молеку-
лярной динамики белков / / Т а м же.— С. 587—615.
7. Равновесная динамика структуры биополимеров / Л. В. Абатуров, Э. А. Бурштейн,
В. И. Иванов и др. / / Т а м же.— С. 451—454.
8. An approach to the mapping of internal motions in protein analysis of 13C relaxation
in the bovine pancreatic trypsin inhibitor / A. A. Ribeiro, K. King, Ch. Restivo,
O. Jardetzky,/ /J. Amer. Chem. Soc.— 1980.— 102, N 12.—P. 4040—4051.
9. Lipari G., Szabo A. Model-free approach to the interpretation of nuclear magnetic re-
sonance relaxation in macromolecules 1. Theory and range of validity / / Ibid.— 1982.—
104, N 17.—P. 4546—4559.
10. Lipari G., Szabo A. Model-free approach to the interpretation of nuclear magnetic
resonance relaxation in macromolecules. 2. Analys is of experimental results / / Ibid.—
P. 4559—4770.
11. Федотов В. Д. Импульсный ЯМР в блочных полимерах: Дис. . . . докт. физ.-мат. наук:
01.04.15.—Защищена 03.06.81; Утв. 17.04.82.—Казань, 1981.—273 с —Библиогр.:
с. 254—273.
12. Федотов В. Д., Киваева Л. С. Характеристики и механизмы внутримолекулярного
движения в глобулярных белках по данным магнитной релаксации ядер 13С / / Физ.-
хим. свойства биополимеров в растворе и клетках (23—26 сент. 1985 г., Пущино).—
Пущино, 1985.—С. 106.
13. Fedotov V. D. NMR relaxation and molecular dynamics in polymers and b i o p o l y m e r s / /
Progress in polymer spectroscopy: Proc. 7th Eur. symp. on polymer spectroscopy (15-
18 Oct. 1985, Le ipz ig) .—Leipz ig , 1986.—P. 262—271.
14. Fuoss R., Kirkwood J. G. Electrical properties of s o l i d s / / J . Amer. Chem. Soc.—
1941,—63, N 2 , — P . 385—394.
15. Чернов В. Μ., Федотов В. Д. Ядерная магнитная релаксация и природа распреде-
ления времен корреляции сегментального движения в каучуках / / Высокомолекуляр.
соединения.— 1981.—23А, № 4 .—С. 932—942.
16. Kaplan J. J., Garroway Α. N. Homogeneous and inhomogeneous distributions of cor-
relation times. Line shapes for chemical e x c h a n g e / / J . Magn. Reson.— 1982.— 49,
N 3,— P. 464—475.
17. Lipari G., Szabo Α., Levy R. M. Protein dynamics and NMR relaxation: comparison
of simulations with experiment / / Nature.— 1982.— 300, N 5880 .—P. 197—198.
18. Khazanovich Τ. N., Mironou V. D. NMR line shape and spin-locking in s lowly tum-
bling methyl g r o u p s / / М о ї . Phys.— 1985.—55, N 1 ,—P. 145—159.
19. Woessner D. E. Spin relaxation processes in a two-proton system undergoing aniso-
tropic r e o r i e n t a t i o n / / J . Chem. Phys.— 1962.—36, N 1 .—P. 1—4.
20. Glarutn S. H. Dielectric relaxation of isoamyl b r o m i d e / / I b i d . — 1960.— 33, N 3.—
P. 639—643.
21. Voigt G.} Kimmich R. Chain fluctuation in the amorphous region of polyethylene as
indicated in proton relaxation s p e c t r o s c o p y / / P o l y m e r s . — 1980.— 21, N 2.— P. 1001 —
1008.
22. Cole K. S., Cole R. H. Dispersion and absorption in dielectrics. 1. Alternating current
characteristics / / J . Chem. Phys.— 1941.—9, N 4 . — P . 341—351.
23. Davidson V. C., Cole R. H. Dielectric relaxation in glycerole propylene glycol and
n-propanol / / J. Chem. Phys.— 1951.— 19, N 12.—P. 1484—1490.
Пн-т биологии Казан, фил. АН СССР Получено 21.04.86
УДК 547.962
АНАЛИЗ ДАННЫХ ПО МАГНИТНОЙ РЕЛАКСАЦИИ ЯДЕР 13С
В ГЛОБУЛЯРНЫХ БЕЛКАХ
В. Д. Федотов, Л. С. Киваева
Введение. В данной работе для анализа релаксационных данных 13С-
Я М Р высокого разрешения в глобулярных белках используется подход,
изложенный в работе [1] .
В настоящее время спектры высокого разрешения, пригодные для
проведения корректных измерений ядерной релаксации отдельных ли-
ний, могут быть получены только для белков небольшого размера .
Лучшей моделью для такого рода экспериментов является бычий пан-
178 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987.— Т. 3, № 4
креатический ингибитор трипсина (ПИТ, молекулярная масса 6500).
В спектрах 1 3С-ЯМР этого белка разрешено [2] около 30 резонансных
линий, соотнесенных с различными положениями протежированных угле-
родов на полипептидном остове и в боковых цепях. Д л я каждой линии
измерены по шесть независимых релаксационных параметров. Этот
уникальный эксперимент по объему и детальности превосходит все
известные до сих пор исследования динамики белков и предоставляет
богатейший материал для анализа механизмов и характеристик внут-
римолекулярных движений.
Данные этого эксперимента анализировали с помощью различных
модификаций формального подхода [2—5], но при этом не было до-
стигнуто их адекватного описания. Подход авторов эксперимента под-
вергся критике [3—5], поскольку результаты его применения, мате-
матически точно описывающие экспериментальные данные, сложно ин-
терпретировать в терминах молекулярных движений. Вторая модифи-
кация формального подхода, являясь шагом вперед по сравнению с
предыдущей, смогла объяснить только часть экспериментальных дан-
ных. В настоящей работе анализ этого эксперимента проводится в
рамках теории, развитой для анализа Ή - Я М Р релаксации в твердых
полимерах [6] . Согласно данному подходу, внутримолекулярные дви-
жения в белках, так же как и в любых других твердых полимерах,
анизотропны и характеризуются неэкспоненциальными функциями кор-
реляции [1] .
Анализ релаксационных данных. О б ъ е к т ы .
1. ПИТ (9,8 мМ в D 2 0 , рН 5,0, 50 мМ NaCl, 17°С) , данные работы [2]: Ти Т2,
ЯЭО измерены на частотах 45 и 90 МГц для 33 резонансных линий, соотнесенных с ме-
тиновыми, метиленовыми и метальными углеродами различных аминокислотных
•остатков.
2. Панкреатическая рибонуклеаза S, содержащая обогащенный ядрами 13С Ν-κοη-
девой пептид (5 %-ный раствор в 15 %-ной D 2 0 , рН 6,5, 0,1 Μ NaCl, 20—27°С) , дан-
ные работы [7]: Г ь ЯЭО измерены для трех резонансных линий на частотах 25, 68,
100 и 125 МГц.
Выбор данных белков обусловлен их достаточной изученностью, а также полу-
чением для них наибольшего набора экспериментальных параметров релаксации.
П р о ц е д у р а с о г л а с о в а н и я э к с п е р и м е н т а л ь н ы х д а н н ы х . Мик-
родинамические параметры определяли, решая систему трансцендентных уравнений
(9—11) [1], полученную при объединении всех экспериментальных данных для анали-
зируемой углеводородной группы. Решение получали с помощью программы миними-
зации функции, работающей по методу деформированных многогранников [8].
Поскольку данная задача относится к классу некорректных, мы специально проанализи-
ровали вопрос о степени неоднозначности ее решения. С этой целью рассчитали Г ι, Τ 2,
ЯЭО по уравнениям ( 9 — И ) [1] для широкого диапазона микродинамических параме-
тров и решили обратную задачу: определяли наборы подгоночных параметров xR, q2,
τι, δ, описывающие рассчитанные Τ ь T2i ЯЭО с заданной точностью. Результаты пока-
зали, что 1) при погрешности Τь Т2, ЯЭО менее 1 % подгоночные параметры с точ-
ностью 1—2 % соответствуют предварительно заданным, а при погрешности релакса-
ционных данных 10—20 % точность воспроизведения параметров %R, q2, τіУ δ снижается
д о 20—30 %; 2) введение в расчеты времени спин-спиновой релаксации или использо-
вание для согласования более четырех релаксационных параметров повышает одно-
значность определения микродинамических параметров. Но при этом все ж е возможны
небольшие взаимокомпенсирующие вариации их пар — q2 и Тя, %ι и δ.
При согласовании экспериментальных данных из всех вариантов подгонки выби-
рали тот, что наиболее точно описывал частотную зависимость времени спин-решеточ-
ной релаксации. Кроме того, на величину Тд накладывали условие: время корреляции
общего движения должно быть одинаковым для всех групп одной и той ж е макромо-
лекулы и не превышать теоретического значения, рассчитанного по формуле Дебая ,
более чем в 2—3 раза [9].
С помощью подгонки четырех микродинамических параметров мы согласовали
в пределах ошибки эксперимента все данные для α-СН, СНг, СН3 и ароматических
СН-групп.
179 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987.— Т. 3, № 4
Т а б л и ц а 1
Микродинамические параметры метильных групп ПИТ, рассчитанные с использованием трех
The microdynamical parameters of PTI methyl groups, calculated by means of three modifications
Остаток аминокислоты, поло
β-Ал а
Параметр Параметр
5 РНКазы 16 25 48 58 16
27 40
τ: L, НС
[1] 220 25 60 25 42 39 25
[2] 45 МГц — 50 100 50 50 50 50
[2] 90 МГц — 50 50 50 50 50 50
13, 4] 35* 55 38 70 55 40 37
Я' »
[1] 1 1 1 1 1 0 ,996 1
[2] 45 МГц — 0 , 9 4 0 ,98 0 ,97 0 , 9 4 0 , 7 9 0 , 9 7
2] 90 МГц — 0 , 9 2 0 , 9 2 0 ,87 0 , 9 2 0 ,87 0 ,87
[3, 4] 0 ,92* 0 , 9 6 0 , 9 4 0 ,97 0 ,96 0 , 9 5 0 , 9 9
Ь [1] 0 ,43 0,62 0,66 0,62 0,62 0,62 0 , 6 3
σ . % 11] З*»» И 7 11 5 18 11
П р и м е ч а н и е , σ—среднеквадратичное отклонение рассчитанных Г2 , ЯЭО от эксперимента
»**—отклонение для одного из параметров ЯЭО больше 30 %.
Отметим, что в работе [2] для каждой углеводородной группы согласованы меж-
ду собой только наборы из трех релаксационных параметров (для каждой частоть:
отдельно). И наборы подгоночных параметров, полученных для одной и той же линии,
в ряде случаев значительно различаются. Кроме того, для согласования эксперимен-
тальных данных авторы вынуждены были ввести в рассмотрение движение, более мед-
ленное, чем броуновское вращение макромолекулы, которое, согласно принятому фор-
мальному подходу, не должно вносить вклада в релаксацию в виде отдельной моды
движения.
Подход, развитый в работах [3, 4], не позволяет полностью согласовать все шесть
параметров (Γι Г2, ЯЭО на двух частотах — ПИТ). Так, при хорошем согласовании-
величии Ти ЯЭО значения расчетных Т2 в два раза превышают экспериментальные.
Для РНКазы неполное согласование данных (Γι, ЯЭО на четырех частотах) достигну-
то при подгоночном xR (20 не), намного превышающем теоретическое значение
(3 не [5]) .
Результаты и обсуждение. Введение еще одного параметра для
описания локальных движений позволило лучше согласовать экспери-
ментальные данные и более правильно определить параметры q2 и τ ι.
Полученные в рамках нашего подхода микродинамические пара-
метры различных углеводородных групп приведены в табл. 1 и 2. От-
метим их основные особенности.
1. Времена корреляции локальных движений α-углеродов основ-
ной цепи и ближайших к ней групп составляют сотни пикосекунд,
тогда как для углеродов боковых цепей τ/ уменьшаются до десятков
и единиц пикосекунд.
2. Параметр анизотропии q2 увеличивается от 0,2 до 1 в ряду
^α-СН ^ ^аромат. СН < < ^v-CH, < ^е-СН2 ~ ^СН8
#
3. Параметр ширины распределения времен корреляции, б, для
всех групп заметно меньше единицы и увеличивается от 0,4 до 0,65
В ряду
^аромат, СН б а - с н < $ с н , ^
4. Величины q2 и δ СН3-групп П И Т не зависят от длины боковой
цепи до концевой метальной группы, тогда как для величин т/ наблю-
дается корреляция с положением СНз-группы на боковой цепи. Ано-
мально большое χι найдено для β-ΟΗ3 Ала-5 Р Н К а з ы .
180 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА.- 1987,- Т. 3, Jν. χ
3. Параметр ширины распределения времен корреляции, б, для
всех групп заметно меньше единицы и увеличивается от 0,4 до 0,65
В ряду
4. Величины q2 и δ СН3-групп П И Т не зависят от длины боковой
цепи до концевой метальной группы, тогда как для величин т/ наблю-
дается корреляция с положением СНз-группы на боковой цепи. Ано-
мально большое χι найдено для β-ΟΗ3 Ала-5 Р Н К а з ы .
модификаций формального подхода из работ [1—4]
of formal approach [1—4]
жение о:татка и СН3-группы
V- б-
• Вал, Лей, Лей-29,
Лей-6
є-Мет-52
Иле 1 Тре-11, Вал Тре-32, 54 Иле Иле-18, 19 Иле-18, 19 Лей-6
31 45 44 30 15 26 27 13
50 50 50 50 14 10 25 22
50 50 50 30 3 , 3 3 , 3 5 , 1 14 ,3
43 — — — 20 20 25 23
I 1 0 , 9 7 1 0,98 0 , 9 9 3 0 , 9 9 8 1
0 , 9 4 0 , 9 2 0 , 9 2 0 , 8 9 0 , 9 2 0 , 8 3 0 , 9 2 0 , 9 2
0,91 0 , 8 8 0,88 0 , 8 7 0 , 9 2 0 , 8 3 0 , 9 5 0 , 8 5
0 , 9 7 — — — 0 , 9 8 0 , 9 9 0 , 9 7 8 0 , 9 8
0 , 6 2 0 , 6 2 0,66 0,60 0,60 0 , 6 4 0 , 6 7 0 , 5 7
4 10 8 25** 16 7 12 18***
льных; *—расчеты работы [15]; **—отклонение для одного из параметров 7 \ больше 20 %;
Следует подчеркнуть основное отличие наших результатов от ре-
зультатов предыдущих обработок данных: ни для одного типа групп
не получено значений 6 ~ 1 , несмотря на многочисленные варианты
подгонки без введения каких-либо ограничений на величину δ (кроме
Д л я более детального рассмотрения полученных результатов и
выяснения их связи со структурно-динамическими характеристиками
белков необходимо перейти от формальных параметров , характеризу-
ющих сложное эффективное движение (q2
y τ/, δ ) , к микродинамическим
характеристикам составляющих его движений. Д л я этого следует слож-
ное движение р а з л о ж и т ь на более простые и описать последние коли-
чественно с использованием модельных представлений.
Д в и ж е н и е м е т и л ь н ы х и м е т и л е н о в ы х г р у п п . В таб-
л и ц а х результаты нашей обработки данных д л я углеродов метильных
групп сопоставляются с результатами, полученными с помощью других
подходов. Р а з л и ч и я между ними определяются описанием внутримо-
лекулярных движений: в работах [2—4] вводится единственное время
корреляции, мы ж е рассматриваем спектр времен. Все способы обра-
ботки данных приводят к достаточно близким, непротиворечивым ре-
зультатам . Величины п имеют порядок десятков пикосекунд и обнару-
ж и в а ю т тенденцию к уменьшению при удлинении боковой цепи. Вели-
чины параметра анизотропии для трех способов расчета различаются
на 5—10 %.
Д а н н ы е по Я М Р углеродов метильных групп неоднократно обсуж-
дались в р а м к а х модели вращательно-колебательных движений [10, 11].
Признано, что движение концевых СНз-групп можно рассматривать
к а к суперпозицию движений двух типов: вращения СН3-группы вокруг
оси симметрии (непрерывного или скачкообразного) и колебательных
движений этой оси.
П а р а м е т р анизотропии для случая независимых движений с сильно
различающимися скоростями можно разделить на отдельные вклады .
В первом приближении
Здесь q2
cu и — параметры анизотропии движения СН3-группы вокруг
оси симметрии и движений этой оси соответственно. Вращению вектора СН
БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987,— Т. 3, N° 4 3 — 7-213 181
Здесь q2
cu и — параметры анизотропии движения СН3-группы вокруг
оси симметрии и движений этой оси соответственно. Вращению вектора СН
под углом ~ 7 0 ° к фиксированной оси [12] отвечает в е л и ч и н а ^ ^ ~ 0,89
(см. уравнение (17) в [1]). Наличие второго движения, даже весьма огра-
ниченного, q2
0 ~ 0,4 — 0,6, приводит к величинам q2 ~ 0,94 0,96, что
при нашей процедуре подгонки неотличимо от 1.
Так как параметр анизотропии метильных групп с достаточно вы-
сокой точностью равен 1, то их внутримолекулярное движение на
пикосекундной шкале времен можно рассматривать как практически
изотропное.
Т а б л и ц а 2
Микродинамические параметры прстонированных углеродсв ПИТ: результаты
обработки экспериментальных данных [2] с использованием уравнений (8—11)
работы [1]
The microdynamical parameters of PTf protonated carbons: the results of the experimental
data treatment by the equations (<8—11)
Зависимость эффективного времени корреляции XI от положения
метильной группы на боковой цепи свидетельствует о том, что в пере-
ориентацию метильной группы существенный вклад вносят колебатель-
ные движения всех связей боковой цепи.
Аналогичные заключения можно сделать о динамике метиленовых
групп, достаточно удаленных от остова, совершающих практически
изотропное движение, q 2 ^ 1 (є-СН2 Л и з П И Т ) : механизм движения
лишь в деталях отличается от такового для метильных групп — воз-
можны полные повороты СНг-групп вокруг связи С—С или О — С
(СН 2 -Лиз ) .
М а л ы е значения фактора анизотропии β- и 7-СН2-групп (<72~0 ,7)
свидетельствуют об анизотропности их движений. Скорее всего, для
них маловероятны полные провороты вокруг связей С—С, а в о з м о ж н ы
лишь ограниченные колебательные движения.
182 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987.— Т. 3, № 4
Интересно отметить, что время корреляции β-СНз Ала-5 Р Н К а з ы
в несколько раз превышает времена корреляции β-СНз всех Ала ПИТ.
Возможно, это связано с тем, что в ингибиторе трипсина все остатки
Ала находятся в областях с неупорядоченной конформацией остова
[13] , тогда как остаток Ала-5 Р Н К а з ы S расположен на участке с
α-спиральной структурой [14] . М о ж н о полагать, что движение С а —
связи Ала-5 Р Н К а з ы сильно заторможено по сравнению с таковым
в областях с неупорядоченной структурой.
Не исключено, что для заторможенных групп (β-СНз Ала-5 Р Н К а з ы ,
β-ΟΗ 2 Асп П И Т ) , расположенных близко к полипептидному остову,
происходит смена механизма релаксации (см. обсуждение результатов
для а -углеродов) .
Д в и ж е н и е а р о м а т и ч е с к и х к о л е ц . Д в и ж е н и е СН-групп
фенильных колец остатков Тир и Фен П И Т характеризуется широким
распределением времен корреляции (δ ~ 0 , 4 ) и параметрами q2 и %и
достаточно сильно меняющимися от линии к линии (табл. 2) .
Из-за отсутствия соотнесения линий ароматической части спектра
мы не можем проанализировать микродинамические параметры q2
y τ ι
достаточно детально. Но можно надеяться, что в будущем при иденти-
фикации сигналов данные табл. 2 дадут дополнительную информацию
о внутримолекулярном движении ароматических колец.
Микродинамические параметры ароматических СН-групп (малые
q2~ 0,4, большие скорости, τ / ~ 5 0 пс) характеризуют, вероятно, сто-
хастические крутильные колебания колец на ограниченный угол около
положения равновесия [11, 15]. Эти движения можно описать моделью
стохастических колебаний в пределах конуса [16] и оценить в рамках
этой модели величины углов, ограничивающих движение. Согласно
уравнению (16) работы [1] величине ^ 2 ~ 0 , 4 5 соответствует угол
Θ ~ 35°.
В численных экспериментах по имитации равновесной динамики
ароматических колец (Тир-21 П И Т ) обнаружено [17], что отклонение
ориентации плоскости кольца от равновесного положения (изменение
двугранного угла χ) на пикосекундной шкале времен не превышает
30°. Сопоставляя величины Δχ с величинами оцененных нами углов
Θ(Θ>Δχ Μ 3κο) , можно предположить, что, хотя эффективный угол Θ
определяется в основном крутильными колебаниями кольца, в него вно-
сят вклад и другие движения, например, колебания связей боковой
цепи, движения остова и пр.
Все это дает основание предположить, что эффективное движение
ароматических колец представляет собой суперпозицию затухающих
крутильных колебаний с широким спектром частот.
Как показано численными экспериментами по молекулярной дина-
мике [15], на пикосекундной шкале времен движение ароматических
колец может быть описано почти экспоненциальной функцией корре-
ляции. Если предположить, что остальные моды колебаний колец т а к ж е
характеризуются функциями корреляции, несущественно отличающи-
мися от экспоненциальных, то можно заключить, что наблюдающееся
в эксперименте широкое распределение времен корреляции имеет глав-
ным образом неоднородную природу.
Неоднородное распределение времен корреляции колебательных
движений колец в интерьере белка может быть вызвано прежде всего,
как мы полагаем, низкочастотными (ωο""1) флуктуациями микроокру-
жений, не усредненными за время наблюдения, или, другими словами,
динамической неоднородностью микроокружений.
Д в и ж е н и е у г л е р о д о в п о л и п е п т и д н о г о о с т о в а . Дви-
жения α-углеродов П И Т и Р Н К а з ы характеризуются малыми величи-
нами q2, свидетельствующими о значительной ограниченности движе-
ний, большими τt (порядка сотен пикосекунд), довольно широкими
спектрами времен корреляции. Своеобразным исключением является
α-СН-группа Ала-58 П И Т (С-концевого остатка ) : ее параметр q2 за-
метно выше, чем у остальных, а ширина спектра заметно у ж е и при-
183 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987.— Т. 3, № 4
ближается к таковой д л я СН 2- и СН3-групп. Это коррелирует с повы-
шенной гибкостью остова на С-конце макромолекулы, что следует из
рентгеноструктурного анализа [13] и работ по молекулярной динами-
ке [18] .
В принципе микродинамические характеристики α-углеродов можно
интерпретировать в рамках модели стохастических колебаний на огра-
ниченный угол с учетом распределения времен корреляции. Но прини-
мая во внимание, что время корреляции движений составляет сотни
пикосекунд, а параметр ширины распределений δ ~ 0 , 5 , можно предпо-
л о ж и т ь [1] , что релаксация α-углеродов происходит по механизму диф-
Рис. 1. Спады продольной (А{) и поперечной (Л2) намагниченностей в случае неодно-
родного распределения времен корреляции внутримолекулярного движения: Тд = оо;
со = 2л·60 МГц; 1 — сс-СН ( ^ 2 = 0 , 3 , т * = 2 0 0 пс, 6 = 0,5); 2 — ароматические СН (q2 =
= 0,4, τ , = 5 0 пс, б = 0,4); З, 4 — СН3 (q2 = 1, δ = 0,6, τ , = 5 0 и 20 пс)
Fig. 1. The longitudinal (Αι) and transversal (A2) magnetization decays in the case of
heterogeneous distributions of internal motion correlation times: Тд = сю; ω = 2 π · 6 0 MHz;
І - α-CH (q2 = 0.3, τ, = 200 ps, 6 = 0.5); 2 — aromatic CH (q2=0A, τ ζ = 5 0 ps, δ = 0.4);
3, 4 — СНз {q2= 1, δ = 0.6, Χι = 5 0 and 20 ps)
фузии дефектов, аналогично тому, что имеет место в кристаллических
областях полиэтилена при температурах , близких к температуре плав-
ления [6] .
Физически картина может быть следующей. Среди множества
СН-групп полипептидного остова имеются такие метановые группы,
которые по ряду причин, например из-за изгибов цепи или дефектов
упаковки, могут совершать колебательные движения большей ампли-
туды, чем остальные. Эти группы, находящиеся в «возбужденном со-
стоянии», представляют собой «дефекты». Они могут возникать прак-
тически в любом месте цепи, т. е. практически л ю б а я СН-группа может
перейти в состояние дефекта . Р е л а к с а ц и я всех метановых групп остова
осуществляется благодаря миграции возбужденного состояния вдоль
цепи. Возможны две ситуации: 1) дефекты с равной вероятностью по-
являются в любом месте цепи и 2) вероятность возникновения дефекта
зависит от наличия на данном участке другого дефекта . Обе ситуа-
ции — дефекты возникают поодиночке или ж е группами, кооператив-
н о — идентичным образом проявляются в эксперименте.
В белках эффективным механизмом переориентации СН-групп
остова могут быть кооперативные изменения ориентации небольших
участков остова, включающих несколько ковалентных связей, такие
как, например, синхронные изменения двугранных углов Ψ 3 8 и Ф39
П И Т , обнаруженные в численных экспериментах по имитации молеку-
лярной динамики [19] .
В случае релаксации углеродов остова по механизму диффузии
дефектов параметры т/ и δ описывают однородное распределение вре-
мен корреляции (см. [ 1 ] ) , а параметр q2 определяется амплитудой
колебаний атомов в состоянии дефекта и концентрацией дефектов:
q' = q*.Nd/N. (2)
Здесь q2
d — параметр анизотропии движений дефекта; NJN — концентрация
дефектов.
184 .БИОПОЛИМЕРЫ И К Л Е Т К А . - 1 9 8 7 , - Т . 3, № 4
Здесь q2
d — параметр анизотропии движений дефекта; Nd/N — концентрация
дефектов.
О р а с п р е д е л е н и и в р е м е н к о р р е л я ц и и в б е л к а х .
Как установлено выше, внутримолекулярные движения в белках харак-
теризуются довольно широкими распределениями времен корреляции.
Рассчитанные по уравнению (5) работы [1] формальные спектры охва-
тывают области времен от 10~15 до 10~6 с, хотя вклады наиболее низких
и наиболее высоких частот невелики (см. рис. 1, α [1 ] ) .
Появление в спектре последних следует рассматривать как арте-
факт, связанный с неточностью описания спектра симметричной функ-
цией Фуосса — Кирквуда. Внутренние движения в белках описываются,
по-видимому, более сложным, асимметричным, распределением времен
Рис. 2. Спады продольной (Лі) и поперечной (Л2) намагниченностей для случаев однот
родного ( / , 2) и неоднородного ( Ґ , 2') распределений времен корреляции: а — а - С Н
(q2 = 0,3, Χι = 2 0 0 пс, 6 = 0,5); б — ароматические СН (^2 = 0,4, т г = 5 0 пс, 6 = 0,4):;
Τη = 2 (J) и ЗО не (2); β — СН 3 (q2 = 1, 6 = 0,6, т г = 5 0 (7) и 20 пс (2))
Fig. 2. The long i tud ina l (Лі) and t r ansve r sa l (Л2) magne t i za t i on decays in the cases of!
homogeneous (1, 2) and he te rogeneous ( / ' , 2') d i s t r ibut ions of corre la t ion t imes: a — a-
C H (q2 = 0.3, τ ι = 2 0 0 ps, 6 = 0.5); б — a r o m a t i c СН (q2 = 0A, τ ζ = 5 0 ps, 6 = 0.4); τ„ =
= 2 (У) and 30 ns (2) \ в — CH 3 (q2= 1, 6 = 0.6, τ ζ = 5 0 ps (1) and 20 ps (2))
корреляции. Переход от формального спектра к реальному возможен
при рассмотрении конкретных моделей движения. В настоящее время
мы ограничиваемся качественным анализом распределений, полагая,
что величины δ пропорциональны истинной ширине распределений.
В данной работе получена информация о форме спектров времен
корреляции. Но этого недостаточно для однозначного выбора модели
движения. Возможно, решению этой проблемы будет способствовать
установление природы распределений времен корреляции.
Как уже отмечалось [1], метод ЯМР предоставляет возможность
различить случаи однородного и неоднородного распределений непо-
средственно в эксперименте. Чтобы установить такую возможность в
экспериментах по Я М Р белков и найти для этого оптимальные условия,
мы провели расчеты продольной и поперечной ядерных намагниченно-
стей по уравнениям (12, 13) работы [1] в широком диапазоне времен,
частот и температур для типичных значений q2, τ/, δ протонированных
углеродов ПИТ. При этом величину τr варьировали в диапазоне 1 —
30 не, моделируя тем самым эксперименты с белками различных моле-
кулярных масс. Часть результатов представлена на рис. 1—3.
Расчеты показали, что в случае неоднородного распределения вре-
мен корреляции поведение продольной и поперечной намагниченностей
должно отличаться от экспоненциального. Эффект более выражен для
поперечной намагниченности и зависит от величин q2, тя, ω. Д а ж е для
q 2 ~ 0 , 3 — 0 , 4 (α-углероды, углероды ароматических колец) найдены за-
185 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987.— Т. 3, № 4
метные отличия А ( t) от экспоненты, наибольшие — на частотах 60—
120 МГц для белков малых размеров —2 не). Величина откло-
нения зависит от величины ωτ/?, и для белков любых размеров можно
в принципе определить оптимальный диапазон частот для наблюде-
ния A ( f ) .
Поскольку ожидаемый эффект невелик, для окончательного выбо-
ра моделей движения различных групп в белках необходимо поставить,
как мы полагаем, специальный эксперимент (на небольших белках)
4
0,5
0,2
0,05
0,02
Рис. 3. Зависимости продольной (А\) и поперечной (Л2) намагниченностей от частоты
( 1 — 2 0 МГц; 2 — 60 МГц; 5 — 1 2 0 МГц) для случаев однородного (1, 2, 3) и неодно-
родного ( / ' , 2', 3') распределений времен корреляции (q2=0,4, т л = 2 не, Тг = 50 пс,
6 = 0,4)
Fig. 3. The longitudinal (Лі) and transversal (A2) magnetization decays as dependent
on the frequency ( / — 2 0 MHz, 2 — 60 MHz, 5 — 1 2 0 MHz) in the cases of homogeneous
(J, 2, 3) and heterogeneous (Г, 2', 3') distributions of correlation times (q2 = 0A, t R =
= 2 ns, τ, = 5 0 ps, 6 = 0 . 4 )
и провести тщательный анализ формы спадов намагниченностей для
большого числа хорошо разрешенных линий в широком динамическом
диапазоне. Обнаружение и анализ динамической гетерогенности микро-
окружений может дать ценную информацию о крупномасштабных мед-
ленных движениях в белках.
Авторы выражают искреннюю благодарность Л. В. Абатурову за
полезное обсуждение материалов статьи.
ANALYSIS OF DATA ON MAGNETIC RELAXATION
OF 13C NUCLEI IN GLOBULAR PROTEINS
V. D. Fedotov, L. S. Kivaeva
Institute of Biology,
the Kazan Branch of the Academy of Sciences of the USSR, Kazan
S u m m a r y
Protonated carbons' relaxation in bovine pancreatic trypsin inhibitor and ribonuclease S
has been analyzed by the model-free approach based on ideology of relaxation treatment
in solid polymers. Microdynamic parameters of CH3-, CH2-, aromatic CH-groups (aniso-
tropy parameters, the most probable correlation times) are considered within the dif-
fusion rotation-oscillation models. A model of the defect diffusion is applied to explain
the backbone CH-group relaxation. A distinctive feature of the results obtained is that
wide correlation time distributions are found for groups of all the types. Decays of the
carbon magnetizat ion in the wide range of microdynamic parameter values imitating the
various experimental conditions are calculated to elucidate a nature of the correlation
time spectra.
1. Федотов В. Д., Киваева JI. С. Новая модификация безмодельного подхода к ана-
лизу данных по ядерной магнитной релаксации в белках / / Биополимеры и клет-
ка.— 1987.— 3, № 4.— С. 171—178.
2. An approach to the mapping of internal motions in protein analysis of 13C relaxation
in the bovine pancreatic trypsin inhibitor / A. A. Ribeiro, K. King, Ch. Restivo,
O. Jardetzky / / J . Amer. Chem. Soc.— 1980.— 102, N 12.—P. 4040—4051.
186 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987,— Τ. 3, JY? 4
3. Lipari G., Szabo A. Model-free approach to the interpretation of nuclear magnet ic
resonance relaxation in macromolecules. 1. Theory and range of validity / / Ibid.—
1982.— 104, N 17 .—P. 4546—4559.
4 Lipari G., Szabo A. Model-free approach to the interpretation of nuclear magnet ic re-
sonance relaxation in macromolecules. 2. Analysis of experimental results // Ibid.—
P. 4559—4770.
5. Федотов В. Д. Ядерный магнитный резонанс и внутримолекулярная подвижность
белков / / М о л е к у л я р . биология.— 1983.— 17, № 3 .—С. 493—504.
'6 Федотов В. Д. Импульсный ЯМР в блочных полимерах: Дис. . . . докт. физ.-мат. на-
ук: 01.04.15.—Защищена 03.06.81; Утв. 17.04.82.—Казань. 1981.—273 с. Библиогр.:
с. 254—273.
7; пС NMR studies of the molecular dynamics of selectively 13C-enriched ribonuclease
c o m p l e x e s / L . T. Hugher, J. S. Cohen, A. Szabo et a l . / / Biochemistry.—1984.— 23,
N 16.— P. 4390—4394.
8. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование.— Μ . : М и р , 1975.—
543 с.
9. Fedotov V. DFeldman Yu. D., Yudin I. D. On the rotational diffusion of globular
proteins in aqueous s o l u t i o n s / / S t u d , biophys.— 1985.— 107, N 2 — P . 83—90.
10. Lipari G., Szabo Α., Levy R. M. Protein dynamics and NMR relaxation: comparison
of simulations with e x p e r i m e n t / / N a t u r e . — 1982.—300, N 5880 .—P. 197—198.
11. Howarth O. W. Effect of internal Irrat ional motions on the l 3C nuclear magnet ic re-
sonance relaxation times of proteins and p e p t i d e s / / J . Chem. Soc. Faraday Trans.
Part 2.— 1 9 7 8 . - 7 4 , N 6 . — P . 1031—1041.
12. Lehman M. S., Koetzle T. F., Hamilton Ψ. C. Precision neutron difraction structure
determination of protein and nucleic acid components. 1. The crystal and molecular
structure of the amino acid L - a l a n i n e / / J . Amer. Chem. Soc.— 1972.— 94, N 8.—
P. 2657—2660.
ІЗ.. Deisenhofer J., Steigemann W. Crystallographic refinement of the structure of bovine
pancreatic trypsin inhibitor at 1,5 A r e s o l u t i o n / / A c t a crystallogr. B.— 1980.— 36,
N 1 .—P. 238—250.
14. The three-dimensional structure of ribonuclease S / H. W. Wyckoff , D. Tsernoglou,
A. W. Hanson et al. / / J . Biol. Chem.— 1970.— 245, N 2 . — P . 305—328.
15 McCammon / . Α., Wolynes R. G., Karplus M. Picosecond dynamics of tyrosine side
chain in pro te ins / /B iochemis try .— 1979.—18, N 6 . — P . 927—942.
16. Wang С. C., Pecora R. Time correlation function for restricted rotational diffusion / /
J. Chem. Phys.— 1980.—72, N 10 .—P. 5333—5340.
17. Karplus M., Gelin B. R., McCammon J. Л. Internal dynamics of proteins. Short t ime
and long time motions of aromatic sidechain in PTI / Biophys. J.— 1980.— 31, N 1.—
P. 603—618.
18 Van Gunsteren W. F., Karplus M. Protein dynamics in solution and in a crystalline
environment: a molecular dynamics study / / Biochemistry.— 1982.— 21, N 10.—
P. 2260—2274.
19 McCammon J. Α., Gelin B. RKarplus M. Dynamics of folded proteins / / Nature.—
1977.—267, N 5603 .—P. 585—590.
ЙН-Т биологии Казан, фил. АН СССР Получено 21.04.86
УДК 577.217.53
АНАЛИЗ КИНЕТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СТАДИИ ЭЛОНГАЦИИ
БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА В РАМКАХ ГИПОТЕЗЫ
О СТЕРЕОСПЕЦИФИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ
КОДОН-АНТИКОДОНОВЫХ КОМПЛЕКСОВ НА РИБОСОМЕ.
2. СООТНОШЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ГИДРОЛИЗА GTP
И ЭЛОНГАЦИИ ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ
А. П. Потапов, Б. Н. Гольдштейн, С. Р. Сайфуллин, А. В. Ельская
Д л я объяснения механизма усиления стабильности и специфичности
кодон-антикодоновых комплексов на рибосоме при трансляции предло-
жена гипотеза о прямом взаимодействии некоторого участка X декоди-
рующего центра рибосомы с кодон-антикодоновым дуплексом [1—4].
Предложена детализированная схема рабочего цикла элонгации
[4], теоретический анализ кинетических свойств которой в рамках за-
висимости скорости элонгации от концентрации аминоацил -тРНК и
187 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА — 1987.— Т. 3, № 4
|