Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
ваальсовых расстояний, а также сохранение стереохимии отдельных элементов цепочки, например пептидных групп, сахарных колец, нуклеотидных оснований. Данные о стереохимии этих элементов были получены иа основе анализа структуры кристаллов низкомолекулярных соединений, родственных белкам и нуклеиновым кислотам.
Процесс поиска модели конфигурации полимерной молекулы может быть осуществлен двумя путями. Во-первых, можно применить расчетные приемы и, пользуясь геометрическими формулами, проанализировать различные варианты конфигурации молекул, отобрав наиболее приемлемые. Это довольно утомительная работа. Значительно легче осуществлять поиск при помощи специальных молекулярных моделей — деревянных или сделанных из пластмассы, нли просто из металлических стержней, в которых допускается вращение сегментов цепей вокруг определенных связей, в соответствии с тем, что может иметь место в реальной структуре. Использование таких молекулярных моделей в значительной мере облегчило многие структурные исследования. Вместе с тем эти модели дают очень наглядное представление об основных особенностях строения молекул.
Расчет координат атомов эквивалентных групп цепной молекулы производится геометрически. Для некоторых типов структур разработаны специальные методы такого расчета.
В качестве примера остановимся на работе по моделированию структуры ДНК.
Известная модель структуры ДНК была найдена Уотсоном и Криком на основе сравнительно небогатого экспериментального материала, полученного для натриевых солей ДНК [67]. Нативная, так называемая В-форма натриевой соли ДНК образует структуру скорее паракрнсталлического, чем кристаллического типа (рис. 19). По рентгенограммам такой паракристалли-ческой ДНК былн определены параметры спирали, образуемой молекулой (наличие 10 эквивалентных групп в одном обороте, равном 34 А), и ее диаметр. Предположение о гексагональном характере упаковки цилиндрических молекул и использование данных о плотности препаратов привели к выводу о том, что каждая молекула должна состоять из двух цепей. Далее последовали модельные построения, успех которых в большой мере был определен удачной догадкой об образовании известных нуклеотидных пар Уотсона и К-рнка — АТ и ГЦ. Основной структурной особенностью этих пар является полная тождественность нх суммарных размеров, необходимая для того, чтобы молекула могла иметь постоянный диаметр. В противном случае фосфатно-сахарный остов, располагающийся на поверхности молекулы, не сможет иметь правильную регулярную конфигурацию. Антн-параллельность двух цепочек в молекуле следовала из рентгенограмм.
Рис. 19. Рентгенограмма паракристаллической В-формы натриевой соли ДНК
Поиски конфигурации молекулы производились при помощи построения специальных моделей, в результате чего была получена известная модель, скоро завоевавшая широкую популярность, так как давала наглядное представление о возможном механизме редупликации и соответственно передачи наследственной информации.
Однако эта модель являлась только гипотезой, согласующейся с определенным кругом экспериментальных данных. Лишь сравнительно недавно Вилкинс и его коллеги привели убедительные аргументы в пользу этой модели [78, 79]. Они получили препараты литиевой соли ДНК с очень высокой степенью кристалличности, которые давали рентгенограммы, содержащие более сотни отражений. Правда,, Вилкинс немного изменил положение атомов в модели Уотсона и Крика, но общий характер первоначальной модели сохранился. По полученным рентгенограммам был рассчитан синтез Фурье, причем фазы структур-
ных амплитуд для этого синтеза были определены по координатам атомов видоизмененной модели Уотсона и Крика, а интенсивности измерялись экспериментально. Если бы модель была неправильной, фазы, рассчитанные по этой модели, не находились бы в соответствии с экспериментально измеренными интенсивностями, и синтез Фурье не показал бы разумного распределения электронной плотности. Однако результаты этого синтеза полностью подтвердили предполагаемую модель. Сравнительно эффективное использование синтеза Фурье в данном случае оказалось возможным лишь потому, что рентгенограмма ДНК содержит довольно много отражений по отношению к числу параметров (координатам атомов), которые необходимо определять.
Другой пример поиска структуры при помощи моделей — работы Рича и Крика по структуре коллагена [80]. Этот метод успешно применялся также при изучении строения полипептидов [81].
В общем случае проверку модели производят сравнением расчетных и экспериментальных интенсивностей всех отражений рентгенограммы. Расчет этот часто производится вычислительными машинами. Однако при исследовании структуры волокон широко применяют и другой прием. Он состоит в получении дифракционной картины от системы светящихся центров при использовании обычных световых лучей. Расположение светящихся центров в таких опытах соответствует расположению атомов в предполагаемой модели. Достигается это использованием так называемых масок — специальных непрозрачных экранов, на которые наносятся отверстия разного диаметра в соответствии с расположением различных атомов в структуре и их рассеивающей способностью. На экран направляется параллельный пучок лучей света. Такой экран с отверстиями эквивалентен плоской проекции структуры. Дифракцию получают для разных проекций и далее картины суммируют. Если модель правильна, оптическая дифракционная картина тождественна рентгенограмме. При таких проверках для белков с нерегулярно чередующимися боковыми группами используют модели, в которых каждая боковая группа представлена некоторым усредненным распределением рассеивающих центров для разных аминокислот [82].
