Структурная организация молекулы рубисколина-6

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

Бакинский Государственный Университет, Институт Физических Проблем

Баку, ул. З. Халилова, 23, Азербайджан

e-mail: Namiq.49@bk.ru



Опиоидные пептиды бывают животного и растительного происхождения. Ряд экзогенных пептидов, получаемых с пищей, обладают опиоподобными свойствами. Такие пептиды были названы экзорфинами. Экзорфины выделены из различных видов растений. Впервые рубисколины были выделены из листьев шпината. Однако степень гомологии большой субъединицы РУБИСКО у разных видов высших растений чрезвычайно высока (более 90%), а содержание РУБИСКО в зеленых листьях составляет до 50% от общего белка. Следовательно, рубисколины в значительных количествах могут попадать в организм при употреблении не только шпината, но и салата, щавеля, петрушки и др. Зеленые листья этих растений являются важным компонентом сбалансированного рациона, поэтому исследования структурной организации рубисколинов имеют практическую ценность.

Нами были исследованы структурно-функциональные организации опиоидных пептидов, а в настоящее время исследуется пространственная структура экзорфинов. Эта работа является продолжением наших предыдущих исследований.

Расчет молекулы выполнен с помощью метода теоретического конформационного анализа. Потенциальная функция системы выбрана в виде суммы невалентных, электростатических и торсионных взаимодействий и энергии водородных связей. Невалентные взаимодействия были оценены по потенциалу Леннарда-Джонса. Электростатические взаимодействия рассчитывались в монопольном приближении по закону Кулона с использованием парциальных зарядов на атомах. Конформационные возможности молекулы рубисколинa изучены в условиях водного окружения, в связи с чем величина диэлектрической проницаемости принята равной 10. Энергия водородных связей оценивалась с помощью потенциала Морзе.

Трехмерная структура молекулы рубисколина-6 (Tyr1-Pro2-Leu3-Asp4-Leu5-Phe6-NH2) была исследована фрагментарно. Сначала, на основе низкоэнергетических конформаций соответствующих аминокислотных остатков изучена пространственная структура пентапептидной молекулы рубисколина-5 (Tyr1-Pro2-Leu3-Asp4-Leu5-NH2) и определены ее стабильные конформации. На втором этапе на основе низкоэнергетических конформаций молекулы рубисколина-5 и аминокислотного остатка Phe6 была рассчитана пространственная структура рубисколина-6. Результаты расчета показали, что возникает энергетическая дифференциация между конформациями, формами основных цепей и шейпами. В широкий энергетический интервал 0-60.0 кДж/моль попадают конформации восьми шейпов. Энергия невалентных взаимодействий в низкоэнергетических конформациях изменяется в энергетическом интервале (-139.9)–(-103.7) кДж/моль, электростатических взаимодействий (-13.9)–9.7 кДж/моль, торсионных взаимодействий 13.9-23.1 кДж/моль. Глобальной конформацией молекулы рубисколина-6 является конформация B3RR12R1R21R3 шейпа effff. Конформация является выгодной одновременно по невалентным и электростатическим взаимодействиям. Здесь только первый аминокислотный остаток Tyr1 находится в В форме основной цепи, остальные аминокислотные остатки участка Pro2-Leu3-Asp4-Leu5-Phe6 свернуты в виде спирали. Поэтому, здесь возникают эффективные взаимодействия между атомами основной цепи и между атомами боковых цепей. Возникают водородные связи между N-H атомом основной цепи Tyr1 и С=О атомом боковой цепи Asp4: между атомом С=О основной цепи Tyr1 и N-H атомом основной цепи Leu5; между атомом С=О основной цепи Pro2 и атомом N-H основной цепи Phe6, которые также в свою очередь стабилизируют глобальную структуру. В этой конформации боковые цепи всех аминокислотных остатков направлены от молекулы к растворителю и легко могут взаимодействовать с другими молекулами и рецепторами.

Конформация B2RB31R3R21R3 шейпа efeff с относительной энергией 13.0 кДж/моль образует такую структуру, что атомы N-концевого тетрапептидного фрагмента Tyr1-Asp4 эффективно взаимодействуют между собой, а атомы С-концевого дипептидного фрагмента Leu5-Phe6 эффективно взаимодействуют между собой. Между атомами N-H Tyr1 и С=О боковой цепи Asp4 образуется водородная связь.

В конформации B3RR21B3B32B3 образуется такая структура, в которой Tyr1 и Leu3 эффективно взаимодействуют с атомами других аминокислотных остатков. Аминокислотные остатки Pro2, Asp4 и Leu5 эффективно взаимодействуют с соседними аминокислотными остатками.

Конформация B2RB21B3B32B3 шейпа efeee имеет относительную энергию 26.0 кДж/моль. Эта конформация, в основном, стабилизируется за счет ди- и трипептидных взаимодействий. Относительная энергия остальных низкоэнергетических конформаций молекулы рубисколина-6, изменяется в энергетическом интервале 38.6-52.5 кДж/моль. Во всех конформациях вклад невалентных взаимодействий меньше чем в предыдущих конформациях. В них возникают электростатические отталкивания. Вклад электростатических взаимодействий у них положительный.

Таким образом, пространственную структуру молекулы рубисколина-6 можно представить четырьмя структурными типами и можно предположить, что молекула свои физиологические функции осуществляет именно в этих структурах. На основе полученных трехмерных структур, можно предположить для данной молекулы ее синтетические аналоги. Теоретический конформационный анализ гексапептидной молекулы рубисколина-6 привел к такой структурной организации молекулы, которая не исключает реализацию молекулой целого ряда функций, требующих строго специфических взаимодействий с различными рецепторами.

Structural Organization of the Rubiskolin-6 Molecule

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

Baku State University, Institute for Physical Problems

Z. Khalilov Str.23, Baku, Azerbaijan

e-mail: Namiq.49@bk.ru



Opioid peptides are of animal and plant origin. A number of exogenous peptides obtained from food have opiate-like properties. Such peptides have been named exorphins. Exorphins have been isolated from various plant species. Rubiscolins were first isolated from spinach leaves. However, the degree of homology of the large RUBISCO subunit in different species of higher plants is extremely high (more than 90%), and the content of RUBISCO in green leaves is up to 50% of the total protein. Consequently, rubiscolins in significant amounts can enter the body when eating not only spinach, but also lettuce, sorrel, parsley, etc. The green leaves of these plants are an important component of a balanced diet, so studies of the structural organization of rubiscolins are of practical value.

We have studied the structural and functional organization of opioid peptides, and at present the spatial structure of exorphins is being studied. This work is a continuation of our previous studies.

The calculation of the molecule was performed using the method of theoretical conformational analysis. The potential function of the system is chosen as the sum of non-valent, electrostatic and torsion interactions and the energy of hydrogen bonds. Non-valent interactions were evaluated using the Lennard-Jones potential. Electrostatic interactions were calculated in the monopole approximation according to the Coulomb law using partial charges on atoms. The conformational capabilities of the rubiscolin molecule were studied under conditions of an aqueous environment; therefore, the value of the dielectric permittivity was taken equal to 10. The energy of hydrogen bonds was estimated using the Morse potential.

The three-dimensional structure of the rubiscoline-6 (Tyr1-Pro2-Leu3-Asp4-Leu5-Phe6-NH2) molecule was studied fragmentarily. First, on the basis of low-energy conformations of the corresponding amino acid residues, the spatial structure of the pentapeptide molecule of rubiscoline-5 (Tyr1-Pro2-Leu3-Asp4-Leu5-NH2) was studied and its stable conformations were determined. At the second stage, based on the low-energy conformations of the rubiscoline-5 molecule and the Phe6 amino acid residue, the spatial structure of rubiscoline-6 was calculated. The results of the calculation showed that there is an energy differentiation between conformations, forms of the main chains and shapes. Conformations of eight shapes fall into a wide energy range of 0-60.0 kJ/mol. The energy of non-valent interactions in low-energy conformations varies in the energy range (-139.9) – (-103.7) kJ/mol, electrostatic interactions (-13.9)–9.7 kJ/mol, torsion interactions 13.9-23.1 kJ/mol. The global conformation of the rubiscolin-6 molecule is the B3RR12R1R21R3 conformation of the effff shape. The conformation is favorable both for non-valent and electrostatic interactions. Here, only the first amino acid residue of Tyr1 is in the form of the main chain, the remaining amino acid residues of the Pro2-Leu3-Asp4-Leu5-Phe6 region are coiled. Therefore, effective interactions arise here between the atoms of the main chain and between the atoms of the side chains. Hydrogen bonds arise between the N-H atom of the main chain of Tyr1 and the C=O atom of the side chain of Asp4: between the C=O atom of the main chain of Tyr1 and the N-H atom of the main chain of Leu5; between the C=O atom of the Pro2 main chain and the N-H atom of the Phe6 main chain, which also stabilize the global structure. In this conformation, the side chains of all amino acid residues are directed from the molecule to the solvent and can easily interact with other molecules and receptors.

In the B3RR21B3B32B3 conformation, a structure is formed in which Tyr1 and Leu3 effectively interact with atoms of other amino acid residues. Amino acid residues Pro2, Asp4, and Leu5 effectively interact with neighboring amino acid residues.

The B2RB21B3B32B3 conformation of the efeee shape has a relative energy of 26.0 kJ/mol. This conformation is mainly stabilized by di- and tripeptide interactions. The relative energy of the other low-energy conformations of the rubiscolin-6 molecule presented in Table 1 varies in the energy range (38.6-52.5) kJ/mol. In all conformations, the contribution of non-valent interactions is less than in the previous conformations. They have electrostatic repulsions. The contribution of electrostatic interactions is positive for them.

Thus, the spatial structure of the rubiscolin-6 molecule can be represented by four structural types, and it can be assumed that the molecule performs its physiological functions precisely in these structures. Based on the obtained three-dimensional structures, it can be assumed that this molecule has its synthetic analogues. The theoretical conformational analysis of the hexapeptide molecule of rubiscolin-6 led to such a structural organization of the molecule that does not exclude the implementation of a number of functions by the molecule that require strictly specific interactions with various receptors.