2.3. Молекулярная векторная машина

 

2.3.1. Задание направлений векторов

 

Проблема задания направлений векторов обусловлена тем,  что  они не могут быть произвольными, т.к. воссоздаются боковыми цепями аминокислот, обладающими реальными физическими параметрами. Одна боковая цепь отличается от другой на дискретное число атомов (один атом заменяется на другой, но большего размера, добавляется один атом в цепи и т.д.).  Все это предполагает, что для 20 векторов может существовать некая геометрическая фигура (в предельном случае – идеально правильная, но в реальности, возможно, и не идеальная), в которые вектора  вписываются и тем самым задается их направление. Для 20 векторов подходит  пространственная структура додекаэдра (рис. 6.).

 

 

Как видно на рисунке 6, структура додекаэдра вполне подходит к выделенным в разделе 2.2. сериям  векторов.  Эта структура имеет 20 вершин.  Для задания  векторов в центр додекаэдра был помещен атом  O_i-4, в самую верхнюю из вершин - атом N_i, а все вектора были направлены в вершины додекаэдра.  При этом было сохранено разделение области связи N_iH….O_i-4=C  тремя плоскостями, что обеспечило сохранение принципов симметрии в положении векторов. Размеры додекаэдра определились исходя из параметров пентафрагмента белка.

 

Кроме додекаэдра, на рисунке 6 показаны две стрелки, связанные с i-ым альфа-углеродным атомом. Синяя стрелка, обозначенная как R_i, символизирует боковую цепь аминокислоты, направленную в сторону додекаэдра.  Зеленая стрелка, также связанная с  с i-ым альфа-углеродным атомом, направлена на i+1-й альфа-углеродный атом. Эта стрелка символизирует пептидную группу HN–C=O, соединяющую  i-ый и i+1-ый альфа-углеродные атомы.

 

Поскольку обе стрелки жестко фиксированы на с i-ом альфа-углеродном атоме, то они оказываются взаимосвязанными. Изменение направления синей стрелки, обусловленное длиной боковой цепи, которая находится в данный момент времени  у i-ого альфа-углеродного атома ведет к изменению направления зеленой стрелки на i+1 альфа углеродный атом, которая определяет направление роста полипептидной цепи. Эту взаимосвязанную систему векторов, из за сходства с народным устройством для перенося воды, мы называем «коромыслом».

 

 

2.3.2. Обозначения векторов

 

 Для того, чтобы задать вектор, необходимо знать положение двух точек – начальной, из которой исходит вектор, и конечной, куда он направлен. В нашем случае за начальную точку всех векторов можно принять центр додекаэдра (атом O_i-4), а конечными точками будут вершины додекаэдра.  Для этих вершин, по наименованию которых будут называться и сами вектора, были введены на додекаэдре следующие обозначения (рис. 7).

 

 

В плоскости I  выделено две серии вершин: в серию I входит вершина, обозначенная буквой A, которая  связана с атомом  N_i (рис. 6) и  симметричная  ей,  находящаяся под плоскостью III вершина, обозначенная как – A.  В серию 2 входят также две вершины, расположенные перпендикулярно двум предыдущим, которые обозначены как B и –B.

 

Две другие серии, связанные симметрией и содержащие по 8 вершин, получили следующие наименования. Серия вершин, симметричных относительно плоскости I и III, ближе расположенных к плоскости  I, были обозначены буквой A с индексами: слева все вершины имеют индекс справа внизу, а справа – индекс  слева вверху. Так, ближние к А вершины, находящиеся за плоскостью II  обозначены как A₁ и ¹A, а более отдаленные, расположенные перед плоскостью II, – как A₂ и ²A. Для вершин, расположенных под плоскостью III, эти обозначения будут, соответственно как  –A₁, –¹A (перед плоскостью II), и  –A₂, –²A (за плоскостью II).

 

Аналогичным образом 8 вершин второй серии, ближе расположенных к плоскости III, обозначены буквой B с индексами. Вершины, которые находятся ближе к вершине В, за плоскостью II обозначены как ¹B и B₁,  а вершины перед плоскостью II – как ²B и B₂. По отношению к вершине –В, симметричные вершины обозначены, соответственно, как  –¹B  и – B₁ перед плоскостью II и –²B  и –B₂ за плоскостью II. Таким образом, все 20 вершин, в которые направлены выделенные 20 векторов, получили свои наименования.

 

Теперь сравните предложенную номенклатуру вершин додекаэдра с введенными  на страничке http://amino-acids-20.narod.ru/dodecahedron.htm  обозначениями системы элементов на додекаэдре. Нетрудно видеть, что предлагаемые обозначения вершин, которыми мы будем обозначать и систему векторов, полностью совпадает с обозначениями системы элементов на додекаэдре.  Очевидно, что это обусловлено в обоих случаях общими принципами проведения плоскостей симметрии через додекаэдр.

 

 

2.3.3. Сопоставление системы обозначений додекаэдра со структурой канонического набора аминокислот

 

Сравним номенклатуру вершин додекаэдра с расположением канонического набора 20 аминокислот на додекаэдре, предложенным нами ранее http://amino-acids-20.narod.ru/AA_dodecahedron.htm (раздел 3.4.).  Для удобства обсуждения приводим обе структуры рядом (рис. 8, а, б).

 

 

Если представить, что система обозначений вместе с векторами расположена в области связи N_iH….O_i-4=C (объедините мысленно рис. 6 и 8,а), то в общих чертах направления векторов действия должно обеспечиваться таким образом:

- вектора, направленные вверх, в сторону вершины А (вершины А с индексами 1 и 2),  должны воссоздаваться более короткими боковыми цепями;

- вектора, направленные вправо-влево и вниз (соответственно, к B, –B и –A), – более длинными боковыми цепями. 

 

Сопоставление с системой аминокислот (рис. 8, б) позволяет увидеть, что боковые цепи на додекаэдре расположены именно таким образом: в порядке увеличения молекулярной массы или (что совпадает) в порядке увеличения длины боковой цепи. Например, вверху находятся самые короткие боковые цепи (Ser, Thr, Cys, Met), ниже - более длинные (Asp, Asn, Glu, Gln. А также Arg, Lys). Наконец, внизу находятся самые массивные циклические боковые цепи (His, Phe, Trp, Tyr). Таким образом, вместо  системы обозначений векторов в области связи N_iH….O_i-4=C можно подставить названия аминокислот, которые занимают эти места в системе аминокислот. Тогда структура приобретает вид, показанный на рисунке 9.  Это и есть молекулярная векторная машина (МВМ) белков.

 

 

На первой странице сайта http://amino-acids-20.narod.ru  было обещано , что природа предложенной системы аминокислот на додекаэдре будет объяснена  на сайте  http://vector-machine.narod.ru. Выполняем это обещание. Природа этой модельной структуры, как можно сделать вывод из изложенного, связана с ее участием в качестве одной из частей молекулярной векторной машины.

 

 

2.3.4. Составные части молекулярной векторной машины белков и принцип ее действия

 

 

Как видно на рисунке 9, МВМ состоит из четырех основных частей:

 

·         додекаэдра, содержащего группу из 20 векторов действия – радиусов додекаэдра (красные стрелки внутри додекаэдра); вершины додекаэдра при этом обозначены трехбуквенными названиями аминокислот, которые воссоздают эти вектора;

·         канонического набора сменяемых физических операторов (синяя стрелка с буквой R_i на конце);

·         тетраэдрического i-го альфа-углеродного атома (далее – альфа-атома), к которому прикрепляются физические операторы (синяя стрелка) и который задает направление растущей цепи белка (зеленая стрелка), вместе образующие «коромысло»;

·         фрагмента из пяти аминокислот (пенафрагмента), образующих каркас МВМ, в пределах которого развертываются все процессы формирования вторичной структуры белка.

 

Принцип действия МВМ состоит в следующем [1–5].

 

Боковые цепи аминокислот, ориентируясь к вершине додекаэдра, соответствующей этой аминокислоте, реализуют свое действие в качестве физических операторов связности или антисвязности и воссоздают закодированную триплетами структуру.

 

При этом операторы связности действуют  в основном с сторону N_iH….O_i-4=C  и как бы подтягивают группы N_iH  и O_i-4=C  друг к другу.

 

В то же время, операторы антисвязности, как можно представить, путем соударения с группой O_i-4=C будут отталкивать ее в противоположную от группы N_iH  сторону и тем самым препятствовать возникновению связи N_iH….O_i-4=C.

 

  Одновременно боковая цепь, жестко связанная с  i-ым альфа-углеродным атомом, определяет через «коромысло» этого атома направление свободной  пептидной связи O_i=C_i–N_i+1H, которое детерминирует характер  растущей полипептидной цепи.

 

Далее будут рассмотрены свойства каждой из первых трех частей МВМ (раздел 3).

Сначала будут проанализированы свойства векторов (раздел 3.1.).

 

Что касается пентафрагментов, то их свойства были рассмотрены на основе экспериментальных данных и о них рассказано в заключительной части странички (раздел 5).

 

На главную страницу

 

Адрес для связи: vector-machine@narod.ru