А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 66
Текст из файла (страница 66)
рис. 21-3). Чем глубже энергетическийминимум — тем круче ведущие к нему дорожки, тем легче преодолевать,идя по ним, «энтропийное сопротивление», возникающее при фиксацииукладки скатывающейся в энергетический минимум цепи. сила этого сопротивления, поскольку оно энтропийное, пропорциональна температуре.При очень высокой температуре оно выталкивает цепь из всех энергетических минимумов, так что цепь не сворачивается вообще. При очень низкойтемпературе энтропийное сопротивление мало — цепь скатывается в любойближайший минимум, долго из него выбирается, снова куда-то скатываетсяи никак не может дойти до глобального энергетического минимума (см.рис.
21-7б). И, наконец, при оптимальной для сворачивания температуреэнтропийное сопротивление преодолевается на путях только к одному, самому глубокому минимуму — куда цепь и попадает достаточно быстро (см.рис. 21-7а). Все изложенные соображения о компенсации энергией энтропиипо пути самоорганизации и о том, что это решает парадокс Левинталя, применимы и к образованию нативной структуры белка не только из клубка,но и по другим сценариям — из расплавленной глобулы или через напоминающие ее интермедиаты. Но там сделать какие-либо количественныеоценки гораздо сложнее.
к тому же хочу подчеркнуть, что экспериментне показывает принципиального, многопорядкового ускорения самоорганизации белка при образовании расплавленных глобул. Поэтому я и ограничился только более простым случаем образования нативной структурыпрямо из клубка.309Внутренний голос: А не решается ли парадокс Левинталя просто тем,что, продвигаясь к энергетическому минимуму, молекула, теряя энтропию,одновременно обретает энергию? Зачем нужно фазовое расслоение, окотором Вы столько говорите? Может быть, достаточно простой,равномерной, без расслоения на фазы, конденсации клубка?Лектор: Простота такого объяснения, если рассматривать его какобщее объяснение, коварна.
Прежде всего, равномерная конденсацияклубка не обеспечивает перехода «все-или-ничего». Об этом говорилось вконце 17-й лекции. Поэтому гипотеза о равномерной конденсации клубкане может объяснить наблюдаемое на опыте сворачивание и разворачиваниебелка в окрестности точки сосуществования его денатурированной инативной форм. Значит, она не может решить проблему сворачиваниябелка в общем случае. Однако такая гипотеза, возможно, применимапри экстремальных условиях, в которых нативная глобула намного(на величину порядка энтальпии плавления белка) стабильнее, чемденатурированный белок.Внутренний голос: А не может ли решать проблему сворачиваниябелка тот стадийный механизм, о котором Вы говорили в одной изпредыдущих лекций?Лектор: Простота такого объяснения, как общего, также коварна.для того чтобы стадийный механизм помогал сворачиванию белка (дляиллюстрации, см.
Задачу 19.1), необходимо, чтобы каждая стадия егосворачивания была бы необратима – иначе все опять сведется к переборувсех вариантов укладки цепи... Значит, он может помочь сворачиваниюлишь тогда, когда нативная глобула много стабильнее, чем клубок.
Ноон не может помочь наблюдаемому на опыте сворачиванию белка вокрестности точки сосуществования его денатурированной и нативнойформ. Значит, стадийный механизм тоже не может решить проблемусворачивания белка в общем случае, хотя он может помочь сворачиваниюбелка тогда, когда нативная глобула на много kT стабильнее, чемразвернутая цепь. рассказанное подчеркивает значимость развития «нового взгляда»на сворачивание белка — взгляда, базирующегося не на дискретных интермедиатах сворачивания, а на природе энергетических поверхностейили «ландшафтов», определяющих ход самоорганизации.
Этот процессотличается от более знакомых реакций, происходящих с малыми молекулами, (1) тем, что структура белка возникает как результат множестваслабых взаимодействий; (2) тем, что ход сворачивания сопровождаетсябольшими изменениями конфигурационной энтропии; (3) тем, что по ходунего возникает расслоение «нативной» и «денатурированной» фаз.310В последнее время возникает понимание того, что внешне совсем разные сценарии экспериментального поведения сворачивающегося белкавозникают из-за того, что различные взаимодействия дают разный вкладв общую свободную энергию молекулы при разных условиях.
Это объединение идей дает тот скелет, в рамках которого экспериментаторы и теоретики могут работать вместе для получения более детального пониманияособенностей процессов сворачивания.В частности, сейчас интенсивно исследуется связь между ходом процесса сворачивания и множественностью состояний сворачивающихся белковв клеточной системе, что приводит к возможности и необходимости рассматривать более сложные картины сворачивания, включающие не тольковнутри-, но и межмолекулярные взаимодействия, типа взаимодействия зародышей сворачивания с шаперонами или другими белками, дНк и рНк. Понимание явления самоорганизации белка — это гораздо больше,чем вызов таланту и интеллекту исследователей. самоорганизация или,как говорят, сворачивание белка представляет собой мост между законамифизики и результатами эволюционного отбора, составляющего сущностьбиологических процессов.
В течение долгих лет мы могли обсуждать этотвопрос только в очень общих терминах, подчеркивая биологическую важность такого сложного физического процесса. теперь мы начинаем понимать,что сворачивание — это физический процесс, происходящий только в системах, которые были биологически отобраны (вспомните «энергетическующель») именно для того, чтобы обеспечить эффективное прохождениеэтого процесса.Физика белка основывается на двух фундаментальных экспериментальных фактах: 1) что белковые цепи (по крайней мере, не слишком длинныеи не слишком модифицированные против биосинтеза) способны спонтанно формировать свою трехмерную нативную структуру в подходящемокружении, и 2) что нативные состояния белков отделены от их развернутого состояния термодинамическим переходом типа «все-или-ничего».Последнее, в частности, обеспечивает надежность функционирования белков и минимальное содержание частично свернутых и потому склонныхк агрегации молекул.Все, о чем уже рассказывалось на этих лекциях, наводит на мысль,что, по-видимому, биологическая эволюция отбирает только те последовательности, которые способны сворачиваться в хорошо определенныетрехмерные нативные структуры.
дело в том, что именно это определяетстабильность выполнения белком своей функции. А для этого нужныцепи, у которых энергия одной из структур существенно ниже, чем энергия у альтернативных укладок цепи. И именно цепи с такими последо-311вательностями способны к переходу типа «все-или-ничего» при сворачивании и разворачивании. Усиленная стабильность нативных структур,по-видимому, связана с плотной упаковкой цепи в глобулу (хотя покаеще не вполне ясно, какие конкретные требования накладывает на белковые цепи их способность к плотной упаковке). Примечательно, что «отобранные» по этому признаку цепи удовлетворяют требованию укладкив стабильную пространственную структуру одновременно с требованиемсворачиваться быстро. Эта последняя способность, по-видимому, помогает еще не полностью свернутым полипептидным цепям избежать конкурирующих процессов межмолекулярной агрегации.
способность стабильныхструктур сворачиваться быстро решает давно отмеченное противоречиемежду кинетическим (по способу осуществления) и термодинамическим(по результату) выбором нативной структуры.Последовательности глобулярных белков выглядят довольно «случайно», а их вторичная и третичная структура, как мы видели, несет многочерт, типичных для всех более или менее стабильных укладок случайныхсополимеров. Однако способность полипептидных цепей белков к быстрому и воспроизводимому сворачиванию в определенную пространственнуюструктуру никак не является характерной для случайных последовательностей. Основной чертой «белковоподобных» аминокислотных последовательностей, чертой, определяющей все их физические свойства, являетсяповышенная стабильность нативной структуры этих последовательностей,т.
е. существование большой щели между энергией нативной структурыи минимальной энергией неверно свернутых глобулярных структур. размер этой щели в реальных белках пока не определен; однако существующие оценки показывают, что для «белковоподобного» поведения обычногодомена (из 100–200 аминокислотных остатков) достаточно относительнонебольшой щели, в 10–20 ккал / моль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
