А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 54

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 54)

Позвольте напомнить вам, что S (E) пропорционально логарифму числа структур с энергией E. Поэтому, зная S (E), мы можем оценить плотность энергетического спектра при любой энергии. Позвольтетакже напомнить вам, что dS (E) / dE = 1 / T (E), где T (E) — температура,соответствующая энергии E.«Нарисовать характерный вид энергетического спектра» значит показать, как распределены по энергии различные конформации белковой цепи.В спектре нас не интересует, какая конформация имеет такую-то энергию;нас интересует только, сколько конформаций какую энергию имеет.

каждая линия спектра соответствует одной конформации цепи (уточним:«конформация» здесь соответствует одному локальному минимуму свободной энергии, включающей энергию взаимодействия внутри белкаи взаимодействий белка с окружающим растворителем).Основной чертой полученного спектра белковой глобулы является отрыв энергии самой стабильной, «аномально стабильной», т.

е. нативнойструктуры белка от тех энергий, где начинается спектр подавляющегобольшинства остальных структур белковой цепи. Именно этот отрыв (или,как говорят, «энергетическая щель между самой стабильной структуройи ее конкурентами») создает барьер свободной энергии между нативнойструктурой и прочими структурами цепи и заставляет белок плавиться путем перехода «все-или-ничего», а до того «терпеть», не меняясь, изменениевнешних условий.Выше щели (по энергии) лежит практически непрерывный спектр«неправильно сложившихся» структур (непрерывный, так как там очень259много линий, что-то вроде exp (N), где N — число звеньев в цепи, а ширина спектра энергий пропорциональна всего лишь N).

Ниже щели лежитнативная структура, а на щель приходится несколько ее «немного разболтанных» вариантов.абРис. 18-8. Предполагаемая зависимость энтропии S от энергии Е для белковой цепи(а) и для цепи случайного гетерополимера (б). Показаны касательные к нижнейчасти кривых S(E), определяющие температуру TC стеклования полимера и температуру плавления TМ белка (температуру сосуществования, т. е. равенства свободнойэнергии его самой низкоэнергетичной структуры и множества высокоэнергетичных).

Наклон второй касательной несколько меньше, т. е. TМ несколько выше TС.то есть при охлаждении белка («цепи со щелью») его нативная, самая низкоэнергетическая структура вымораживается (скачком!) раньше, чем в нем может начатьсяпостепенное стеклование «неверных» структур, лежащих на правом краю щели.Внизу показаны характерные формы энергетических спектров обеих молекул.

каждая линия спектра (здесь показаны лишь немногие из этих линий) соответствуетодной конформации цепи. В правой, высокоэнергетичной части обоих спектровэтих линий очень много и они сливаются. Основной чертой спектра белка — «отобранного» гетерополимера — является энергетическая щель (ширины ∆Е >> kTC)между основной, самой стабильной укладкой цепи, и другими, не похожими на нееукладками. Немногие структуры, чьи энергии приходятся на эту щель, представляютсобой более или менее «разболтанные» или «недосвернутые» варианты основнойукладки цепитемпература плавления белка, TМ, соответствует наклону касательной(см. 1 / TМ на рис.

18-8а), касающейся одновременно как самых малых,практически нулевых, энтропий S на самом левом («за-щелевом») краюэнергетического спектра, так и области высоких энтропий в районе непрерывного энергетического спектра «неверно сложившихся» структур.кроме TМ, у спектра белка есть еще одна замечательная температура: TC. Она определяется наклоном кривой S(E) перед самой щелью (см.рис.

18-8а), т. е. скоростью схождения на нет энтропии «неправильносложившихся» структур цепи. При температуре TC «неправильные» структуры должны были бы замерзнуть (застекловаться, так как их много,с почти одинаковой энергией) — если бы нативная (отделенная от них260широкой щелью, самая стабильная) структура белка не вымораживаласьпри еще более высокой температуре TМ.А вот у «случайного» сополимера (рис. 18-8б) есть только одна замечательная температура: TC, критическая температура его стеклования.теорфизические исследования разнообразных моделей гетерополимерных цепей показали, что в случайных гетерополимерах «аномально стабильной» структуры нет, т.

е. что щель там не наблюдается (см.рис. 18-8б). точнее, у случайных цепей она обычно очень мала, порядкаkT C, так что такие цепи замерзают (при температуре T C) постепенно,не скачком, как кристалл или белок, а постепенно, как стекло. Значит, необходимая для фазового плавления белка достаточно большая(с шириной ∆Е >> kTC) энергетическая щель между самой стабильной структурой цепи и ее конкурентами возникает не в любой «случайной» аминокислотной последовательности, а создается отбором «белковоподобных»,годных для создания белков последовательностей (последовательностей,допускающих одну-единственную плотную упаковку цепи в глобулу).Естественный отбор подхватывает такие последовательности, потомучто только они способны создавать твердые белковые глобулы со строгоопределенными структурами, а только среди таких глобул можно найти те,что будут надежно служить организму.Удалось даже (экстраполируя кривую S (E), описывающую левый крайнепрерывного спектра, на еще более низкие энергии) ориентировочнооценить долю «белковоподобных» цепей (т.

е. цепей, имеющих энергетическую щель данного размера), среди всех случайных цепей:доля (∆Е) ~ ехр (–∆Е / kTC).(18.1)то есть эта доля очень мала, если щель значительна (∆Е >> kTC) —что разумно: белок сделать нелегко! Однако эта доля все же не безумномала: так, при ∆Е ≈ 10 ккал / моль, что достаточно велико по сравнениюс kTC ~ 1 ккал / моль, эта доля составляет ~10–8.Найти и выделить такую малую, но крепко и специфично к чему-то липнущую, долю молекул уже по силам современным методам, скажем, фаговому дисплею.

Поэтому не столь удивительно, что ведущиеся сейчас опытысо случайными полимерами аминокислот позволяют порой получить «белковоподобные» молекулы. Недавно сделанные опыты показывают, что такиемолекулы составляют ~10–10–10–12 от всей совокупности случайно синтезированных белковых цепей. Эти опыты (через формулу (18.1)) позволяютоценить величину энергетической щели в 10–15 ккал/моль.Примечательно, что из той же теории, что привела к формуле (18.1),следует, что сделать цепь, стабилизирующую одновременно две разные261нативные структуры (обе отделенные щелью ширины ∆Е от прочих укладокцепи) совсем трудно: вероятность этого порядка ехр (–2∆Е/kTC). Иными словами, сделать цепь с одной нативной структурой — чудо, с двумя — чудов квадрате, с тремя — в кубе… Не удивительно, что белков с двумя и болеенаблюдаемыми альтернативными структурами почти нет (здесь я говорю,естественно, только о существенно разных структурах, а не о тех небольшихдеформациях структур, что часто встречаются при функционированиибелков; речь о них пойдет в конце этого курса лекций).

«Почти нет», потомучто несколько таких белков-«хамелеонов» — среди тысяч изученных — всеже есть. к этим хамелеонам относится серпин, весьма медленно, но безвсякой олигомеризации или агрегации переходящий в свою неактивнуюформу; белок Ltn40, при димеризации которого α-спираль преобразуетсяв часть сильно перестроившегося β-листа; прион, «заразный белок», окотором я уже говорил в 11-й лекции (правда, очень медленное образованиеего альтернативной структуры связано со слипанием перешедших в«зараженную» форму прионовых цепей); и ряд других белков, причемнекоторые из них были специально сконструированы людьми так, чтобыиметь альтернативные укладки, — о них я расскажу позже.температура TC определяется наклоном кривой S(E) перед самой щелью (см.

рис. 18-8); величина TC не зависит от величины ∆Е, так как TCзависит от поведения массы ненативных структур, а щель — только от отрыва от них одной нативной структуры. Иными словами, величина TC одинакова и для случайных, и для «белковоподобных» цепей одинакового аминокислотного состава.

И, что замечательно: судя по соотношению (18.1),TC, характерная температура края непрерывного спектра, — это та самаяконформацианная температура, что фигурирует в «квази-Больцмановской»белковой статистике, о которой мы говорили на позапрошлой лекции.рисунок 18-8 показывает, что, при не слишком больших ∆Е, температура TC лежит чуть ниже температуры плавления белка. А очень большиещели, большие ∆Е, по-видимому, не нужны для «белковоподобного» поведения молекулы, так что отбор на них настаивать не должен; и в то жевремя они маловероятны, согласно формуле (18.1).

Впрочем, здесь словоза экспериментом… Энергетическая щель — фундаментальная вещь в физике белка. Онанеобходима не только для того, чтобы белок разрушался только фазовымпереходом, т. е. чтобы он, не изменяясь, терпел (до известного предела)изменение внешних условий, т. е. для надежности работы белка. скоро выувидите, что она необходима и для быстрого и безошибочного сворачивания его нативной структуры. Поэтому экспериментальная оценка этойщели — она еще, увы, не сделана — будет столь интересна.262Лекция 19Образование структуры белка in vivo и in vitro.

Вспомогательныемеханизмы при самоорганизации in vivo: котрансляционное сворачивание, шапероны, и т. д. спонтанная самоорганизация возможнаin vitro. «Парадокс Левинталя». Опыты по сворачиванию белкав бесклеточных системах, а также — о разном понимании слов invitro. стадийный механизм самоорганизации белков. Обнаружениеметастабильных (накапливающихся) интермедиатов сворачиваниямногих белков. расплавленная глобула — обычно (но не обязательно) наблюдаемый интермедиат сворачивания белка в нативныхусловиях. Простейшее (одностадийное) сворачивание некоторыхбелков — без каких-либо накапливающихся метастабильных интермедиатов. самоорганизация мембранных белков.сегодня мы посмотрим, как протекает процесс обретения белковой цепью своей нативной структуры во времени, и обсудим интермедиаты, возникающие при самоорганизации белков.

Характеристики

Список файлов лекций