Практическая химия белка - А. Дарбре 1989

Предсказание конформации пептидов и белков
Исходные предпосылки расчетов

До настоящего момента обсуждалась сущность методов, но ничего не говорилось о практическом применении этих методов. Следует заметить, что любое из применений (например, поиск конформации с минимальной энергией, учет влияния растворителя, расчет колебательной энтропии) может быть успешным, если был удачно выполнен расчет потенциальной поверхности.

Естественно, что для получения хорошей потенциальной поверхности важно иметь удачные потенциальные функции. Можно, конечно, каждую точку конформационного пространства просчитать с помощью квантовохимических методов. Однако для качественных расчетов ab initio потребуется примерно около часа машинного времени па одну только конформацию для системы из 20 атомов. Кроме того, чтобы добиться достоверного значения свободной энергии, метод вычисления потенциальной поверхности, например метод Монте-Карло, может требовать расчета 6—7 миллионов конформаций для системы из нескольких тысяч атомов. Ясно поэтому, что квантовомеханический метод расчета непригоден для подобной цели. Основные надежды здесь, естественно, связаны с получением хороших потенциальных функций.

Вопрос о том, насколько удачны применяемые потенциальные функции, представляет собой в известной степени дилемму. С одной стороны полагают, что набор потенциальных функций тем лучше, чем больше с его помощью можно предсказать экспериментальных величин с допустимой точностью. Однако, с другой стороны, использование потенциальных функций предполагает применение методов, связанных с наличием ряда серьезных приближений. В случае если совпадение с экспериментом плохое, трудно понять, ответственны ли за это потенциальные функции или применяемый метод.

Названная дилемма изучалась в лабораториях Хаглера и Робсона, и для ее решения были предложены некоторые приемы. Рассмотрим в общих чертах основные выводы, полученные при этом [15, 17, 21, 24, 62, 66]. Конечно, другие исследователи сделали также существенный вклад в данной области (см. данные табл. 21.2 и обзор [44]). Можно, однако, сказать, что вопрос об улучшении качества потенциальных функций и их адекватности применяемым методам не обсуждался в работах, упомянутых в табл. 21.2.

Хотя одновременное изучение потенциальных функций и методов их применения представляется весьма важным, необходимо помнить, что раздельное изучение каждого из аспектов весьма затруднительно. Тем не менее Хаглер и Лифсон [15] и Хаглер с сотр. [17] сделали важный первый шаг при параметризации потенциальных функций, исходя из свойств кристаллов пептидоподобных молекул (например, структурных данных и теплот сублимации). Путем автоматического варьирования параметров и оптимизации методом наименьших квадратов данных расчета и эксперимента удалось добиться удовлетворительного качества функций и предсказания физических свойств молекул. Поскольку колебательные движения частиц рассматриваемой системы незначительны, положение каждого атома в молекуле можно определить вполне точно. Это не совсем верно для молекул в растворе, когда отсутствуют экспериментальные сведения о положении и ориентации молекул воды. Тем не менее и в этом случае использование потенциальных функций для предсказания свойств системы приводит к реалистическим результатам, что служит свидетельством обоснованности принятых приближений. Разумеется, потенциальные функции необходимо постоянно выверять на все новых примерах, поскольку их вывод основан на рассмотрении межмолекулярных взаимодействий в кристаллах, тогда как применение, как правило, касается внутримолекулярных взаимодействий в окружении, близком к природе биосистем.

Таблица 21.2. Некоторые результаты практических расчетов структур пептидов и белков (без данных о моделировании укладки белков)

Метод расчета физических свойств с применением потенциальных функций следует признать вполне удовлетворительным даже и в наиболее распространенном простом приближении. В этом приближении (разд. 21.2) используют жесткую геометрию и не принимают во внимание величину кинетической энергии. Влиянием растворителя также пренебрегают (учитывают только диэлектрическую проницаемость). Расчет физических свойств выполняют в соответствии с принципами статистической механики. Однако, если подбор диэлектрической проницаемости или типа потенциальных функций, базирующихся на структурных данных, не может обеспечить результатов, отвечающих конформационным возможностям системы, простейший подход в таком случае считают неприменимым. В подобной ситуации при необходимости переходят на другой уровень физического приближения.