Практическая химия белка - А. Дарбре 1989
Предсказание конформации пептидов и белков
Исходные предпосылки расчетов
Проверка потенциальных функций, полученных на основе кристаллографических данных, с помощью простых приближенных методов
В работе [62] с помощью потенциальных функций, полученных Хаглером, был удовлетворительно предсказан ряд физических свойств, зависящих от конформации молекул. Среди таких свойств можно отметить константы спин-спинового взаимодействия фрагмента NH-CH, рассчитанные по спектрам ЯМР N'-метиламидов N-ацетиламинокислот, а также дипольные моменты ряда олигопептидов. В особенности интересно применение данных ЯМР, так как спектры ЯМР полностью зависят от конформации объекта и теория и методы расчета для такого случая развиты достаточно хорошо. Действительно, согласие теоретических и экспериментальных данных для многих N-метил- и N,N'-диметиламидов выглядит достаточно убедительно. Например, расчетное значение константы спин-спинового взаимодействия для классической модельной молекулы N'-метиламида N-ацетилаланина составляет 7,8 Гц, что попадает в середину экспериментального интервала 7,8±0,5 Гц.
Тем не менее численные эксперименты па ЭВМ недавно показали, что расчеты спин-спиновых констант нельзя считать наиболее удачными примерами для подтверждения применяемой теории. В самом деле, потенциальные функции в известной степени зависимы от предсказываемых свойств, и неудивительно, что многие из этих функций приводят к удовлетворительному согласию с экспериментальными константами. Следовательно, даже в случае хорошего соответствия этот факт не следует переоценивать. В то же время оказалось возможным отказаться от некоторых ранних наборов потенциальных функций, предложенных Хаглером с сотр. [17]. Известно, что функции типов 9-6-1 и 12-6-1, для которых проводилась независимая параметризация, находились в хорошем согласии с кристаллографическими данными. Тем самым структурные данные не позволяли отдать предпочтение какому-либо из наборов, хотя между ними и существует заметное различие во вкладе составляющей отталкивания. Однако расчет величин вицинальных констант ЯМР и некоторых других свойств однозначно свидетельствует в пользу более плавных («мягких») функций типа 9-6-1. Этот выбор был позднее подтвержден при изучении кристаллов карбоновых кислот [19] и при квантовомеханической оценке вклада составляющей стерического перекрывания [24]. Следует иметь в виду, что этот вклад в действительности зависит от типа атома, но в целом функции типа 9-6-1 более приложимы к биологическим молекулам, чем популярные функции типа 12-6-1.
В известной степени представляют практический интерес и случаи, в которых наблюдается расхождение теории и эксперимента. При этом, конечно, следует быть уверенным, что действительно имеет место неприменимость данного расчетного метода. Многие так называемые «экспериментальные свойства» оказываются на деле суммой параметров, выведенных из неточных данных с помощью каких-либо теоретических приемов. Если учесть неопределенность, вносимую подобным образом, то вообще окажется трудным найти случай, когда расчет и эксперимент дают противоречивую картину. Наиболее четко несоответствие наблюдаемых и расчетных величин проявляется при изучении характеристических свойств клубкообразных полипептидов. К таким свойствам относятся характеристическое расстояние между концами полимерной цепи, определяющее радиус инерции, а также гидродинамические и светорассеивающие характеристики (в случае длинных полимеров их обычно преобразуют к виду, не зависящему от размера цепи). Расчетное значение характеристического расстояния для полимера без разветвления при Сβ-атоме составляет 19, тогда как эксперимент даже по самым осторожным оценкам дает интервал от 5 до 12 [3, 4, 23, 40].
Трудности, однако, не ограничиваются интерпретацией экспериментальных данных о физических свойствах клубкообразных биополимеров [23]. Действительно, точность расчета характеристических свойств с помощью потенциальных функций зависит от целого ряда приближений. В связи с этим нами с привлечением точных методов расчета, включая метод Монте- Карло, был изучен эффект ионного экранирования на примере полиглутаминовой кислоты. Эти исследования привели к ряду интересных результатов, но с их помощью не удалось устранить отмеченные противоречия, что свидетельствует об ограниченных возможностях потенциальных функций при описании внутримолекулярных взаимодействий.
Были выполнены также численные эксперименты по выявлению тех свойств потенциальных поверхностей и потенциальных функций, которые могут все виды физических величин привести в соответствии с их экспериментальными значениями. В предварительном исследовании Хаглера и Робсона [66] было найдено, что понижение высоты барьеров на потенциальной поверхности облегчает достижение указанной цели. Уменьшение размеров некоторых атомов оказывает тот же эффект, что и уменьшение высоты потенциальных барьеров. Однако уменьшение размеров или «жесткости» атомов оказывается применимым не всегда. Например, в лаборатории Хаглера было показано, что подобный методический прием противоречит структурным данным, исходя из которых были параметризованы потенциальные функции (пересчет кристаллографических размеров выполнялся с применением не только измененных параметров, но и новых «мягких» экспоненциальных функций). Кроме того, было показано [24, 66], что профиль потенциальной поверхности, полученный с помощью потенциальных функций типа 9-6-1, находится в отличном согласии с данными расчета квантовомеханическим методом ab initio с расширенным базисом. В минимумах потенциальной поверхности абсолютные значения функций отличались в этих расчетах на не более 25 ккал/моль, и не было обнаружено никаких оснований для «сжатия» или «смягчения» атомов.
Таким образом, возникла новая дилемма: каким образом, используя одни и те же потенциальные функции, добиться, чтобы все расчетные физические величины попадали в допустимый интервал экспериментальных значений?