Белковоподобные сополимеры. Дизайн, структура, свойства

Изучение структур НР сополимеров, состоящих из двух типов звеньев Н и Р, представляет достаточно большую область полимерной физики. Наиболее интенсивно изучаются блок-сополимеры и случайные сополимеры. Иногда исследуют сополимеры с близкодействующими корреляциями вдоль цепи. Такие корреляции всегда появляются после процесса полимеризации, если вероятность присоединения Н или Р звена к растущей цепи зависит от типа звена, которое присоединилось на предыдущем шаге. Тип подобной первичной структуры можно охарактеризовать как "случайная с близкодействующими корреляциями". С другой стороны глобулярные белки можно грубо считать как разновидность НР сополимеров. В самом деле, мономерные звенья этих белков различаются тем, что одни аминокислотные остатки являются гидрофильными или заряженными, в то время как другие гидрофобными. Мы можем очень грубо приписать первым из них индекс Р, и индекс Н остальным. Если проанализировать первичную структуру белковоподобного сополимера, полученного таким образом, и сравнить с простой первичной структурой описанной выше, то можно сделать вывод, что белковая НР последовательность более информативна и специфична. Обычно считают, что в глобулярных белках гидрофильные Р звенья покрывают поверхность глобулы, делая её устойчивой к межмолекулярной агрегации, а гидрофобные звенья Н в основном формируют ядро глобулы. Можно считать, что такое требование является достаточно ограничивающим, то есть справедливо только для малой доли всех возможных первичных структур. Следовательно, А/В корреляции, определённые в этом случае, зависят от конформации глобулы в целом , и их следует характеризовать как дальнодействующие.

Вопрос состоит в том, могут ли быть получены такие первичные структуры НР сополимеров, не имеющих биологическое происхождение. Это легко сделать при помощи компьютерного моделирования, и гораздо труднее в реальном эксперименте. Однако, в обоих случаях соответствующие процедуры включают следующие шаги:

Шаг 1. Берётся гомополимерный клубок с взаимодействиями с исключённым объёмом в хорошем растворителе.

Шаг 2. За счёт сильных взаимодействий между всеми мономерными звеньями образуется гомополимерная глобула. В реальном эксперименте в этом случае подразумевается скачок температуры, добавление плохого растворителя и т.д.

Шаг 3. Этот шаг легче всего реализовать в компьютерном эксперименте. Следует рассмотреть "мгновенное фото" и модифицировать поверхность, т.е. приписать индекс Р звеньям, находящимся на поверхности, и индекс Н – звеньям, образующим ядро. В реальном эксперименте поверхность модифицируется химическим реагентом, который изменяет её из гидрофобной в гидрофильную. Если количество реагента мало, то модифицируется только поверхность, а ядро остаётся гидрофобным. Важной особенностью является достаточно быстрая модификация поверхности и достаточно медленная агрегация.

Шаг 4. Этот последний шаг необходим в компьютерном эксперименте. Вместо сильных одинаковых взаимодействий между звеньями, следует ввести различные потенциалы взаимодействия для Н и Р звеньев.

Рис. 2.7. Основные этапы схемы дизайна белковоподобных сополимеров. а) гомополимерная глобула b) глобула с модифицированной поверхностью c) белковоподобный сополимер в состоянии клубка.

В статье [3] представлены результаты компьютерного моделирования методом Монте Карло перехода клубок-глобула, который происходит при увеличении притяжения между гидрофобными звеньями В. Было показано, что по сравнению со случайными сополимерами с тем же А/В составом поведение белковоподобных сополимров значительно отличается. Также анализировались особенности первичной структуры.

В эксперименте используется цепь из N звеньев, состоящая из мономеров типа Н и Р (N = N_Н +N_Р), которые занимают ячейки в кубической решётке. Молекулы растворителя представлены как вакантные ячейки. Для моделирования используется стандартная модель с флуктуирующими связями. В этой модели считается, что каждое мономерное звено цепи занимает восемь соседних ячеек кубической решётки и длина связи может флуктуировать от 2 до Ö10. Каждая конфигурация цепи характеризуется определённой энергией короткодействующих взаимодействий U, которые определяются следующим образом. Во-первых, эффект исключённого объёма заключается в том, что если два мономерных звена занимают одну и ту же ячейку, то потенциальная энергия приравнивается бесконечности. Во-вторых, пусть n_ab - это общее число контактов между ближайшими соседними звеньями Н и Р или между мономерными звеньями и частицами растворителя S. Таким образом, U = å_abe_abn_ab , где e_ab - соответствующий энергетический параметр. Ясно такими параметрами, определяющие глобулярную организацию являются e_РР, e_НН, e_РS, e_НS, e_НР. . В этой модели e_РР = e_НР = 0, также e_РS < 0, e_НS > 0, e_НН < 0. Параметры e_НН и e_НS описывают гидрофобные взаимодействия между неполярными звеньями В и частицами полярного растворителя. Поэтому e_BBn_BB + e_BSn_BS – вклад гидрофобных взаимодействий в общую энергию системы. Таким образом общая энергия системы U = e_BBn_BB + e_BSn_BS + e_ASn_AS. Так как физическая природа взаимодействий сходна, то |e_РS| = |e_НS| = |e_НН|. Однако интенсивность этих взаимодействий различна. Это обусловлено тем, что максимальное число Н-Н контактов между соседними мономерами равно 26, в то время как максимальное число контактов между Н и Р звеньями с вакантными ячейками растворителя S равно 98. Поэтому вводим нормализующий фактор равный 26/98. В конце концов считали, e_РS = -1, e_НS = 1, e_НН = -1 и определяли температуру как главный параметр системы. Время t выражено в шагах Монте Карло на мономерное звено.

Расмотрим следующие три модели цепи сополимера.

1. Соответствующая схема получения белковоподобных сополимеров включает следующие шаги. Берётся полимерный клубок и вводятся сильные взаимодействия между всеми звеньями цепи, в результате чего образуется гомополимерная глобула. Температура Т =1. N_Р = N/2 звеньям, которые имеют максимальное число контактов с частицами растворителя, приписывается индекс Р (гидрофильные). Остальным N_Н =N/2 звеньям, которые формируют ядро, приписывается индекс В (гидрофобные). Полученную первичную структуру можно охарактеризовать средними длинами непрерывных гидрофильных и гидрофобных участков (L_Р и L_Н) , а также специфическим распределением Р и Н звеньев вдоль цепи. Для получения гетерополимерной глобулы при данной температуре требуется (2-3)´10⁶ шагов Монте Карло, после чего в течении 4´10⁶ шагов рассчитываются средние характеристики. Такая схема дизайна многократно повторяется.

В эксперименте главный параметр – средняя длина Н блоков (L).

2. Цепь со случайным распределением Р и Н звеньев вдоль цепи характеризуется как случайная. В этом случае N_Р = N_Н и L_Р = L_Н = 2. Начальное конфигурация системы – гомополимерная глобула, которая при данной температуре приходит к равновесию после (2-3)´10⁶ шагов Монте Карло.

3. Первичная структура случайно блочного сополимера характеризуется Пуасоновским распределением f(x) = e^-l/x!, (x =0, 1, ..., l > 0), где l = L. Также N_Р = N_Н = N/2. Начальное состояние системы – гомополимерная глобула. После наступления равновесия в течении 4´10⁶ шагов рассчитывались характеристики системы.

Все результаты представлены для достаточно длинной цепи, состоящая из Т = 512 звеньев. Таким образом, для гетерополимера N_Н = N_Р = 256.

В приложении 1 представлены типичные распределения Р и Н звеньев вдоль цепи для белковоподобных, случайных и случайноблочных сополимеров. При сравнении первичных структур случайных и белковоподобных сополимеров можно видеть, средняя длина Р и Н блоков у протеиноподобных больше. С другой стороны, случайноблочные соплимеры, имеющие ту же среднюю длину Р и Н блоков как у белковоподобных, имеют другое распределение этих блоков вдоль цепи. Главная особенность белковоподобных сополимеров – это наличие в первичной структуре достаточно длинных однородных Р и Н последовательностей. Таким образом, первичную структуру этих полимеров можно охарактеризовать как ²случайная с дальнодействующими корреляциями.

Сравним особенности перехода клубок-глобула для протеиноподобных сополимеров по сравнению с со случайными, имеющие тот же А/В состав.

Во время счёта вычислялись средняя удельная энергия <U/N>, а также средний размер агрегата глобулярного ядра <m>.

В приложении 2 представлены зависимости <U/N> и <m> от температуры для трёх типов сополимеров. В приложении 3 представлены производные по температуре d<U/N>/dT и d<m>/dT , полученные численным дифференцированием соответствующих кривых, представленных в приложении 2. Следует отметить, что производная d<U/N>/dT представляет собой удельную теплоту на одно мономерное звено и характеризует флуктуации внутренней энергии U в состоянии равновесия. Во всех случаях можно наблюдать переход из глобулярного состояния в клубок в небольшом температурном интервале, кривая d<m>/dT от Т имеет ярко выраженный пик. Однако можно видеть, что переход клубок-глобула для белковоподобных сополимеров находится при более высокой температуре и более резкий, чем для случайных и случайноблочных сополимеров. Таким образом можно сделать вывод, что специфическая первичная структура, которую протеиноподобные сополимеры ²наследуют² от глобулярных белков, отражается в сдвиге перехода кубок-глобула в сторону больших температур и делает глобулу более стабильной по сравнению с глобулами, образованными случайными сополимерами.

Рассмотрим морфологию гетерополимерных глобул. В приложении 4 представлены типичные мгновенные фотографии глобулярных структур, полученные для трёх типов сополимеров при низкой температуре Т = 1.5 при состоянии равновесия. Можно видеть, что глобулы белковоподобных сополимеров имеют специфичную мицеллоподобную структуру, состоящую из плотного ядра из гидрофобных звеньев Н и длинных гидрофильных петель из гидрофильных звеньев Р. С другой стороны глобулы случайных сополимеров имеют большое рыхлое ядро и короткие поверхностные петли.

Также изучалась кинетика перехода клубок-глобула. Было показано, что для белковоподобных сополимеров этот переход происходит быстрее, чем для случайных.