А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Привалова, а сходство кинетических аспектов этих явлений —в компьютерных экспериментах Е. И. Шахновича и А. М. Гутина и в экспериментальных работах А. Фершта и его группы.Рис. 21-7. сворачивание белка при разных условиях. тонкие линии показываютуровни свободной энергии клубка U, самой стабильной («нативной») укладкицепи N, и прочих (“misfolded”, конкурирующих с самой стабильной) глобулярных структур М. точечные линии показывают изменение свободной энергиипо ходу сворачивания. Относительно небольшая их неровность (см.
график ∆Fна рис. 21-3) на данном рисунке не показана. Высшие точки этих пунктирныхлиний соответствуют свободным энергиям переходных состояний на соответствующих путях сворачивания. Основные сценарии процесса сворачивания: (а)самая стабильная структура цепи N стабильнее клубка U, а все конкурирующиес ней структуры M в сумме менее стабильны, чем клубок. Идет быстрое и безошибочное сворачивание самой стабильной структуры; пути сворачивания «неверных» структур М практически не обследуются молекулой, так как на нихсвободная энергия только возрастает. (б) Помимо структуры N, многие свернутые структуры M более стабильны, чем клубок U. Идет быстрое сворачивание многих «неправильных» структур с их последующим, очень медленнымчастичным разворачиванием и переходом в нативную структуру N.
стрелкипоказывают главное русло процесса самоорганизации стабильной пространственной структуры белка ВРЕМЯ ~ exp[(1±0,5)N2/3+∆G/2RT] × 10 нс.(21.3)Примерно такое ускорение, действительно, наблюдается (см. подъемграфика на рис. 21-6, слева) до определенного предела (см. плечо графикана левом краю рис. 21-6). По-видимому, максимальная скорость сворачивания должна достигаться, когда конкурирующие с нативной структурой«неправильные» компактные укладки цепи (а их стабильность тоже растетпри понижении температуры и разбавлении денатуранта) как раз сравниваются по стабильности с клубком. При дальнейшем росте стабильностиглобул идет быстрое сворачивание многих «неправильных» структурс их последующим медленным частичным разворачиванием и переходомв нативную структуру (рис. 21-7б).Все это очень напоминает кристаллизацию.
При температуре отвердевания можно получить большой хороший монокристалл, но очень-оченьмедленно. Небольшое понижение температуры ускоряет процесс. А большое приводит к появлению маленьких кристалликов, а не одного большого хорошего монокристалла.306 Область наиболее быстрого сворачивания исследовалась Шахновичеми его сотрудниками на простых компьютерных моделях белковых цепей.
Эти работы как бы моделировали сворачивание белка в «нативных»(или даже еще более благоприятствующих сворачиванию) условиях. Онипоказали, что характерное время максимально быстрого сворачивания растет с длиной цепи много медленнее, чем то следует из формулы (21.2), оценивающей время сворачивания в точке термодинамического равновесиянативного и развернутого белка.
А именно, компьютерный экспериментпоказал, что время максимально быстрого сворачивания растет с числомзвеньев цепи N вовсе не как exp (N 2/3), как то должно быть в точке равновесия, а медленнее — как N 6 для «случайных» цепей и даже как N 4 для цепей, усиленно отобранных на предмет максимально быстрого сворачивания (и обладающих поэтому очень большой щелью между энергией самойстабильной структуры и энергиями прочих компактных укладок цепи).Все это еще раз подчеркивает обсуждавшуюся на прошлой лекции сильную зависимость времени сворачивания белка от условий опыта, и преждевсего от стабильности нативной и конкурирующих с ней структур белка. Здесь у вас естественно возникает вопрос: «Что будет, если у цепи не однаструктура отделена от прочих большой энергетической щелью, а, скажем, две?»Ответ: «Если обе эти структуры стабильны по сравнению с клубком, первой из них свернется та, к которой ведет лучший (с немногоболее низким барьером) путь сворачивания».
Однако, если эта структурахоть немного менее стабильна, чем другая, последует очень медленный(так как по пути придется разворачивать метастабильную структуру,см. рис. 21-7б) переход в наиболее стабильную форму. Этот переход похож на полиморфные переходы в кристаллах (вспомним «оловяннуюболезнь» — переход белого олова в серое: эта «болезнь» порой уничтожала, при наступлении холодов, целые склады оловянных пуговиц).По-видимому, таких «полиморфных» белков должно быть мало (теоретические оценки показывают, что аминокислотные последовательности,кодирующие одну выделенную стабильную укладку цепи, редки, а кодирующие сразу две такие укладки — редки в квадрате).Однако есть основания полагать, что некоторые белки, в частности,серпины (есть такие ингибиторы сериновых протеаз) и прионы (они вызывают «бешенство коров») ведут себя именно так.
В последнем случае307полиморфизм осложнен агрегацией (слипанием), которой способствует(или которой наводится) «новая», β-структурная форма белка. В ней,как показал недавно к. добсон и его сотрудники, белковая цепь уложенав β-сэндвичи, упакованные в протофиламенты, укладывающиеся в длинные амилоидные нити (кстати, сходные амилоиды, трубчатые или ленточные, образуют и самые обычные белки, например, лизоцим и миоглобин;на их фоне прионы выделяются, кажется, только своей инфекционностью).
В любом случае, возникает β-структурный агрегат.При агрегации растет эффективная длина цепи фолдона N, что (согласносделанным выше оценкам) делает возникновение новой фазы очень медленным. Но зато раз возникший зародыш новой формы агрегированного белкавтягивает в агрегат и переводит в эту новую форму все остальные белковыемолекулы (по существу — так же, как при «оловянной чуме»). Эта-то агрегация прионов в клетках мозга и приводит в конце концов к летальномуисходу при «коровьем бешенстве», почесухе и родственных им болезняхс огромным инкубационным периодом. Последние — на 2011 г. — данныекак будто показывают, что болезнь вызывает не результат агрегацииприонов, т.е.
не огромные амилоидные нити, а активные «зародыши»,возникающие по ходу этой агрегации. Говорят, к таким болезням –болезням с огромным инкубационным периодом – относится и старческиймаразм... И вообще, разные амилоиды, которые склонны накапливаться впожилых людях (или интермедиаты образования этих амилоидов), сейчасрассматриваются как возможная причина многих старческих болезней —хотя до сих пор неясно, действительно ли их огромный инкубационныйпериод связан с медленностью образования амилоидных фибрилл in vitro.Однако уже более или менее ясно, что такие болезни являются одной изразновидностей «конформационных болезней», существование которыхбыло давно предположено В. Е.
Бычковой и О. Б. П.Впрочем, есть и более простой, «мирный» и хорошо изученный лабораторный пример того же рода: водорастворимый аминокислотный полимер поли (лизин) в пробирке, при рН > 10 и температуре 20–50 °с, быстро(за миллисекунды) переходит из клубка в α-спираль, а потом — гораздомедленнее — из α-спирали в β-структуру. Последний переход сопровождается агрегацией и может занимать часы, недели и более, его время экспоненциально растет с падением стабильности β-структуры; об этом мыуже говорили, обсуждая кинетику образования β-листов. В заключение обратимся еще раз к энергетическому ландшафту белковой цепи (см.
рис. 21-1) и посмотрим, как самая стабильная структураавтоматически пролагает к себе быстрые, преодолевающие парадокс Левинталя, пути сворачивания.308Через очень холмистый (скорее — даже скалистый) ландшафт (см.рис. 21-1) («скалы» соответствуют мощному, но короткодействующему отталкиванию при столкновении кусков цепи) от каждого энергетического минимума широко расходится «воронка» (или, точнее, сеть) более или менеегладких «дорожек». Эти дорожки соответствуют, в частности, разным путямпоследовательного (рис.
21-2) сворачивания структуры, соответствующейрассматриваемому минимуму. На таких дорожках происходит фазовоерасслоение: из клубка выделяется компактная глобула, составляющая частьнативной, и потому относительно стабильная. Именно это делает дорожкугладкой, так как потеря энтропии одной фазой (клубком) тут же почтиполностью (почти — из-за малой, но энергетически напряженной областираздела фаз) компенсируется энергией другой фазы (глобулы). На всех этихдорожках не происходит перестройки уже свернувшейся части глобулы,и потому на них нет больших ухабов (а маленькие — не помеха, если температура не слишком низка). двигаясь по этим дорожкам к энергетическомуминимуму, молекула выигрывает энергию, но, одновременно, фиксируясвою укладку, теряет энтропию (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
