А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 62

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

Текст из файла (страница 62)

е. она соответствует не глобальному, а простобыстро достижимому минимуму свободной энергии цепи.сложность проблемы заключается в том, что поднятый вопрос нельзярешить чисто экспериментально. действительно: предположим, у белковой цепи есть другая, «ненативная», но еще более стабильная укладка.как ее найти, если сам белок ее не находит? ждать результата в течение1080 лет?!с другой стороны, вопрос о том, что — кинетика или термодинамика — определяет укладку белковой цепи, постоянно возникает на путирешения разных прикладных задач.

Он возникает, когда речь идет о предсказании структуры белка по его аминокислотной последовательности(надо знать, что предсказывать: самую стабильную или самую быстро сворачивающуюся его структуру). Он возникает и тогда, когда речь идет о дизайне новых, не встречающихся в природе белков (надо знать, что делать:максимально усиливать стабильность желаемой структуры или пролагатьмаксимально быстрый путь к ней). Однако действительно ли существует противоречие между «структурой стабильной» и «структурой быстро сворачивающейся»? Может быть,стабильная структура автоматически является фокусом «быстрых» путейсворачивания и потому автоматически обладает свойством сворачиватьсябыстро? Прежде чем приступить к исследованию этих вопросов, т.

е. прежде,чем рассматривать кинетические аспекты сворачивания белков, вспомнимряд фундаментальных фактов из области их термодинамики (здесь всюдуречь идет об относительно небольших, однодоменных белках, т. е. о белках из 50–200 аминокислотных остатков). Эти факты помогут нам понять,какие условия протекания процесса сворачивания мы должны рассматривать. термодинамические факты таковы:1) разворачивание белка обратимо, причем оно происходит как переход«все-или-ничего».

Последнее означает, что в точке денатурации белка только две формы белковой молекулы — «нативная» и «денатурированная» —присутствуют в заметных количествах, а все прочие («полусвернутые»и «неверно свернутые» формы) практически отсутствуют. такой переходвозможен только в цепях, аминокислотная последовательность которыхобеспечивает достаточно большую энергетическую щель между основноймассой структур и самой стабильной структурой цепи.2) денатурированная форма белков — во всяком случае, небольшихбелков, развернутых сильным и концентрированным денатурантом, — часто является неупорядоченным клубком.2943) В нормальных физиологических условиях нативная форма белкалишь немногим стабильнее его денатурированной формы (а в средней точкеперехода обе эти формы имеют, естественно, одинаковую стабильность).При этом нативная структура белка стабильна благодаря своей низкойэнергии, т. е.

благодаря сильным взаимодействиям в нативной структуре,а развернутая — благодаря своей высокой конформационной энтропии,т. е. благодаря огромному числу разных развернутых конформаций.Необходимое пояснение: как принято в литературе, термин «энергия»здесь означает, строго говоря, всю свободную энергию взаимодействий,в том числе взаимодействий цепи с растворителем (например, «энергия»гидрофобных взаимодействий определяется, как вы должны помнить,энтропией растворителя); термин же «энтропия» здесь охватывает лишьконформационную энтропию цепи, но не энтропию растворителя. такаятерминология принята, чтобы, оставив растворитель за скобками, сосредоточиться на главной проблеме — как белковая цепь находит «свою» пространственную структуру среди гигантского числа возможных.Итак, чтобы разрешить «парадокс Левинталя» и показать, что самуюстабильную структуру белковой цепи можно найти за разумное время, мыможем, в первом приближении, рассматривать только скорость перехода«все-или-ничего» из клубка в самую стабильную структуру цепи, причем намдостаточно рассмотреть случай, когда самая стабильная укладка цепи лишьчуть-чуть более стабильна, чем клубок, а все прочие формы белковой цепитермодинамически нестабильны.

Здесь рассматривать сворачивание белканаиболее просто, так как здесь нет стабильных интермедиатов сворачивания:они, как о том говорилось на прошлой и особенно позапрошлой лекции, появляются лишь тогда, когда нативная структура становится много стабильнееклубка. При этом сворачивание белка достигает максимальной скорости,но его анализ усложняется.

Поэтому мы, для начала, ограничимся окрестностью точки равновесия нативной структуры с клубком, где белок сворачивается пусть не максимально быстро, но максимально просто. Причем мы должнырассматривать только такие аминокислотные последовательности, которыеобеспечивают наличие большой «щели» между энергией самой стабильнойструктуры цепи и энергиями всех прочих ее укладок (рис. 21-1): как вы помните, статистическая физика гетерополимеров показывает, что фазовый, типа«все-или-ничего» распад нативной глобулы требует наличия такой щели, резкоотделяющей нативную структуру от всех прочих. Я прежде всего собираюсь показать, что при таких условиях самаястабильная структура небольшого белка или домена автоматическистановится центром «быстрых» путей сворачивания и потому должна сворачиваться за биологически разумное время: секунды или минуты.295путь не должен преграждаться «барьером» в виде очень высокой свободной энергии на одной из стадий сворачивания.так как время фиксации одного звена малό (~1–10 нс, судя по измеренной скорости роста α-спиралей в белковых цепях), то белок, фиксируя одно свое звено за другим, сворачивался бы мгновенно (100-звеннаяцепь — за ~100–1000 нс), если бы при этом он не должен был преодолевать свободно-энергетический барьер.Рис.

21-1. Грубое схематическое изображение энергетического ландшафта белковой цепи: на рисунке мы можем изобразить только две координаты (q1 и q2), описывающих конформацию цепи, тогда как реальная конформация белковой цепиописывается сотнями координат. Широкая щель между глобальным энергетическим минимумом и прочими энергетическими минимумами необходима для того,чтобы стабильная укладка цепи разрушалась только путем термодинамическогоперехода типа «все-или-ничего»; это, в свою очередь, обеспечивает надежностьфункционирования белка — по принципу «все-или-ничего», как у электрическойлампочкидля того чтобы доказать, что самая стабильная белковая структурадолжна сворачиваться быстро, достаточно показать, что к ней всегда ведетпо крайней мере один «быстрый» путь сворачивания.

Наличие не одного,а многих путей сворачивания нативной структуры может только ускоритьпроцесс.А вот путей сворачивания не нативной, а прочих (и, значит, при наличии «щели» — высокоэнергетичных) структур мы можем не рассматриватьвовсе! Они не могут сбить нашу цепь с пути истинного.

Ведь вблизи точкиперехода типа «все-или-ничего» между самой стабильной структурой цепии клубком — никакие «полу-» и «неверно свернутые» состояния не могутслужить ловушками: они не могут «впитать» сворачивающиеся цепи просто в силу малости своей суммарной стабильности. Полезная аналогияздесь — просачивание воды через трещины в стенке, разделяющей двабассейна: если «емкость» трещин мала, т.

е. они не способны впитать всюводу, то каждая новая трещина в стенке может только ускорить наполнение второго бассейна, так что, рассмотрев просачивание воды через однутрещину, мы оценим минимальную скорость его наполнения.Чтобы путь был быстр, каждый шаг на этом пути должен проходитьсябыстро, таких шагов должно быть не слишком много, и — главное! — этот296 Итак: главный вопрос, на который надо ответить, — высок ли барьерна пути, ведущем к самому стабильному состоянию белковой цепи?сворачивание белковой цепи ведет к падению ее энтропии (из-за ростаупорядоченности цепи) и энергии (из-за образования контактов междусближающимися звеньями цепи).

Падение энтропии повышает, а падениеэнергии понижает свободную энергию цепи. Если, по ходу сворачивания,цепь должна очень близко подойти к своей финальной структуре передтем, как начнут возникать стабилизирующие эту структуру контакты (т. е.цепь должна потерять почти всю свою энтропию перед тем, как начнетвыигрываться энергия), то повышение свободной энергии на первом этапесворачивания будет пропорциональным числу звеньев в цепи, т. е.

оченьбольшим, а сворачивание цепи — страшно медленным (как вы помните,согласно химической кинетике, время протекания процесса экспоненциально зависит от достигаемого по его ходу максимального повышениясвободной энергии). Именно такая картина (проигрыш всей энтропиидо начала выигрыша энергии) лежит в основе «парадокса Левинталя»,утверждающего, что белковая цепь никак не может, даже за время жизниВселенной, найти свою самую стабильную структуру.Напротив, если путь сворачивания таков, что по ходу его падениеэнтропии практически тут же компенсируется падением энергии, то онне перекрыт высоким свободно-энергетическим барьером, и сворачиваниеидет быстро.

Характеристики

Список файлов лекций