Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 63
Текст из файла (страница 63)
С. Венкатачалам ранее показал, что поворот цепи на 180' может происходить на участке из четырех остатков с определенными комбинациями форм их основных цепей [7б]. Позднее Е.М. Поповым и сотрудниками была получена энергетическая оценка всех возможных конформационных состояний двух центральных остатков тетрапептнда, обеспечивающих такой поворот цепи [77], П.
Льюис и Г. Шерага рассмотрслн аминокислотный состав тстрапептидов в трех белках известной структуры н отметили повышенную тенденцию находиться в 8-изгибах у остатков Бег, ТЬг, Азп, Азр, 01п, Рго, Тгр и Туг (74]. Поворотные сегменты являются менее гидрофобнымн, чем белок в целом. Вначале авторы полагали, что в образовании изгибов, как н в случае регулярных структур, важное значение имеют лишь ближние взаимодействия. Это послужило основой определения вероятности локализации каждого остатка в одном из четырех мест р-изгиба независимо от соседей.
Вероятность появления изгиба определялась как произведение индивидуальных вероятностей четырех остатков, найденных с помощью статистического анализа. В дальнейшем при рассмотрении амннокнслотного состава 135 ]з-изгибов в структурах восьми белков к остаткам, имеющим наибольшую склонность образовывать повороты цепи, Льюис и Шерага отнесли Яег, Тпг, Азр и Азп [78].
На основе расчета трех тетрапептидов в различных конформационных состояниях, имеющих изгибы, они пришли к заключению, что в местах поворота цели остатки не ведут себя независимо. Их конформации взаимообусловлены и, кроме того, подвержены влиянию 249 дальних взаимодействий. А если это так, то, по мнению авторов, нельзя, исходя из статистического анализа, выработать правила предсказания из-за огромного разнообразия тетрапептидных последовательностей 20 аминокислотных остатков и болыпого числа конформационных вариантов, которые могут приводить к поворотам белковой цепи.
Выход авторы видят в теоретическом анализе. Механизм самоорганизации белковых молекул, аналогичный предложенному Льюисом и сотрудниками, был в чисто описательном плане позднее рассмотрен также О.Б. Птицыным [79~. До этого изучение кинетики обратимой денатурации ряда белков К.
Анфинсеном, К. Тэнфордом, Д. Кошландом и другими привело к заключению, что укладка полностью развернутой пептидной цепи в глобулярную структуру начинается с образования на отдельных участках цепи конформационно жестких нуклеаций и без существенных изменений входит в нативную структуру. Придерживаясь такого механизма, Птицын, как и ранее Льюис и Шерага, полагает, что зародышевыми конформациями являются спиральные н вытянутые вторичные структуры.
Стабилизация отдельных регулярных структур на ранней стадии самоорганизации определяется главным образом индивидуальными свойствами аминокислот, а стабилизация объединенных вторичных структур на последующей стадии — взаимодействием соответствующим образом расположенных полярных и неполярных остатков. В то же время в противоположность этому утверждению О.Б.
Птицын подчеркивает, что конформационная устойчивость каждого участка цепи в свернутой форме молекулы обусловлена силами его взаимодействия с гидрофобным ядром и молекулами воды. "По сравнению с этими мощными силами, — пишет О.Б. Птицын, — небольшие различия между спиралеобразующнми и спираленеобразующими остатками практически полностью теряют свое значение. В результате локализация спиральных участков в компактной глобуле определяется не сгущениями спиралеобразующих аминокислот, а тем, может ли та нлн иная аминокислотная последовательность, будучи закручена в спиральную структуру, встроиться в глобулу" ~79. С.
б61, Помимо того, что это предположение противоречит другим, сделанным автором в той же статье, оно ставит под сомнение не только большую роль ближних взаимодействий в образовании вторичных структур, что утверждалось ранее, но, что более существенно, и саму возможность предсказывать структуры с помощью статистического анализа. Если регулярные конформации являются действительно результатом дальних взаимодействий, которые практически нивелируют спиралеобразующие и спираленеобразующие потенции остатков (иными словами, теперь уже третичная структура создает набор вторичных), то, очевидно, теряется смысл в статистическом поиске корреляций между последовательностью аминокислот и трехмерной структурой. Именно такую точку зрения высказали Н.Г.
Есипова и В.Г. Туманян в 1972 г. ~80!. Авторы считают, что все попытки установить прямую связь между аминокислотной последовательностью и вторичной структурой обречены на неудачу, так как они не могут привести к 250 пониманию принципов формирования глобулы, во-лервых, поскольку регулярные конформации не являются доминирующими в молекулах большинства белков, а во-вторых, вследствие их зависимости от третичной сгруктуры. Н.Г.
Есипова н В.Г. Туманян предложили модель пространственной структуры белка как системы из относительно прямых сегментов с узловыми точками перегибов между ними. Повороты полипептидной цепи трактуются как гибкие шарниры или жесткие участки, меняющие за счет взаимодействий входящих в них остатков направления цепи. Оба подхода основаны на статистическом анализе известных нативных конформаций и принципиально не отличаются друг от друга. Развивая представление о важности индивидуальных вкладов остатков в формирование а-спиралей, Льюис и Шерага предложили использовать для их количественной оценки термодинамические параметры з и о феноменологической теории переходов спираль — клубок синтетических полимеров Б.
Зимма и Дж. Брэгга. Параметр з представляет собой константу равновесия перехода мономерного звена нз неупорядоченной клубковой формы (с) в упорядоченное а-спиральное состояние (и), которое включает по крайней мере три предшествующих остатка; иными словами, параметр ь описывает переход ...Ь, Ь, Ь, с... -э ...Ь, Ь, Ь, Ь.... Параметр о является константой равновесия перехода мономерного звена из состояния с, которому предшествуют три гиля более) звена в этой же форме, в состояние йк ...с, с, с, с... -~ ...с, с, с, Ь.... Состояние и более выгодно энергетически, а состояние з более предпочтительно по энтропии.
Поэтому свободная энергия таких состояний различным образом меняется в зависимости от внешних условий. Теория перехода спираль-клубок базируется на одномерной модели Изинга, которая неприменима непосредственно к трехмерной структуре белка, но может быть использована для описания его денатурированного состояния при отсутствии взаимодействий между остатками. П. Льюис и Г. Шерага впервые предложили рассчитывать профили вероятности спирального содержания развернутой белковой цепи с помощью параметров а и а, найденных экспериментально из кривых плавления переходов спираль — клубок синтетических полипептидов ~74).
Они полагали, что поиск корреляции между рассчитанными таким образом профилями вероятности содержания а-спиралей для денатурированных белков и экспериментально наблюдаемыми а-спиральными областями в нативной структуре окажется более перспективным по сравнению с попытками установить связь с помощью статистического анализа между аминокислотной последовательностью и вторичными структурами, а также между последними и третичной структурой. Предполагается следующая схема свертывания белковой цепи в глобулу.
Первоначально на некоторых участках полностью развернутой белковой цепи возникают а-спирали. Регулярное свертывание цепи происходит не за счет кооперативных взаимодействий остатков, а в соответствии с потенцией отдельных аминокислот. Далее, флуктуация цепи в разделяющих спирали обласзях, специфика которых, согласно 251 Льюису и Шераге, также определяется индивидуальными свойствами остатков, приводит к возникновению 8-изгибов и реализапии взаимодействий между спиралями, что в конечном счете вызывает их схлопывание. Регулярные структуры, возникающие на ранней стадии ренатурации, переходят с изменением или без существенных изменений в третичную структуру.
Все аминокислоты были разделены на три группы, которым приписаны значения а = 0,385 (спиралеразрушающие остатки 01у, Рго, Бег, Аап), з = 1,00 (индифферентные — Рпе, Туг, 1.уа, Агй, Суа, Азр) и з = 1,05 (спиралеобразующие); значение о во всех случаях считалось неизменным. Были построены профили вероятности спирального содержания для 11 белков, которые затем сопоставлены с наблюдаемыми структурами. Полученное совпадение нельзя назвать удовлетворительным.
Например, у папаина (211 остатков) в спиральные конформации входят 44 остатка; правильно предсказаны 33, неправильно — 70. У рибонуклеазы А (124 остатка) в а-спиралях содержится 24 остатка; правильно предсказано 18, неправильно — Зб. Подобная картина имеет место и у других белков. Осгатки, не включенные в спирали, были отнесены к клубковому состоянию, т.е., по существу, остались неидентифицированными.
Позднее А.И. Денисюк, О.Б. Птицын и А.В. Финкельштейн использовали для расчета вероятности спирального содержания белков подход Льюиса и Шераги, основанный на учете индивидуальных конформационных свойств аминокислотных остатков с помощью параметров з и о теории Зимма и Брзгга и одномерной модели Изинга (811. В данном случае аминокислоты были разбиты не на три группы, а на шесть. Остаткам, отнесенным к спиралеобразующим (О)п, Ьеп, Р)ге, 11е, Мед Уа!, Ьуз, А1а, Н(а, Агй), приписаны значения з от 1,3 до 1,1, спиралеразрушающим (Бег, Тпг, Аар, Аап, Туг, О1у, Рго, Суз) — а = 0,75- О,б и индифферентным (О(п, Тгр) — а = 1,О.
Вычисленные профили вероятности спирального состояния аминокислотных последовательностей сравнимы с профилями известных структур. В некоторых случаях предсказанные максимумы качественно согласуются с наблюдаемыми спиральными участками в глобуле; в других, а их большинство (конканавалин, рубредоксин, трипсиновый ингибитор, химотрипсин, эластаза, трипсиноген), даже качественного согласия нет.
Авторы предполагают, что дальние взаимодействия фиксируют те спиральные участки, для которых гипотеза о большой роли ближних взаимодействий в образовании спиральных структур белков предсказывает максимальную вероятность реализации а-спирали. Следовательно, допускается наличие согласованности в третичной структуре ближних и дальних взаимодействий. Однако считается, что это не имеет решающего значения в стабилизации нативного положения спиральных участков, локализация которых определяется в основном дальними взаимодействиями, как наиболее специфическими. Тем не менее, вступая в некоторое противоречие с подобным заключением, а также с наиболее ранними высказываниями, авторы делают вывод, что согласованность ближних и дальних взаимодействий 252 может играть определяющую роль в самоорганизации нативной структуры [79).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
