Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка)

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова ББК 24.239 П78 УДК 577.112.5 Авторы: Е.М. ПОПОВ (главы 1 — 5, 7 — ! 3, 15), В.В. ДЕМИН (глава 6), Е.М. ПОПОВ совместно с ЕД. В)ИВАНОВОЙ (глааа (4) Ре це из с нты: член-корреспондент РАН А.И. МИРОН)НИКОВ, доктор физико-математических наук В.Г. ТУМАНЯН Коллективная монография посвящена экспериментальным и концептуальным ясследованиям пространственного строения белковых молекул с момента возникновения работ а этой области н по сегодняшний день. Книга состоит иэ трех частей.

В первой части рассмотрены исследования трехмерных структур белков, Во второй части проанализированы эмпирические подходы к предсказанию вторичной, супервторичной и третичной структур белковых молекул. В третьей части обсуждены механизмы спонтанной укладки белка в нативную конформацию, Значительное вннманяе уделено общим вопросам термодинамики и кинетлки свертывания белковой цепи; изложена общая теории структурной самоорганизации белка, основанная на нелинейной неравновесной термодинамике.

Дляспециалистов,работающих в области химии,биологии нмедицины. П 191-95, П полугодие 1903010000-037 ББК 24.239 РгоЬ1епв о1 !)Ге ргогень Уо!. 2: Браба! в1гцс!вге о1 1)ге рго!е!и/ Е.М. Ророч, У.У. 1)епв!и, Е.1). Яз!)гапона. — Мл Хац)са, 1996.— 480 р. 1!!. 18В)ч) 5-02-001697-7, чо!.

2 Сеченой йеогу апб ехрепшепг, й)з чо)нэпе обегз а сошргевепзгге очеггн н оГ йе храпа! мгпсшге о( йе ргоге(п гпо)есн(ез, геюеншй йе бгм ягерв апб сипел! беге(оршепгя (п бйз аша. ТЬе Ьоо(с сопняь оГ йгее рать — йе йпа йюгьез оп яшгнея оп йе гйгее-й(пмпя(опа( рюм(пя випсшгев. Тйе яесопй ргоч(без ап еюргпс (пйРЬ! (п(о йе апегпрь го Гогесаз! а весопбагу, а впрегяесопдагу, апб а гегйагу я(пюшге ог йе ргогегп пю)есн)ея. Тйе в!Ягб ешЬгасея йе шесЬап(зпь оГ йе ргогегп зропгапеощ ьтапйеюеп! )пго йе пайве соп(оппайоп. Рог (пчезййаьлв епаайеб ог н(га ап (пгегез! (и сЬеплнгу, Ью(ойу апй щегле(пе. 1БВХ 5-02-001691-8 18ВХ 5-02-001697-7, т.

2 © Е.М. Попов, В.В. Демин, Е.Д. Шнбанова, 1996 © Издательство "Наука", оформление,1996 Ос Российская академия наук, !996 Проблема белка. Том 2: Пространственное строение белка 1 П 78 Е.М. Попов, В.В. Демин, Е.Д. Шибанова. — Мл Наука, 1996. — 480 с. Ил. 18ВХ 5-02-001697-7, т. 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Данная монография, вторая из намеченных нами в серии книг по проблеме белка, посвящена экспериментальным и концептуальным исследованиям пространственного строения белковых молекул с момента возникновения работ в этой области и по сегодняшний день. Она является продолжением первой из задуманных монографий, в которой в том же плане рассмотрены этапы развития исследований химической структуры белковых молекул'.

При изложении истории структурных исследований белка наибольшее внимание было обращено на позитивные результаты. Будучи расположенными в логическом порядке, они образуют строго последовательный ряд переходов от простого к сложному, от менее полных и несовершенных представлений к более полным и совершенным. Хотя такое описание не лишено смысла, оно далеко от реального, полного драматизма процесса научного познания, где встречаются заблуждения, серьезные противоречия, и которое постоянно находится под прессом устаревших представлений, стереотипных аналогий и неадекватных оценок проблемной ситуации, часто не воспринимаемых критически. Поэтому в монографии предпринята попытка проследить за внутренней логикой развития исследований пространственного строения белков, не сглаживая при этом противоречивый характер самого процесса и не затушевывая ставшие очевидными недостатки работ.

Критический анализ пройденного пути в данном случае представляется особенно важным, поскольку по своим свойствам, в том числе молекулярной организации, белок является уникальным объектом исследования, как правило, требующего отказа от традиционных подходов и представлений. Все выдающиеся достижения в решении фундаментальных задач проблемы белка, оцененные Нобелевской премией, были получены лишь на основе оригинальных концепций, качественно новых теорий и экспериментальных методов. Одновременно такого уровня исследования всегда оказывались высшими достижениями физики, химии или биологии. Во многих отнопгениях проблема белка является проблемой всего естествознания.

Поэтому для понимания ее длительной и непростой истории изложение в монографии всех ' Проблема белка. Т.!. Химическое есроеиие белка / Под ред. Н.Т. Иааиоаа, И.М. Полола. Мл Наука. !995. 5 этапов развития исследований пространственного строения белков соотнесено с общим ходом развития естественнонаучных знаний и показана обусловленность решения данной задачи прогрессом всего естествознания.

Книга состоит из трех частей. В первой части рассмотрены история экспериментальных исследований пространственного строения синтетических полипептидов и белков и складывающиеся на этой основе представления об их молекулярной структурной организации. Особо выделены трн события, во многом определивших последующее развитие этой области и становление самой молекулярной биологии, Первые два вызваны появлением в 1951 г. работ Л. Полинга и Р. Кори и в 1959 г. работы У. Козмана, которые сразу же обратили на себя внимание научной общественности и оказали сильное стимулирующее влияние на теоретическое и экспериментальное изучение пространственного строения белков.

Третье событие произошло иа рубеже 1950 — 1960-х годов и было связано с расшифровкой Дж. Кендрью и М. Перутцем трехмерных структур первых белковых молекул. Наиболыпее внимание в первой части, как и в двух других, уделено анализу современных исследований и перспективам развития. Вторая часть книги посвящена детальному анализу эмпирического подхода к предсказанию вторичных структур и более высоких уровней пространственной организации глобулярных белков, В отдельной главе отмечены перспективы развития этого подхода.

В третьей части изложена история исследований механизма свертывания белковой цепи в нативную конформацию в условиях 1п в1по и ш ч1чо. В последней главе рассмотрена общая теория структурной самоорганизации белка, разработанная на основе нелинейной термодинамики неравновесных процессов. Ответственный редактор и авторы выражают глубокую признательность Т.И. Соркинон и ее сотрудникам: В.В.

Егоровой, Е.Г. Гавриловой, Л.И. Петровой и Н.Н. Шумаковой, роль которых на всем протяжении подготовки настоящего издания трудно переоценить. В.Т. Иванов, Е.М. Полов Часть 1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СТРОЕНИЯ БЕЛКОВ Глава 1 СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ Возможность осуществления белками разнообразных и многочисленных функций не может быть, как ожидалось ранее, прямо связана с химическим строением молекул, так как все белки являются полипептидами, построенными из одних и тех же двадцати основных аминокислот.

Напрашивалась мысль, что химическая универсальность и практически необозримое многообразие свойств соединений этого класса как-то связаны с пространственным строением молекул. Впервые такую мысль высказали в 1930 г. К. Мейер и Г. Марк [1-31. Имн же было сделано предположение о зависимости механических свойств белков от пространственной формы полипептидных цепей. Г.Марк, изучая дифракцию рентгеновских лучей, показал, что растяжение и сокращение мускулов сопровождаются обратимым изменением трехмерной структуры мышечных белков, т.е.

работа мьппц в конечном счете сводится к внутримолекулярному процессу. Исследование пространственной структуры белков началось за много лет до окончательного установления их химического строения [41. Обе задачи в течение почти четверти века решались одновременно, оказывая друг на друга болыпое влияние. 1.1. ПЕРВЫЕ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИБРИЛЛЯРНЫХ БЕЛКОВ В 1912 г. М. Лауэ разработал теорию интерференции рентгеновских лучей на кристаллах, приняв нх за естественные для жесткого излучения дифракцнонные решетки. Теория Лауэ тотчас же получила экспериментальное подтверждение в опытах В.

Фридриха и П. Кннппинга. В этом же году У. и Л. Брэгг осуществили крнсталлографическое исследование ряда образцов и дали экспериментальное доказательство периодичности атомной структуры кристаллов. В 1912 г. 7 Л. Брэгг вывел уравнение, связывающее длину волны рентгеновского излучения с периодом идентичности кристаллической решетки. Несколькими месяцами позднее такое же уравнение было получено независимо Г. Вульфом.

Первыми объектами рентгеноструктурного анализа стали фибриллярные белки, а среди них — фиброин шелка. Его рентгенограмма получена в 1920 г. Р. Герцогом и У. Яике 15-7] и несколько позднее Р. Бриллем 18]. Было обнаружено, что белок состоит из кристаллической и аморфной частей. В состав кристаллической части входят только глнцин и алании в соотношении 1:1. Со ссылкой на Н.Д. Зелинского (независимо это сделать было нельзя) авторы высказали предположение, что аминокислотные остатки образуют в белке метилдикетопиперазины; во всяком случае, полициклическая структура белка не противоречила наблюдаемой дифракционной картине.

Сторонники дикетопиперазиновой теории восприняли это не как предположение, а как независимое экспериментальное доказательство ангидридного строения белковых молекул и в течение длительного времени ссылались на работы Герцога и Брилля, якобы подтверждавших справедливость их точки зрения. Серию интересных исследований структуры высокомолекулярных органических соединений, в том числе и белков, выполнили в 1920-е годы Мейер и Марк (3, 9]. В отношении химической организации этих соединений они придерживались мнения Г,Штаудингера, а в отношении природы белков — представлений Э. Фишера. Г. Штаудингер впервые (1922 г.) предположил, что высокомолекулярные соединения не являются веществами, состоящими из небольших, ассоциированных в растворе в крупные агрегаты молекул, наподобие коагулянтов, как считали раньше, а представляют собой структуры, все звенья которых валентно связаны между собой, образуя линейные, разветвленные, плоские или пространственные сетчатые цепи главных валеитиостей.