А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 64
Текст из файла (страница 64)
21-5) в диапазоне от 10нс × exp[0,5N 2/3] до 10нс × exp[1,5N 2/3],в соответствии с нашей оценкой.301старому принципу «разделяй и властвуй») из отдельно сворачивающихсястабильных доменов — или, как теперь говорят в данном случае, «фолдонов» (от слова “fold” — «укладка»): иначе их сворачивание было бы слишком медленным.добавление.
Формула (21.2) оценивает скорее диапазон времен сворачивания,чем скорость сворачивания каждого конкретного белка. А из рис. 21-5 видно,что скорости сворачивания белков одного и того же размера могут порой различаться в миллионы раз.Плакско и Бейкер показали, что различия в логарифмах скоростей сворачивания небольших белков, сворачивающихся без наблюдаемых интермедиатов, хорошо коррелируют с введенным ими «контактным порядком»Рис. 21-5. Экспериментальные данные по скорости сворачивания белков на фонеразрешенного формулой (21.2) диапазона.
данные относятся к точке термодинамического равновесия клубка с нативной глобулой, т. е. к самому низу кинетического шеврона. N — число аминокислот в цепи. кружки относятся к белкамбез S–S-связей, квадратики — к белкам с S–S-связями. Черные значки относятсяк белкам, сворачивающимся без видимых интермедиатов во всем диапазоне экспериментальных условий; светлые — к тем, для которых интермедиаты наблюдаются (но вне зоны термодинамического равновесия клубка с нативной глобулой,ближе к «физиологическим» условиям).
Значки α и β относятся к сворачиваниюотдельной α-спирали [Thompson P. A., Eaton W. A., Hofrichter J., Bio c hemistry(1997) 36, 9200] и β-шпильки [Muсoz V., Thompson P. A., Hofrichter J., Eaton W. A.,Nature (1997) 390, 196] соответственно. картинка взята из работы O. V.
Galzitskaya,D. N. Ivankov, A. V. Finkelstein, FEBS Lett. (2001) 489: 113–118 (основанной на списке белков Jackson S. E., Folding & Design (1998) 3: R81–R91) и дополнена данными за последующие пять летПричина того, что самая стабильная структура белка достигается всего заВремя ~ exp [(1 ± 0,5) N2/3] × 10 нс(21.2)— в том, что падение энтропии по ходу последовательного сворачиваниятут же (с точностью до поверхностных эффектов) компенсируется энергией возникающих взаимодействий.Отметим, что на рассмотренном нами пути глобулярный зародышбелковой структуры не перестраивается по ходу сворачивания (на что потребовалось бы гигантское время), а все перестройки происходят тольков рыхлом клубке (и потому быстро).как бы то ни было, полученная оценка (21.2) и рис.
21-5 показывают,что цепь из 80 и менее аминокислотных остатков должна за минуты (илименее) находить свою самую стабильную структуру всегда, цепь из 100–200 остатков — весьма часто, а цепь из многих сотен остатков найти своюсамую стабильную однодоменную структуру за разумное время вообщене может. Она объясняет также, почему большие белки состоят (согласно3021∑ ∆Ntj ,.M × N ( i , j )∈Mгде M — число межатомных контактов в белке, ∆Nij — число остатков цепи междуконтактирующими (на расстоянии ≤ 6 Å) атомами i и j, а N — число аминокислотных остатков в цепи. СО отражает устройство белка: он мал для тех белков,где массово контактируют между собой близкие по цепи остатки (это, в основном,α-белки), и велик для тех, где контактируют в основном далекие по цепи остатки.Впоследствии оказалось, что, хорошо работая для небольших белков, СО (учитывающий только форму укладки белковой цепи, но не ее размер) совсем не работаетни для больших, ни для очень маленьких белков.
Поэтому было естественно «скрестить» СО с учитывающим размер белка фактором N2/3 — тем более, что СО близокпо смыслу к оцененному нами только снизу и сверху коэффициенту 1 ± 0,5 в формуле (21.2): СО связан с петлями, образованными белковой цепью в нативной глобуле, а «1 ± 0.5» — с петлями, торчащими из «полусвернутой» глобулы. В результатесовместной работы двух групп, нашей и Бейкера, было показано, что скорости сворачивания всех белков коррелируют с величиной CO × N, которая растет с ростомдлины белковой цепи N, в среднем, как N2/3 ± 0,3. так была получена теория, способная неплохо предсказывать скорости сворачивания белков по их пространственнойструктуре.Более того: оказалось, что скорости сворачивания еще лучше коррелируютпросто с числом аминокислотных остатков цепи, из которого вычтено суммарноечисло водородных связей в α-спиральных участках (что согласуется гипотезойо том, что α-спирали могут служить блоками самоорганизации: и действительно,они очень стабильны в развернутых цепях некоторых быстро сворачивающихсябелков).
А так как спиральные участки можно неплохо (например, программойPsipred д. джонса) предсказывать по первичной структуре белка — теперь можнопредсказывать (с точностью до порядка величины) скорости сворачивания белков(и пептидов) только по их аминокислотной последовательности.CO =Примечания.(1) Найдя максимум свободной энергии на пути сворачивания, мы можем, далее, найти ту точку пути, которой он соответствует, т. е.
оценитьразмер ядра сворачивания белковой структуры. расчет показывает, что этоядро довольно велико, оно охватывает около половины белковой глобу-303лы. Об этом же говорит эксперимент: примерно одинаковая (но с разнымзнаком!) скорость изменения и времени сворачивания, и времени разворачивания белка с концентрацией денатуранта (рис. 21-6) показывает,что до ступная растворителю поверхность цепи в переходном состояниилежит примерно посередине между доступными растворителю поверхностями цепи в нативном и в развернутом состояниях. столь большой размер ядра показывает, что белок не может сворачиваться по очень многимпараллельным путям — путям с принципиально разными переходнымисостояниями (и ядрами!): большие компактные ядра, если их много,должны сильно перекрываться, так что число независимых друг от другапутей сворачивания должно быть все равно невелико.
следовательно, мыне сделали большой погрешности, рассматривая только один из возможных путей сворачивания.Рис. 21-6. Зависимость скорости ренатурации и денатурации белка (лизоцимакуриного яйца) от концентрации гуанидингидрохлорида. Экспериментальныеточки изображают величину kapp = ku→N + kN→u, видимой (apparent) характернойскорости приближения к равновесию между нативной и развернутой формамибелка. Черные кружки получены при разбавлении раствора GdmCl, в которомизначально находился денатурированный белок, т. е.
при полной или частичной ренатурации белка. При этом kapp≈ ku→N. светлые кружки получены при добавлении GdmCl к изначально нативному белку, т. е. при полной или частичнойего денатурации. При этом kapp≈ kN→u. Пунктир показывает экстраполяцию величин ku→N и kN→u в области излома шеврона. Загиб обеих линий экспериментальных точек в нижней части графика (при ≈ 4,5 М GdmCl) соответствует областитермодинамического равновесия нативной и развернутой форм белка (где ku→N≈kN→u≈ kapp / 2).
В этих условиях время ренатурации составляет ~104 с — при том,что в «почти чистой» воде, при 0,6 М GdmCl (верхняя левая часть кривой),оно приближается к 0,1 с. картинка, с небольшими изменениями (добавленыэкстраполяционные пунктиры) взята из T. Kiefhaber, Proc. Natl. Acad. Sci. USA(1995) 92:9029–9033304(2) Правда, наша оценка (21.2) относится к точке термодинамическогоравновесия клубка и нативной структуры белка, где экспериментальнонаблюдаемое время сворачивания этой структуры максимально, оно может превосходить время сворачивания в нативных условиях на несколькопорядков (рис. 21-6). Поэтому оценка (21.2) носит не столько количественный, сколько принципиальный характер — она решает парадоксЛевинталя и объясняет, почему белковая цепь может найти свою самуюстабильную структуру не за астрономически огромное, а за биологическиразумное время.(3) для очень длинных цепей, состоящих из многих тысяч звеньев,лимитирующим фактором мог бы стать «квази-Левинталевский» переборпо-разному заузленных интермедиатов — ведь узел в петле (ср.
рис. 21-4аи 21-4б) нельзя распустить, не разрушив глобулярную часть интермедиата.Однако столь большие домены и так (по формуле (21.2)) свернуться не могут, а в доменах из сотни-другой звеньев много узлов быть не может (компьютерные эксперименты показали, что для образования одного узла нужно порядка сотни звеньев цепи), так что перебор по-разному заузленныхконформаций увеличит время достижения стабильной структуры доменавсего в несколько раз. до сих пор мы рассматривали сворачивание белковой цепи вблизиточки фазового перехода, когда только одна («нативная») ее структурасравнима по стабильности с клубком, а все прочие, даже взятые вместе,нестабильны (рис. 21-7а).Что произойдет со скоростью самоорганизации цепи при удаленииот точки фазового перехода? Нас, естественно, интересует случай, когдастабильность нативной структуры растет (когда ее стабильность падает,эта структура просто не образуется).рост стабильности нативной глобулы (например, при понижении температуры или при разбавлении раствора денатуранта водой) приводит сперва к увеличению скорости достижения нативной структуры, так как свободная энергия интермедиатов ее сворачивания падает, а конкурирующиес нативной структурой укладки цепи все еще остаются — из-за «энергетической щели» — нестабильными (рис.
21-7а). При этом, если разностьсвободных энергий нативного и развернутого состояний меняется от нулядо ∆G < 0, то разность свободных энергий переходного и развернутогосостояний меняется примерно на ∆G/2, так как ядро сворачиванияохватывает примерно половину белка. Значит, его сворачивание ускоряетсяпримерно в exp(–∆G/2RT) раз. следовательно, время достижения N-звеннойбелковой цепью своей самой стабильной структуры (свободная энергиякоторой относительно развернутого состояния составляет ∆G≤0) можнооценить как305Хочу отметить, что сходство термодинамики самоорганизации белковс фазовыми переходами первого рода экспериментально установлено в работах П. Л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
