Сравнительный анализ трехмерной структуры нонапептидной и октапептидной молекул

Исмаилова Л.И., Аббаслы Р.М., Ахмедов Н.А.

Бакинский Государственный Университет, Институт Физических Проблем

Ул. З.Халилова 23, Баку, AZ-1148, Азербайджан

e-mail: lara.ismailova.52@mail.ru

ranaabbasli54@mail.ru

В настоящее время активно исследуется роль регуляторных пептидов в жизни и деятельности организмов. Регуляторные пептиды относятся к группе нейромодуляторов, которые являются ключевым звеном механизма регуляции функций человеческого организма. Современная медицина и биотехнология ставят перед собой важную задачу создания эффективных лекарственных препаратов, которые отличались бы широким спектром действия и минимальным числом побочных эффектов. При создании новых лекарственных препаратов исследователи обращаются к использованию собственных ресурсов человеческого организма. Чтобы определить выполняемые пептидами функции, необходимо изучить пространственное строение и структурно-функциональную организацию этих молекул.

Компьютерное моделирование, основанное на использование метода теоретического конформационного анализа и программ, позволяющих получать графическое изображение пространственных структур молекулы, было выполнено для двух нейропептидов: нонапептидной молекулы Leu-Pro-Pro-Gly-Pro-Leu-Pro-Arg-Pro-NH2 (Antho-RPamide) и октапептидной молекулы Pro-Pro-Gly-Leu-Gly-Pro-Leu-Arg-NH2. Обе молекулы отличаются большим содержанием пролина, наличием двух остатков лейцина и одного аргинина. Известно, что нонапептид был выделен из нейрона морского анемона и обладал высокой биологической активностью. Что касается октапептидной молекулы, то ее активность отсутствует полностью. Это чисто экспериментальный факт. Целью наших исследований стало определение пространственной организации нона- и октапептидной молекул, так как пространственная структура пептидной молекулы полностью определяет её функциональные особенности. Актуальность исследования пространственной структуры нейропептидных молекул обусловлена тем, что в настоящее время определена первичная структура большого числа пептидных молекул, выделенных из нейронов моллюсков, молекул, обладающих ингибиторными свойствами. Тормозя некоторые процессы в клетке, эти пептиды регулируют биохимические процессы, происходящие в ней. Нейропептидные молекулы являются распространенным классом выдающихся сигнальных пептидных молекул.

Для нахождения пространственного строения пептидов, нами использовались теоретический подход, позволяющий рассчитывать трехмерную структуру биомолекул исходя из известной аминокислотной последовательности и разработанная нами, компьютерная программа. Такой подход позволяет с достаточной точностью количественно описать геометрию молекулы, определить значения двугранных углов основной цепи и боковых цепей молекулы, а также найти энергетические взаимодействия атомов в этой молекуле. Расчет проводился в рамках механической модели молекул с учетом невалентных, электростатических и торсионных взаимодействий и энергии водородных связей. При расчете пространственной структуры пептидных молекул использовался метод теоретического конформационного анализа. Для каждой из этих молекул были найдены низкоэнергетические конформации, значения двугранных углов основной и боковых цепей аминокислот, входящих в нее. При этом оценивалась энергия внутри- и межостаточных взаимодействий в каждой низкоэнергетической структуре. Расчет нейропептидных молекул проводился фрагментарно.

Расчет обнаружил наличие резкой энергетической дифференциации конформаций, форм основной цепи и шейпов для обеих молекул. В энергетический интервал 0 – 42 кДж/моль для нонапептидной молекулы попадают 8 низкоэнергетических конформаций, а для октапептидной молекулы - 11 низкоэнегетических структур. Расчет показал, что низкоэнергетическими для нонапептида являются развернутые формы основной цепи, а для октапептида – свернутые и полусвернутые формы основной цепи.

В глобальной конформации B2122BRBRB2122RB3122 B (0,0 кДж/моль) нонапептидной молекулы вклад невалентных взаимодействий составляет (-150,4) кДж/моль, электростатических взаимодействий (-11,8) кДж/моль и торсионных 21,0 кДж/моль. Построенные конформационные карты для боковой цепи Arg8 показали, что она направлена в растворитель и имеет конформационную свободу, поэтому может взаимодействовать с рецептором. Молекула может являться активной.

Октапептидная молекула имеет глобальную конформацию BBBB3222PRR2122B3222 . У нее С-конец свернутый, что создает для аминокислоты Arg8 условия для взаимодействия со всеми остальными аминокислотными остатками. У боковой цепи Arg8 нет конформационной свободы, а, следовательно, нет возможности взаимодействовать с рецептором, поэтому октапептидная молекула неактивная.

Таким образом, пространственную структуру нейропептидных молекул Leu-Pro-Pro-Gly-Pro-Leu-Pro-Arg-Pro-NH2 и Pro-Pro-Gly-Leu-Gly-Pro-Leu-Arg-NH2 можно представить ограниченным набором низкоэнергетических конформаций, в которых нона- и октапептидная молекулы выполняют свои основные функции. Выполненный расчет нейропептидов привел к таким структурным организациям молекул, которые не исключают реализацию ими функций, требующих взаимодействий с различными рецепторами.

Comparative analysis of the three-dimensional structure of nonapeptide and octapeptide molecules

Ismailova L.I., Abbasli R.M., Akhmedov N.A.

Baku State University, Institute for Physical Problems

Z.Khalilov 23 str., Baku, AZ-1148, Azerbaijan

e-mail: lara.ismailova.52@mail.ru

ranaabbasli54@mail.ru

Currently, the role of regulatory peptides in the life and activity of organisms is being actively studied. Regulatory peptides belong to the group of neuromodulators, which are a key link in the mechanism of regulation of the functions of the human body. Modern medicine and biotechnology set themselves the important task of creating effective drugs that would have a wide spectrum of action and a minimum number of side effects. When creating new drugs, researchers turn to the use of the human body's own resources. To determine the functions they perform, it is necessary to study the spatial structure and structure-functional organization of these molecules.

Computer modeling based on the use of the method of theoretical conformational analysis and programs that allow obtaining a graphical representation of the spatial structures of the molecule was performed for two neuropeptides: the nonapeptide molecule Leu-Pro-Pro-Gly-Pro-Leu-Pro-Arg-Pro-NH2 (Antho -RPamide) and an octapeptide molecule Pro-Pro-Gly-Leu-Gly-Pro-Leu-Arg-NH2. Both molecules are characterized by a high content of proline, the presence of two residues of leucine and one arginine. It is known that the nonapeptide was isolated from a sea anemone neuron and had a high biological activity. As for the octapeptide molecule, its activity is completely absent. This is a purely experimental fact. The aim of our research was to determine the spatial organization of nona- and octapeptide molecules, because the spatial structure of peptide molecule completely determines its functional features. The relevance of studying the spatial structure of neuropeptide molecules is due to the fact that the primary structure of a large number of peptide molecules isolated from mollusk neurons, molecules with inhibitory properties, has now been determined. By inhibiting some processes in the cell, these peptides regulate the biochemical processes occurring in it. Neuropeptide molecules are a сlass of prominent signaling peptide molecules.

To find the spatial structure of peptides, we used a theoretical approach that allows us to calculate the three-dimensional structure of biomolecules based on a known amino acid sequence and a computer program developed by us. This approach makes it possible to quantitatively describe the geometry of the molecule with sufficient accuracy, determine the dihedral angles of the main chain and side chains of the molecule, and also find the energy interactions of atoms in this molecule. The calculation was carried out within the framework of the mechanical model of molecules, taking into account non-valence, electrostatic and torsion interactions and the energy of hydrogen bonds. When calculating the spatial structure of peptide molecules, the method of theoretical conformational analysis was used. For each of these molecules, low-energy conformations, dihedral angles of the main and side chains of the amino acids included in it were found. In this case, the energy of intra- and interresidual interactions in each low-energy structure was estimated. The calculation of neuropeptide molecules was carried out fragmentarily.

The calculation revealed the presence of a sharp energy differentiation of conformations, forms of the main chain and shapes for both molecules. The energy interval 0–42 kJ/mol for a nonapeptide molecule includes 8 low-energy conformations, and for an octapeptide molecule 11 low-energy structures. The calculation showed that the unfolded forms of the main chain are low-energy for the nonapeptide, and the folded and semi-folded forms of the main chain are for the octapeptide.

In the global conformation B2122BRBRB2122RB3122 B (0,0 kJ/mol) of the nonapeptide molecule, the contribution of non-valent interactions is (-150,4) kJ/mol, electrostatic interactions

(-11,8) kJ/mol, and torsion interactions 21,0 kJ/mol. The constructed conformational maps for the Arg8 side chain showed that it is directed into the solvent and has conformational freedom, and therefore can interact with the receptor. The molecule may be active.

Octapeptide. the molecule has the global conformation BBBB3222PRR2122B3222. Its C-terminus is folded, which creates conditions for the Arg8 amino acid to interact with all other residues. The side chain of Arg8 has no conformational freedom and, therefore, no possibility to interact with the receptor. Therefore, the octapeptide molecule is inactive.

Thus, the spatial structure of each Leu-Pro-Pro-Gly-Pro-Leu-Pro-Arg-Pro-NH2 molecule and the Pro-Pro-Gly-Leu-Gly-Pro-Leu-Arg-NH2 molecule. can be represented by a limited set of low-energy conformations in which nona- and octapeptide molecules perform their functions. The performed calculation of neuropeptides has led to such structural organizations of molecules that do not exclude the implementation of functions that require interactions with various receptors.