Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Например, исследование строения мышечных волокон в свое время дало возможность объяснить сокращение мышц свойствами мнофибрилл. Сократимость мнофибрилл позднее получила свою трактовку, основывающуюся на свойствах ансамблей толстых и тонких филаментов саркомеров. Сейчас, после установления трехмерных структур актина и миозина и создания модели актомиозинового комплекса, работа мышц объясняется на уровне отдельных молекул. Окончательный итог последнего этапа развития исследований мышечной системы в трддиционном направлении может быть в лапидарной форме выражен следующей фразой; мь1шцы сокращаются потому, что так устроены молекулы белка.
Аналогичные заключения имеют все исследования, в которых свойства одних биологических объектов трактуются на основе свойств менее сложных биологических объектов. При использовании подхода "от сложного к простому" выводы имеют качественный характер и опираются на экспериментальные данные и эмпирические зависимости, как правило, недостаточные и неоднозначно трактуемые.
Примером служат рассмотренные в разделе 3.3 аспартатные протеиназы, для которых было предложено четыре различных механизма каталитического акта, в равной мере удовлетворяющих имеющийся экспериментальный материал. Поэтому предлагаемые описания процессов функционирования биосистем всегда (даже когда известны трехмерные структуры взаимодегствующих друг с другом белков с атомным разрешением) являются не только качественными, но и гипотетическими.
Если попытаться выделить самую важную роль, которую рензтеноструктурный анализ белков сыграл в эволюции биологии, то, по нашему мнению, она состоит не только в том, что с его помощью началось изучение биосистем на молекулярном уровне, без чего трудно представить становление молекулярной биологии.
Выдающиеся достижения метода здесь бесспорны. Для дальнейшего развития биологии, да и всего естествознания, по-видимому, более принципиальным явилось то обстоятельство, что рентгеноструктурный анализ впервые подвел науку о живой природе к изучению простейших биологических объектов, познание которых требует выхода за рамки биологии и привлечения более фундаментальной естественнонаучной основы. Биология, приступив к физико-химическому изучению молекулярной структуры белков и других природных веществ, нх взаимодействий и превращений в живых организмах, впервые соприкоснулась на том же элементарном уровне с физико-химическими исследованиями молеку13б лярных структур и явлений неорганического мира.
Это событие, главным участником которого был рентгеноструктурный анализ белков, имело огромное значение для естествознания, поскольку возникли условия для получения единой для всех областей знания атомно- молекулярной основы и становления цельной, обобщенной науки, изучающей с общей позиции органический и неорганический мир и их взаимоотношения. Благодаря этому проблема специфики живого и неживого может быть теперь отнесена к строго научной проблеме, решаемой на простейшем и едином для всех объектов и явлений атомно-молекулярном уровне. Итак, подход к изучению биосистем "от сложного к простому" или "от морфологии к физиологии", единственный в течение целого ряда столетий, стимулировавший и определявший направление развития биологии и приведший во второй половине ХХ в. науку о живой природе к поражающим воображение достижениям в области структуры и функции низших биосистем, к настоящему моменту, достигнув апогея, в значительной мере исчерпал свой идейный потенциал.
Из этого отнюдь не следует, что данный подход стал менее актуален; ему, синтезирующему в себе экспериментальную, эмпирическую и феноменологическую формы научного познания, не грозит отойти в прошлое. Оставаясь по-прежнему необходимым, он начинает терять свою определяющую роль в эволюции биологии, постановке и решении ее принципиально новых проблем. Все ощутимее проявляется его ограниченность, все более становится очевидно,что наличие одних только экспериментальных данных, эмпирических соотношений и феноменологических описаний, как бы многочисленны и уникальны не были первые, безупречно не выглядели вторые и убедительными не казались третьи, недостаточно для качественного продвижения вперед в познании сущности живого. При использовании только существующего подхода н, следовательно, продолжении экстенсивного развития молекулярной биологии путем накопления новых фактов и даже открытий новых явлений разрыв между знанием и пониманием будет иметь тенденцию к увеличению.
Что же требуется для дальнейшего прогресса биологии и ее перехода в следующее, более совершенное качественное состояние? Выше было отмечено, что пути развития исследований всех биосистем в принципе совпадают. Поэтому ответ на поставленный вопрос не потеряет своей значимости и общности, если будет получен при рассмотрении конкретного объекта, например, того же актомиозинового комплекса. Какую же нужно иметь дополнительную информацию (помимо морфологической) о структурах миозина, актина и других белков, чтобы не только составить гипотетическое представление о работе актомиозинового комплекса и взаимодействиях с питающими его энергией молекулами АТР и регулирующими его функционирование ионами Саз', а пойти дальше и попытаться понять, почему это происходит? Необходимы количественные данные о совершаемых конформационных и химических изменениях, их последовательности, побудительных мотивах н взаимообусловленности.
При Об известной пространственной структуре актомиозинового комплекса критерием достоверности знания может служить количественное описание механизма его действия как спонтанно протекающего периодического процесса. Главная проблема здесь заключается не столько в объеме и качестве экспериментального материала, сколько в его физико-химическом истолковании, т.е. наличии соответствующих теорий, логически и количественно связывающих между собой аминокислотную последовательность, пространственную структуру и функцию молекулы белка. Как в свое время изучение явлений неживой природы подвело к необходимости разработки теоретической физики, а позднее теоретической химии, так и теперь более глубокое проникновение в мир живого и понимание его закономерностей на самом фундаментальном уровне стали немыслимы без теоретической биологии.
Становление теоретической биологии ознаменуется появлением в науке о живой природе нового подхода, рассматриваемого в третьем и четвертом томах настоящего издания. Сейчас лишь отметим, что по своей направленности он ориентирован "от простого к сложному" и, следовательно, альтернативен существующему. Глава 4 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА БЕЛКОВ Предшествующая глава была посвящена рентгеноструктурным исследованиям белков, научная значимость и новизна которых обусловлены не столько методологическими и техническими достижениями кристаллографии, сколько важностью самих объектов анализа. В ней рассмотрены ставшие впервые известными лишь в 1990-е годы пространственные структуры молекул мембранных рецепторов, иммунных белков Т-лимфоцитов, гистонового октамерного кора нуклеосом, ДНК-топоизомеразы, аспартатных протеиназ ретровирусов и белков актомиозинового комплекса скелетных мышц, Рентгеноструктурный анализ получил широчайшее распространение и в течение более тридцати лет практически безраздельно определяет экстенсивное развитие морфологии биосистем атомно-молекулярного уровня.
К настоящему времени с его помощью расшифрованы трехмерные структуры нескольких тысяч белков, полипептидных фрагментов и макро- молекулярных комплексов. Вне сомнения, даже при сохранении сегодняшнего состояния рентгеноструктурного анализа изучение пространственного строения белков будет продолжаться в обозримом будущем с возрастающей интенсивностью как в отношении количества, так и сложности исследуемых объектов. Между тем, работы такого плана не дают полного представления о конформационных возможностях белковых молекул и не всегда приводят к объективным заключениям о механизмах их функционирования.
Однозначная интерпретация имеющегося экспериментального материала, в частности, установление обусловленности функций белков структурной организацией их молекул, непременно требует привлечения соответствующих теорий и расчетных методов. Дальнейшее качественное совершенствование представления о структурной и структурно-функциональной организации белков немыслимо без теоретической молекулярной биологии— таков принципиальный итог развития рентгеновской кристаллографии белковых молекул.
Прн обсуждении рентгеноструктурных исследований в настоящей главе акцент сделан не на конкретных объектах анализа, а на впервые использованных методологических и технических усовершенствованиях, касающихся источников излучения, продолжительности измерений, фазовой проблемы и условий проведения эксперимента, Новшества такого рода представляют особый интерес, поскольку именно они приводят к получению ранее недоступной информации и, следовательно, ведут к интенсивному развитию морфологии белков.
4.1. СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Самым существенным методологическим достижением рентгеноструктурного анализа последнего десятилетия, по-видимому, можно считать начавшееся применение в кристаллографии белков сиихротронной радиации, значительно более мощной по сравнению с излучением традиционных источников. В первый период становления рензтеноструктурного анализа, 19б0-1970-е годы, большинство трехмерных структур белков было расшифровано с использованием запаянных острофокусных трубок с медным анодом, имеющих характеристическую длину волны Х (К,) — 1,54 А и фокусное пятно примерно 8,0 х 0,4 мм. Интенсивность излучения таких трубок ограничивалась скоростью отвода тепла от анода и при малых кристаллах белков с большими элементарными ячейками не обеспечивала желаемого разрешения.
В конце 1970-х годов появились трубки с вращающимся анодом н фокусом - 2,0 х 0,2 мм. Их яркость, оцениваемая потоком фотонов коллимированного рентгеновского пучка (10э — 10ю фотонов в с), была в несколько раз выше, чем у лучших запаянных трубок, а фокусировка пучка на заметно меньшую площадь позволяла получать дифракционные картины с более высоким разрешением и меньшей экспозицией. В настоящее время рентгеновские трубки с вращающимся анодом и никелевым или графитовым фильтрами применяются в анализе повсеместно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
