Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Работы Фишера, Тэнфорда и Брандтса имеют феноменологический характер и основываются на представлении об определяющей роли гидрофобных взаимодействий. Однако подобный подход исключает рассмотрение структур конкретных белков и не содержит анализа многих других факторов, ответственных за пространственную организацию молекул. 24! Гидрофобные взаимодействия, являющиеся по своей природе энтропийным эффектом, не приводят к возникновению каких-либо новых, дополнительных снл, н поэтому выражение "гндрофобные силы" лишено физического смысла.
Такие взаимодействия возникают из-за водного окружения молекулы белка и из-за специфической структуры воды. Для полярных н неполярных групп белка гндрофобные взаимодейсгвия играют ориентирующую роль; следствием их является образование наиболее предпочтительных внутри- и межмолекулярных контактов между родственными по своей природе группами. Сами же контакты и их эффективности описываются обычными ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, электростатикой и водородными связями с учетом влияния среды.
Водное окружение может способствовать образованию ионных пар или соленых связей, так как прн этом освобождается часть ориентированных молекул воды, окружавших зарюкснные группы, и, следовательно, увеличивается энтропия воды. Показано 141, что в ряде случаев выигрыш энтропии оказывается более значителен, чем ослабление энергии кулоновских взаимодействий зарядов в водном окружении. При добавлении неводных растворителей соленые связи в отличие от гидрофобных взаимодействий усиливаются.
Подводя итог развитию представлений о стабильности белковой молекулы в 1950-1960-е годы, следует прежде всего отметить некоторый от.од от господствующей прежде концепции о пептидной водородной связи как решающего нли даже единственного фактора, ответственного за структуру белка. Полученный в этот период большой экспериментальный материал по структуре глобулярных и фибриллярных белков и синтетических полипептидов не мог быть объяснен только на основе такой концепции. Опытные данные свидетельствовали о чрезвычайной чувствительности конформации псптидного остова к природе остатков, их последовательности, растворителю, температуре, значению рН, длине цепи н т.д.
Более того, был получен целый ряд факторов, прямо противоречащих концепции об определяющей роли пептидных водородных связей. Например, обнаружено, что слабополярные органические растворители являются сильными денатурирующими агентами. Между тем, они значительно меныпе ослабляют пептидную водородную связь, чем вода, н, следовательно, с позиции указанной концепции можно было бы ожидать увеличения стабильности нативной конформации, а не ее разрушения, как это имеет место. При трактовке опытных данных все больше начинает подчеркиваться роль взаимодействий белковых цепей друг с другом и с пептидным остовом, взаимодействий белка с молекулами окружающей среды.
Становится очевидным, что зти взаимодействия ие ограничиваются только водородными связями, а их природа более разнообразна. В создание глобулы вносят вклад и дисперсионное притяжение, ионные пары, электростатические взаимодействия, п-взаимодействия ароматических остатков, водородные связи боковых цепей. Существенны здесь не только энергетические факторы, но н энтропийные. Разрабаты- 242 вается концепция гидрофобиых взаимодействий, которым, как в свое время пептидным водородным связям, начинают придавать фундаментальное значение.
Новые экспериментальные факты, полученные при расшифровке трехмерных структур миоглобина, гемоглобина и лизоцима, свидетельствовали о том, что пространственное строение белков определяется комплексом многих взаимодействий. Однако ввиду сложности проблемы анализ факторов, стабилизирующих структуры белков, носит еще чисто описатепьный характер или производится на основе упрощенных моделей, отражающих лишь отдельные, взятые изопированно виды взаимодействий.
По-прежнему предполагается, что "...макромолекулы белков свертываются в спиральную вторичную структуру вследствие образования огромного чиспа внутримолекупярных водородных связей, а спиральные участки изгибаются и складываются в компактную третичную структуру, определяемую тонким балансом различных молекулярных сил сцепления и отталкивания" ~34. С. 101.
И еще одна дополняющая это расхожее представление характеристика пространственной организации белка: "Третичная структура глобулярных белков представляет собой топологически сложную упаковку а- спиральных областей, соединенных аморфными областями полипептидной цепи" ~34. С. 331. Что касается гидрофобных взаимодействий, о которых еще придется говорить, то следует отметить, что многочиспенныс исследования в течение последних десятилетий не привели к заметному прогрессу как в понимании этого явления, так и его использовании для решения прикладных задач [бО~. Концепция Козмана и по сей день остается чисто феноменологической. На ее основе так и не удалось создать количественной теории, которая хотя бы в малой степени обладала предсказательной силой в оценке роли гидрофобного эффекта в структурной организации молекул белка.
Глава 8 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР БЕЛКОВ В большинстве работ эмпирические правила выводятся путем статистического анализа белков известного пространственного строения. В ряде других исследований привлекаются также термодинамические функции перехода спираль-клубок синтетических полипептидов, используются атомные модели, стереохимические правила и данные различных физико-химических методов; есть работы, в которых эмпирический подход сочетается с расчетом упрощенных моделей белковой цепи.
Таким образом, методологической основой рассматриваемого круга исследований служат сгатистический анализ, стсреохимия и равновесная термодинамика. 243 В этой главе в хронологическом порядке рассмотрены исследования эмпирического подхода, в которых пытаются предсказывать вторичные структуры по аминокислотной последовательности и выработать правила свертывания белковой цепи на локальных участках.
8.1. АЛГОРИТМЫ ПРЕДСКАЗАНИЯ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР Впервые А. Гуццо в 1965 г. использовал для предсказания конформационных состояний аминокислотных остатков статистический анализ из распределения в спиральных и неспиральных областях миоглобина и а- и [1-цепей гемоглобина [61). Выполненная им классификация остатков на стабилизирующие и дестабилизирующие а- спирали противоречила конформационной гипотезе Блоута и соавт. [62]. И. Протеро [63), используя также статистический подход, но на большем экспериментальном материале, показал, что правило Гуццо приводит к ошибочным выводам для ряда белков, и сформулировал свои критерии образования спиральных сегментов.
Б, Хэвстнн [64] рассмотрел корреляцию между аминокислотным составом и степенью спиральности у 40 белков, определенной по параметру Ье в уравнении Моффита-Янга. Полученные данные согласовывались с гипотезой Блоута и предположением Кендрью о разрушающем влиянии на а-спираль остатков Бег и ТЬг, хотя четкой зависимости обнаружено не было.
Б. Хэвстин высказал предположение о том, что генетический код задает нативную конформацию белка, т.е. компоновку третичной структуры из вторичных, регулярных форм, путем локализации в последовательности остатков Яег и ТЬг, а также Рго и Сух для прерывания а-спирали. П. Перитти и соавт. [65) проанализировали частоту появления в спиральных н неспиральных областях миоглобина пар остатков, разделенных О, 1,...,5 остатками. Интересный и новый момент в этом исследовании заключался в предположении, что влияние данного остатка на стабильность а-спирали определяется не только его собственной природой, но н характером соседних остатков в последовательности. Предсказательный алгоритм М. Шиффера и А. Эдмундсона также основан на предположении о важности взаимодействий между соседними остатками по цепи [66).
Авторы посчитали, что для стабилизации а-спирали наиболее существенна природа остатков в положениях п, пхЗ и пх4, при которых они оказываются сближенными. Впервые это было отмечено Б. Лоу и Дж. Эдсаллом [67]. М. Шиффер и А. Эдмундсон, основываясь только на данных по трем белкам (миоглобин, гемоглобин и лизоцим), показали, что находящиеся в положениях и, пхЗ и пх4 неполярные остатки группируются на одном краю спирали и тем самым обеспечивают как устойчивость самих спиральных сегментов, так и образование благоприятных межспнральных контактов путем создания гидрофобных ядер. 244 Д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
