А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 67

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

Текст из файла (страница 67)

И уже довольно ясно, что необходимое повышение стабильности нативной структуры может начинаться с совсем малой, случайно образовавшейся щели и вестись путем постепенногоэволюционного отбора подходящих для стабильного (а потому стабильноработающего) белка точечных мутаций. сворачивание белков — это, наверное, самый простой пример биологического морфогенеза, который может происходить только в системе,эволюционно отобранной для того, чтобы позволить ему совершаться.тем не менее, сворачивание белков имеет все физические характеристики,типичные для сложного процесса, подчиняющимся законам статистическоймеханики.

В частности, сворачивание глобулярных белков включает в себянуклеацию, которая вообще типична для термодинамических переходовтипа «все-или-ничего», т. е. для фазовых переходов первого рода. Путь312сворачивания белка, по-видимому, не уникален (и положение ядра сворачивания в белковой глобуле — тоже). Наблюдаемое порой у мутантныхбелков изменение ядер и интермедиатов сворачивания (при сохранении нативной структуры белков) показывает, что пути самоорганизации находятсяпод менее строгим контролем селекции, чем нативная пространственнаяструктура белка: ведь разные пути могут вести к одной цели, хоть и с несколько разной скоростью.

[Правда, в малой скорости сворачивания можеткрыться опасность: как показали к. добсон и Л. Морозова-роше, «недосвернутые» и «расплавленные» белки склонны к агрегации, занимающейпорой (в отсутствие охраны со стороны шаперонов!) всего миллисекундыи конкурирующей с «правильным» сворачиванием белка, или к образованию амилоидных фибрилл — а все это может вести к «конформационнымболезням», о которых уже говорилось.] сворачивание белка возникаеткак результат статистической флуктуации в структуре его развернутойцепи, которая (при «физиологической» температуре, рН и т. д.) приводитк переходу цепи в нативное состояние, т. е.

в структуру с наиболее низкойэнергией. таким способом единственная, точно определенная структурабелка возникает при сворачивании его цепи из статистического ансамбляразвернутых или частично свернутых цепей. Все сказанное выше еще раз подчеркивает как связь между структуройбелка, его способностью к самоорганизации, его стабильностью, так и рольэволюционного отбора в формировании и поддержке этих свойств белка.Легко представить себе (но куда труднее доказать), что, зацепившисьза случайно немного пониженную энергию одной из структур полипептида, считанного со «случайного» куска дНк (причем структуры, способной,пусть очень плохо, но все же делать что-то хорошее для клетки), — эволюционное давление привело, путем мутаций и отбора все лучше и лучшесворачивающихся цепей, к возникновению последовательности, обладающей этим редким свойством — свойством спонтанной самоорганизации,и что оно же позволило развиться специфической функции этого «протобелка» (причем развиться способом, чувствительным к контролю обратныхсвязей в сложном и переполненном разными молекулами клеточном окружении).Впрочем, такой способ возникновения новых белков — из случайныхпоследовательностей — не играл, видимо, уже сколько-нибудь заметнойроли на наблюдаемых (т.

е. не самых ранних) этапах биологической эволюции. сейчас все «новые» белки имеют своих «предков». как уже говорилось, считается, что сейчас в основе возникновения новых белков лежатдва механизма. Это, во-первых, дупликация гена «старого» белка, котораяпозволяет одному гену, практически не меняясь, поддерживать «старую»313функцию, а другому — спокойно мутировать, дрейфуя (при помощи селекции) к измененной, «новой» функции. Во-вторых, это — объединениеотдельных белков в многодоменные белки, способные осуществлять болеесложные реакции и поддающиеся более тонкому (из-за физического взаимодействия доменов) регулированию. Отмечу, что многодоменная структура особенно характерна для многоклеточных, высших (по сравнениюс бактериями и одноклеточными эукариотами) организмов.Однако возникновение новых белков путем дупликации и рекомбинации генов и их (белков) естественный отбор на полезность в организменикак не отменяет того, что некоторые («бездефектные») белковые архитектуры, стабильность (а значит, и способность к самоорганизации) которых совместима с бόльшим разнообразием кодирующих их последовательностей, предоставляют эволюции и отбору гораздо бoльший простор,чем другие («дефектные») белковые архитектуры.

конечно, естественный отбор может способствовать появлению даже самой маловероятнойархитектуры белка — если только именно она нужна для какой-то его(белка) полезной (для организма) функции. Ведь способствовал же отборпоявлению таких маловероятных структур, как глаз или мозг… Однако,как мы увидим, функция белка, во всяком случае — водорастворимогоглобулярного белка, обычно весьма слабо связана с его общей архитектурой. Поэтому не столь удивительно (хоть и весьма примечательно) то,что структуры таких белков обычно похожи на те, получение которыхможно было бы ожидать при выборке стабильных укладок случайных сополимеров аминокислот, т. е. то, что «принцип множественности», по всейвидимости, действует и на современном этапе биологической эволюциибелковых структур.314ПрЕдскАЗАНИЕ И дИЗАЙН БЕЛкОВЫХ стрУктУрЛекция 22Потребность в предсказании структур белков по их аминокислотным последовательностям.

«Опознавание» белковых структури функций по гомологии последовательностей. Профили первичныхструктур семейств белков. ключевые районы и функциональныесайты белковых структур. Выделение стабильных пространственных структур белковой цепи. «Шаблоны» белковых структур. Мывсегда вынуждены судить о предсказываемой структуре белка только по части взаимодействий, действующих в его цепи. результат: вероятностные предсказания.

Взаимодействия, стабилизующие и разрушающие вторичную структуру полипептидов. расчет вторичныхструктур не-глобулярных полипептидов. Предсказание вторичнойструктуры белков.с тех пор как стало понятно, что аминокислотная последовательностьбелковой цепи определяет ее пространственную структуру, возникла проблема предсказания этой структуры по последовательности аминокислотных остатков в белковой цепи.Чем вызвана потребность в предсказании белковых структур, кромечисто интеллектуального интереса: удастся это сделать или нет? тем,что экспериментально пространственную структуру белка определитькуда труднее, чем его аминокислотную последовательность. А потоквновь полученных последовательностей все возрастает — в ходе выполнения проектов по расшифровке полных геномов разных организмов,от бактерий до человека, они появляются сотнями ежедневно.

Понимание же механизма действия белка, подбор искусственных ингибиторовили активаторов к нему, и часто даже просто определение того, чем онзанимается в клетке, настоятельно требуют знания его пространственной структуры…315И, конечно же, интерес к предсказанию пространственных структурбелков подогревается воспоминанием о том, какое решающее значениеимело предсказание строения двойной спирали дНк для понимания всегогенетического механизма. сейчас известно уже порядка сотни тысяч белковых последовательностей. Но «всего» для нескольких тысяч из них определены (рентгеномили ЯМр) их пространственные структуры.

При этом многие из недавноопределенных последовательностей просто считаны с дНк или рНк, т. е.никто не определил на опыте, чем занимаются сделанные из них белки (и,если речь идет о последовательностях, считанных с дНк, экспрессируются ли такие белки в клетке вообще…).Что же можно сказать о трехмерных структурах тех последовательностей (я их буду называть «новыми»), для которых эксперимент (рентгенили ЯМр) еще не сказал своего слова? Прежде всего возникает мысль о предсказании трехмерной структуры«новой» последовательности на основании родственного сходства или,как говорят, «гомологии» ее первичной структуры с какими-то из «старых»последовательностей, пространственное строение коих уже расшифровано.Опыт показывает, что даже не очень сильного сходства последовательностей достаточно для очень хорошего сходства пространственных структур: часто говорят, что пространственная структура более консервативна,чем аминокислотная последовательность (или что код, определяющийпространственную структуру белка по первичной, вырожден).Установление гомологии последовательностей — действительно, оченьмощный метод выяснения сходства структур и функций (причем не толькобелков, а и фрагментов дНк, и рНк, но я буду говорить о белках).Может быть, стоит упомянуть, что термин «гомология последовательностей»не вполне однозначен.

Один пример. Предположим, что после инициирующегокодона белка в ген встраивается еще один нуклеотид. старая и новая дНк (и рНк)будут почти тождественны, их опознают как «гомологи» (что правильно, в строгомсмысле: у них общее происхождение). В то же время, старая и новая аминокислотные последовательности, из-за сдвига рамки считывания, — совсем разные, междуними не углядишь никакой «гомологии» (что, строго говоря, неверно: их происхождение — общее; однако это заключение верно в смысле, что пространственныеструктуры старого и нового белка ни в чем не сходны).Ниже я употребляю термин «гомология» в узком смысле сходства аминокислотных последовательностей, так как наша цель — найти сходство пространственных структур.Установление гомологии и, далее, сходства пространственных структурне представляет труда только для достаточно близких, как на рис. 22-1, последовательностей.316Рис.

Характеристики

Список файлов лекций