КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ В ИССЛЕДОВАНИИ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЛЮКОАМИЛАЗЫ ИЗ SACCHAROMYCOPSIS FIBULIGERA

Кожокина О.М.

ассистент, кандидат биологических наук

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Россия, г.Воронеж

Аннотация. С помощью метода инфракрасной спектроскопии, а также программы компьютерного моделирования MolScript на базе данных рентгеноструктурного анализа (РСА) осуществлено исследование вторичной структуры глюкоамилазы из Saccharomycopsis fibuligera. Получены данные о типах вторичной структуры, количественном соотношении, топологии упорядоченных и нерегулярных участков.

Ключевые слова: глюкоамилаза, вторичная структура, α-спирали, β-структура, β-изгибы, неупорядоченные участки.

Актуальность проблемы. Определение типов и относительного количества элементов вторичной структуры является важным этапом исследования пространственной организации белковой молекулы. В настоящее время существует большое количество предсказательных методов, позволяющих априорно на основе анализа аминокислотных последовательностей прогнозировать итог процесса свертывания полипептидной цепи в глобулу. Однако выполнение подобных действий обычно требует громоздких расчетов с привлечением компьютерных программ и связано с использованием больших матриц со множеством элементов, а также значительных временных затрат. Регистрация спектров поглощения в инфракрасной области является одним из самых чувствительных экспериментальных методов изучения особенностей вторичной структуры белка. Кроме того, данный метод позволяет определить химический состав молекул, величины сил межатомных взаимодействий, проводить качественный и количественный анализ биосоединений и систем. При изучении особенностей вторичной структуры белков классическим методом инфракрасной спектроскопии дополнительную информацию вносит компьютерное моделирование белковых молекул с использованием данных рентгеноструктурного анализа (РСА).

Результаты исследований.

С помощью метода инфракрасной спектроскопии (ИКС) нами было осуществлено исследование вторичной структуры глюкоамилазы из Saccharomycopsis fibuligera. Измерение величин светопропускания белковых образцов проводили на многофункциональном ИК-спектрофотометре SPECORD М-80 (Германия) в диапазоне 4000-400 см^-1.

Анализ ИК-спектров показал наличие полос поглощения амид I (1630-1660 см^-1) и амид II (1520-1550 см^-1). Полоса амид I, обусловленная растяжением связи в карбонильной группе, указывает на наличие в молекуле глюкоамилазы структур с водородными связями и на присутствие неупорядоченных участков. Полоса амид II свидетельствует о наличии во вторичной структуре фермента α-спиралей и β-структур. Колебания, порождающие ее, связаны с растяжением пептидных и деформацией водородных связей. Наличие пиков поглощения при 2860 см^-1и 2780 см^-1 соответствуют симметричным колебаниям метильных групп. На осуществление асимметричных колебаний карбоксильных групп указывает полоса поглощения при 2520 см^-1, а ряд пиков в области 1720-1872 см^-1обусловлен колебаниями карбонильных групп в концевых ассоциированных СООН-группах. Кроме того, слабо проявляются полосы поглощения при 3373- 3254 см^-1, связанные с растяжением NH-связей. Пик в области 1000 см^-1определяется наличием в структуре фенилаланина, гистидина и триптофана монозамещенного ароматического кольца. Установлено, что молекула глюкоамилазы содержит 24,3 % α-спиралей, 18,6 % β-структур; 57,1 % составляют неупорядоченные участки.

Известно, что данные РСА всегда правильно отражают укладку белковой цепи, а в подавляющем большинстве случаев буквально воспроизводят активную конформацию белка-фермента. Разрабатываемые в настоящее время программы компьютерного моделирования белковых молекул на основе результатов кристаллографии позволяют получать наглядные трехмерные изображения исследуемых объектов, и по-новому осмыслить данные экспериментальных исследований кинетико-термодинамических свойств ряда ферментов, а, следовательно, выявить дополнительные аспекты молекулярных механизмов ферментативного превращения субстратов.

На основе данных РСА с помощью программы MolScript нами были построены трехмерные изображения α-спиралей, β-структур, неупорядоченных участков глюкоамилазы из Saccharomycopsis fibuligera. Показано, что полипептидная цепь образует 13 α-спиралей, 13 β-слоев, 4 β-изгиба и 23 неупорядоченных участка [1, 2]. Обнаружено, что в β-структуре глюкоамилазы из Saccharomycopsis fibuligera лишь седьмой слой является, вероятно, параллельным, остальные двенадцать имеют антипараллельную направленность цепей.

Вывод. Таким образом, в современных научных исследованиях эксперимент и моделирование неразрывно связаны друг с другом: компьютерное моделирование позволяет визуализировать результаты эксперимента, получать дополнительную информацию о структуре, свойствах, механизмах действия белковых макромолекул и, следовательно, перевести экспериментальные данные на новый, более высокий уровень.

Список литературы:

1. Артюхов В.Г. Компьютерный анализ пространственной структуры некоторых гидролитических ферментов / В.Г. Артюхов, Т.А. Ковалева, О.М. Кожокина, Л.А. Битюцкая, Р.В. Дронов, О.Д. Трофимова // Биохимия. –2005. - Т. 70, вып. 10. – С. 1318-1327.

2. Кожокина О.М. Компьютерный анализ особенностей вторичных структур глюкомилаз из Aspergillus awamori и Saccharomycopsis fibuligera / О.М. Кожокина, Т.А.Ковалева // Успехи современного естествознания.- 2012, №7. – С. 26-28.

Сведения об авторе:

Кожокина Оксана Михайловна – кандидат биологических наук, ассистент кафедры биохимии ФГБОУ ВО ВГМУ им. Н.Н. Бурденко, Россия, г. Воронеж

COMPUTER SIMULATION AND EXPERIMENT IN THE STUDY OF THE SECONDARY STRUCTURE OF GLUCOAMYLASES FROM SACCHAROMYCOPSIS FIBULIGERA

Kozhokina O.M.

Abstracts. The research of secondary structures of glucoamylases from Saccharomycopsis fibuligera was carried out with use of the method of infrared microscopy and the computer programme of simulating MolScript on basis of X-ray structural analysis. The data have been obtained on types of secondary structure, quantitative relationship, topology regular and irregular sites.

Keywords: glucoamylase, secondary structure, α-spiral, β-sheet, β-bend, unordered sites.

References:

1. Artyukhov V.G. Spatial structure computer analysis of hydrolytic enzymes / V.G. Artyukhov, T.A. Kovaleva, O.M. Kozhokina, L.A. Bitutskaya, R.V. Dronov, O.D. Trofimova // Biochemistry. – 2005. - Vol. 70, № 10. – P. 1318-1327.

2. Kozhokina O.M. Computer analysis the particularities of secondary structures of glucoamylases from Aspergillus awamori and Saccharomycopsis fibuligera / O.M. Kozhokina, T.A. Kovaleva // Advances in current natural sciences. - 2012, №7. – Р. 26 - 28.