Формирование углов белковых спиралей

Алгоритмы построения 2 D и 3 D структур белков по нуклеотидной последовательности

А.Кушелев, В Соколик, В.Яким, Т.Рясина

 

Только 3% белков поддаются кристаллизации, т.е. исследованию методом рентгено-структурного анализа. Нужны точные алгоритмы для моделирования мало изученной - превосходящей части белковых молекул.  В качестве такого метода предложена Пикотехнология Белков.

В методе Пикотехнологии Белков при помощи кольцегранного подхода к строению атома наглядно (образ – модель) реализуются различные виды, свойства и особенности межатомных взаимодействий, валентные углы в молекулах, разновидности химических связей и их соотношение. Кольцегранная модель реалистично объясняет гибридизацию электронов при формировании химических связей в молекулах, что является краеугольным камнем всей биохимии белкового мира, поскольку атомы углерода в состоянии sp3-гибридизации своих электронов входят в состав скелета аминокислот и таким способом детерминируют углы между химическими связями в их молекулах, а в последующем и в структуре белка в целом.

В методе  сформулирована идея композиционного генетического кода, кодирования ротамерии пептидной связи и структурного шаблона белка. Показано, что в геноме третьим нуклеотидом кодона детерминирован один из трёх ротамерных вариантов пептидной связи, которым аминокислотный остаток (закодированный дуплетом первых двух нуклеотидом кодона) присоединяется к растущей полипептидной цепи.  Ротамерный вариант пептидной связи реализуется в процессе синтеза белка в рибосоме и поэтому с неё сходит индивидуальный структурный шаблон белка в соответствие с информацией, содержащейся в его гене.

Метод удобен тем, что предоставляет возможность с помощью законов геометрии макромира рассчитывать положения атомов в молекуле, не прибегая к квантово-механическим функциям. Такие перспективы обеспечиваются ещё и закономерностями формообразования молекул, которые определены структурой внешних кольцегранных оболочек их атомов, которая, как показано авторами, типична для элементов каждой группы таблицы Менделеева.

 

 

ПИКОТЕХНОЛОГИЯ БЕЛКОВ

According to the method of protein picotechnology, the electron has a "skeleton" in the form of a ring with a diameter of 1.7 angstroms (for the outer shells of hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen). Ring "skeletons" of electrons form ring-shaped electronic shells and ring mechanisms of molecules. Models of these mechanisms show how the alpha helix, 310-spiral, mixed alpha-310-helix, pi-helix and beta-helix are added, which turned out to be not 2 residues per turn.

3D СТРУКТУРЫ АМИНОКИСЛОТНЫ ОСТАТКОВ

ФОРМИРОВАНИЕ УГЛОВ БЕЛКОВЫХ СПИРАЛЕЙ

 

Поворот на 120 градусов относительно оси симметрии tRNA формирует углы альфа-310-, бета-, пи-спиралей соответственно.

 

УГЛЫ ПОВОРОТА АМИНОКИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ

Триплеты ДНК кодируют аминокислоты. В упрощённом представлении третья буква триплета управляет углом поворота. Это показывают пикотехнологические 3D модели аминокислотных остатков. Один аминокислотный остаток можно повернуть относительно другого на углы 0, 120 и 240 градусов. Для описания пространственных структур белковых молекул представлен Композиционный генетический код.

 

Таблица композиционного генетического кода

 

 

ОБОЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ 2 D СТРУКТУРЫ БЕЛКА

8                     Одиночный код бета-спирали. Один аминокислотный остаток, повернутый относительно предыдущего на угол бета-спирали. Если таких кодов повторяется 3, тогда это уже виток бета-спирали и обозначается темно-зеленым.

9                           Одиночный код пи-спирали.

10                   Одиночный код альфа/310 спиралей.

1111111111111111111 - прямая альфа-спираль
4444444444444444444 - прямая 310-спираль                                                                                                3333333333333333333 - прямая пи-спираль
2222222222222222222 - прямая бета-спираль
232323 - программная 23-спираль
141414 - программная 14-спираль

6 - графическая интерпретация упрощенного композиционного кода 7 - композиционный код 8 - графическая интерпретация композиционного кода 9 - нота, которая звучит при установке данной аминокислоты в растущую белковую цепь 10 - графическое изображение ноты (или ударного инструмента)

1 - порядковый номер аминокислотного остатка в белковой молекуле 2 - триплетный код 3 - однобуквенный код аминокислотного             остатка 4 - трёхбуквенное обозначение аминокислотного остатка 5 - упрощённый композиционный код

 

 

Компактное представление                        2D структуры белка ALI36059

3D  структура белка ALI36059

 

 

 

Фрагмент 1

 

Фрагмент 2

 

ПРИМЕР СВЕРХ ДЛИННОЙ СПИРАЛИ

>ENA|KBQ88923|complement 2319 nucleotides
ttggccgccgttgccagcggtgccgttagcgccgccacccgcgccgccagccccggccgc
cccaccggcaccaccgctgccgccttgacctccttgcccgccgttgccgccgggactggt
gttgggcccgctgccgccggcgccgcccgcaccgccgacttcgccgtccgcgccgttgcc
gcccttgccgccgccgacgccaccgataccgtcgccgccggcgccaccactgccgcctct
gccgccggtgccgccgttgccgccggccgagccggtgccggccccaccgttgctgccagc
cgtggcggccccggcagcgccgccgttgccgccgtcgccgccggtaccgttggcgccgac
ggtaccgccgttgctgcccgcggcaccaccggcaccggcgtttccgccctttccgccaat
cccaccgtttccgccgctatttccgctaccaccggcgtctccgccagcgccgccgatggc
gccgttgccgccgttgccgccggtacctccggtcccgccgccgacgccgtcgatgccgct
accgccagcaccgccggttccaccgttgccgccggccgcgccggttccgccatgcccgcc
gtcgccagcgccggttgcgccggagatgccgacggcaccagccgcgccatctccgccgtc
gccgccattgccagcgataccgttggcgcccggagtggcaccggcgccgcccgcgcccgc
gtctccgccctttccgccgctgccgcccgcgccgccgctgttgccggcggtgctgctggt
gacgcctgctccaccgtcgccgcctttgccgccattgccgcccgccccgccagccccggc
ggtgccgccgttggcggcgccgccgtcaccgccggttccgccggcgccaccactaccgcc
gttgccgccgttgccttgttggccgccggtgccggtgccggcggctccgccggttccgcc
ggttccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggcccc
gccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggc
cccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgcc
ggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggcccc
gccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggc
cccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgcc
ggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggcccc
gccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggc
cccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgcc
ggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggcccc
gccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggc
cccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgcc
ggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggcccc
gccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggc
cccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgcc
ggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggcccc
gccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggc
cccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgcc
ggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggcccc
gccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggc
cccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgccggccccgcctgtggtgcc                                                                                                 ggcggcggcggtggtggtgttgtctgcgccgtttccgccgttgccgccgaccccgccgtc                                                                                                                                 accgccgttgccggcgttgccgtcggcgccttggggtga

ПРОВЕРКА С ПОМОЩЬЮ ТЕОРИИ  ВЕРОЯТНОСТИ

 

Модели 6 замкнутых через дисульфидные  мостики  

Участков лизоцимов.

 

Вероятность случайного совпадения результата работы геометрического алгоритма с экспериментальными данными для первых 5 участков не превышает 4^-(18+21+4+4+12)=4^-59
Cys 95 - Cys 113 в человеческом лизоциме. Cys 96 - Cys 117 в альтернативном человеческом лизоциме. Cys 78 - Cys 82 в альтернативном человеческом лизоциме. Cys 94 - Cys 98 в лизоциме куриного яйца Met 1 - Cys 13 в мышином лизоциме Met 1 - Cys 24 в лизоциме куриного яйца	1. 4^-18 2. 4^-21 3. 4^-4 4. 4^-4 5. 4^-12 6. 4^-23

 

 

БАЗА 2 D СТРУКТУР ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

База содержит структуры всех белков человека, для которых известна нуклеотидная последовательность 24 хромосомы 114 419 кодирующих нуклеотидных последовательностей

3D СТРУКТУРА ГИГАНТСКОЙ МОЛЕКУЛЫ

МОДЕЛЬ ОБОЛОЧКИ ВИРУСА

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Монография А.Кушелев, В.Соколик "Геометрия живого наномира. Пикотехнология белков"
2. Кушелев А.Ю., Соколик В.В. Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка / Заочная Международная научно-практическая конференция «Современная наука: тенденции развития» (24 января 2012), Краснодар: НИЦ Априори. – 2012. – С.203-207.
3. Соколик В.В. Предсказание пространственной структуры белка insilico на основе информации генома и геометрического алгоритма – альтернатива квантово-механическому подходу // Материалы Международной научной конференции «Математическое и компьютерное моделирование в биологии и химии. Перспективы развития» (28-30 мая 2012), Казань. – 2012. – С.155-158.
4. Sokolik V.V. Protein is coded in genome and synthesized in ribosomes as a structural template of a rotameric version sequence of peptide bound configuration // The International Moscow Conference on Computational Molecular Biology, МССМВ-11, Moscow. – 2011. – P. 347–348.
5. Sokolik V.V. Algorithm of protein structural template decoding according to its determined nucleotide sequence // Fist International Conference “Fundamental medicine: From scalpel toward Genome, Proteome and Lipidome”, Pax Grid Virtual Conferences, Kazan. – 2011. – P. 117–119.
6. Sokolik V.V. Modeling of the individual structural template of protein on determining it nucleotide sequences // VII Международная конференция по биоинформатике, регуляции структуры геномов и системной биологии. BGRS\SB-2010, Новосибирск. – 2010. – С. 275.
7. Соколик В.В. Способ моделирования пространственной структуры белка по детерминирующей его нуклеотидной последовательности // Биофизический вестник. – 2010. – Вып. 24 (1). – С. 31-45.

8. Соколик В.В. Никакой дополнительной информации, большей, чем та, что содержится в ДНК, для сворачивания белка не требуется / Ukr. Biochem. J., 2014. – 86, 5 (Suppl. 1) Матеріали ХІ Укріїнського біохімічного конгресу (06-10 жовтня 2014), Київ, c. 37-38.

9. Соколик В.В. Геометрия аминокислот / Материалы XV Международной научно-практической конференции «Наука и современность – 2012» (НС-15), (14 марта 2012), Новосибирск. – 2012. – С. 13-18.

10. Соколик В.В. Загадка изоакцепторных тРНК / Материалы II Всероссийской Интернет-Конференции «Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии» (15-18 ноября 2011), Казань, Россия. – С. 11-15.

11. Соколик В.В. Кодирование торсионного угла ω пептидной связи в белке / IV Международная конфер. "Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины". (22-25 сентября 2011), Ростов-на-Дону. – С. 60-61.

12. Соколик В.В. Карта Рамачандрана: ротамерия пептидной связи и фолдинг белка / Материалы VII Международной научно-технической конференции «Актуальні питання біологічної фізики і хімії». Тезисы докладов БФФХ-2011 (26-30 апреля 2011 г.), Севастополь.– С.137-139.

13. Соколик В.В. Ротамерные варианты конфигурации пептидной связи и их кодирование в геноме / Матеріали X Українського біохімічного з’їзду. Тези доповідей (13—17 вересня 2010 р.), Одеса. – С. 105-106.

14. Соколик В.В. Пространственная структура гомологов основного актина и α-актина 1 различна / Сборник материалов I Международной научно-практической конференции «Наука и современность – 2010» в 3-х частях / Под общ. ред. С.С. Чернова - Новосибирск: «СИБПРИНТ», 2010. – 278 с. Ч. 1, С. 41-46.

15. Соколик В.В. Кодирование вторичной структуры и структурного шаблона белка в геноме эукариот / НАУЧНЫЙ ФОНД "БИОЛОГ", Ежемесячный научный журнал. – 2014.– № 3. – С. 73 -76.                                                                                                                                                                                                                                                                          16.  Кушелев А.Ю., Полищук С.Е., Неделько Е.В. и др. Построение масштабной моделиструктуры белка // Актуальные проблемы современной науки. – 2002. – №2. – С. 236 -243                                                                                                                                                                                  17. Кушелев А., Полищук С., Писаржевский С. Формы, механизмы, энергия наномира: Доступна ли энергия эфира для космических полётов? // Электроника: Наука,Технология, Бизнес. – 2002. – № 6. – С.72–76.                                                                                                                             Kushelev A., Polischuk S., Pisarzhevsky S. Forms, mechanisms, energy of the nanoworld: Is the ether energy available for space flights? // Electronics: Science, Technology, Business. -2002. - No. 6. - P.72-76.

 

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ИЛЛЮСТРАЦИИ      ССЫЛКИ           https://picotechnology-of-proteines.nethouse.ru/ With Google Translate