Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Последние и должны были служить эмпирическими параметрами для количественной характеристики межостаточных взаимодействий. По ряду причин, прежде всего из-за недостаточного для корректной статистической обработки объема опытных данных, метод оказался неэффективным. Более строго к решению той же задачи подошли С.Г. Галактионов и М.А. Родионов 1202 — 2041. Опробование модельного представления и разработанного ими алгоритмического решения было осуществлено на одном объекте — молекуле БПТИ. При качественном сравнении матриц остаток-остаточных контактов расчетной и рентгеновской структур обнаруживаются некоторые общие черты: наличие р-структурного сегмента 14 — 38 и сближенносгь Х- и С-концевых фрагментов.
В то же время в теоретической структуре не воспроизводится а-спиральный сегмент 48 — 5б н имеются изломы цепи и перекрывания участков ближнего порядка, отсутствующие в реальной структуре. Авторы следующим образом оценивают полученные ими результаты: "Процедура восстановления пространственной структуры молекулы по матрице остаток-остаточных контактов в том виде, в котором оиа использована в настоящей работе, весьма чувствительна к малейшим изменениям структуры матрицы. Вполне возможны ситуации, когда паре матриц, совпадающих даже на 95%, окажутся сопоставленными заметно различающиеся структуры. Поэтому совершенно необходимым условием дальнейшего совершенствования обсуждаемого подхода яв- 295 ляется реализация решения задачи построения структуры по заданной матрице с помощью алгоритмов конформационного анализа в попарно аддитнвном приближении" 1203.
С. 390). Бусиничные модели белков Левитта и Уоршела, Кунтца и соавторов, как и другие упрощенные представления с привлечением разного рода эмпирических корреляций, в большей мере предназначались для воссоздания трехмерной структуры белковых молекул, чем для исследования на их основе механизма самоорганизации природной аминокислотной последовательности, Предложенная в 1978 г. Н. Го и Г. Такетоми [205] так называемая решетчатая модель белка, напротив, совсем не предназначалась для предсказания пространственной структуры белковой молекулы, а была специально разработана для изучения особенностей равновесного двухфазного процесса свертывания и развертывания полипептидной цепи. Абстрагирование от геометрии и силового поля реальной аминокислотной последовательности здесь идет еще дальше. Белок представляется в виде плоского, а в более поздних работах — объемного решетчатого полимера, стабилизированного тремя видами взаимодействий.
В отношении этих взаимодействий все условно — как их качественная, так и количественная характеристики. Остается неясным даже принцип разделения взаимодействий. Первые два вида можно отнести к внутриостаточным и межостаточным взаимодействиям. Следовательно, критерием разделения в данном случае служит не природа контакта, а его место в цепи. Однако такой критерий не отвечает третьему виду взаимодействий — гидрофобному, определяемому сложными взаимоотношениями белковой цепи с водным окружением.
Функции, приписываемые этим взаимодействиям, задаются, исходя из нативной конформации белка, которая считается неизвестной. В случае плоского варианта задачи предполагалось, что гипотетическая белковая цепь состоит из 49мономерных единиц н ее нативная "глобулярная" структура свертывается в квадрате 7 х 7. Каждая 1-я единица цепи характеризуется, во-первых, связевым углом между векторами, соединяющими три узла решетки (1 — 1 с й 1 с 1+ 1), н, во-вторых, ближайшим окружением. Связевый угол может принимать значения О, +90 и — 90'.
Энергия ближних взаимодействий произвольной конформации решетчатой модели белка выражается суммой энергий связевых углов. У кажого угла энергия отлична от нуля и считается равной -е' в том случае, если ои соответствует связевому углу в решетчатой интерпретации нативной конформации. Таким образом, учитываемые в расчете ближние взаимодействия предпочтительно стабилизируют натнвиую структуру белка. Дальние взаимодействия делятся на специфические, отвечающие контактам между ближайшими соседями в исходной конформации, и неспецифические.
Энергия первых меньше на а (как и — а', одинаковую во всех случаях) энергии вторых. Следовательно, в отношении дальних и ближних взаимодействий нативиая структура белка считается самой предпочтительной. 296 Для учета гидрофобных взаимодействий Го и Такетоми разделили все узлы решетки на полярные и неполярные и представили белковую глобулу в виде конгломерата, состоящего из гидрофобного ядра и гидрофильной оболочки. Полярными остатками считались 24 единицы, находящиеся на "поверхности" 7 х 7 "глобулярной" нативной конформации, а оставшиеся 25 единиц внутри квадрата — неполярными.
Предполагалось, что конформационная энергия понижается, если ближайшими соседями оказываются иеполярные единицы, при этом не обязательно, чтобы они находились точно в таком же положении, как в нативной структуре белка. Поэтому гидрофобные взаимодействия не относятся к специфическим. Конформационные изменения решетчатой модели производились методом Монте-Карло с различными относительными весами дальних и ближних взаимодействий и с вариацией соотношения между их специфическими и неспецифяческими составляющими.
Полученные результаты позволили авторам сделать следующие выводы общего характера. Во-первых, решетчатая модель описывает равновесный переход свертывания и развертывания цепи как типичный двухфазный процесс (и, следовательно, как полагают авторы, модель отвечает поведению реального белка) только при определенном соотношении между специфическими дальними взаимодействиями, с одной стороны, и всеми другими взаимодействиями — с другой. Во-вторых, скорость процесса свертывания и развертывания цепи существенно зависит от соотношения специфических и неспецифических взаимодействий. Специфические взаимодействия способствуют образованию у модели нативноподобных областей (локальных структур), объединение которых в конечном счете приводит к исходной конформации белковой молекулы.
Неспецифические взаимодействия ведут к созданию у модели менее стабильных, флуктуирующих состояний. Решетчатая модель представляет свертывание белковой цепи в натнвную конформацию как процесс инициации и постоянного увеличения популяции натив- но подобных локальных структур относительно популяций мигрирующих и распадающихся состояний структур развернутой цепи.При увеличенпи влияния неспецифических взаимодействий модель вырождается в статистический клубок, а прн переоценке влияния специфических ближних взаимодействий — в одномерную систему. В- третьих, согласованность специфических ближних и дальних взаимодействий увеличивает скорость свертывания полипептидной цепи и делает формирование нативной конформации белка кооперативным процессом.
В последующей работе Н. Го и Г. Абе [206] была детально рассмотрена статистико-механическая модель локальных структур, идея которой уже прослеживалась в изложенном выше исследовании Го и Такетоми [205]. Под локальной структурой понимается конформация участка полипептидной цепи, которая образуется на определенной стадии процесса свертывания и которая без существенных изменений входит в натнвную трехмерную структуру белка. В отличие от общепринятого представления о том, что прн свертывании полипептидной 297 цепи прежде всего образуются вторичные структуры, составляющие основное содержание процесса и инициирующие всю последующую сборку белковой глобулы, Го и Абе априори не отдают предпочтения нн одной локальной структуре, регулярной илн нерегулярной.
Важность а-спиралей, р-складчатых листов, изгибов цепи и других образований оценивается их статистическими весами и статистикомеханическим поведением всей белковой молекулы с помощью парциальной функции. В этой функции не учтен вклад стабилизирующих контактов между локальными структурами на отдельных участках цепи. Отсюда и название анализируемого представления о процессе белкового свертывания как модели невзаимодейсгвующих локальных структур. Модель Го и Абе, по существу, аналогична бусиничной модели без подвесок Куитца и совет.
П551, только в данном случае белковая цепь представляется не в виде отдельных аминокислотных остатков, аппроксимнрованных жесткими сферами, а в виде целых конформационно жестких структурных образований, каждое из которых включает непрерывный участок аминокнслотной последовательности. Предположение об отсутствии взаимодействий между ними позволяет точно рассчитывать парциальную функцию модели.
Но даже в этом случае непременными условиями являются, во-первых, знание нативной конформации, во-вторых, однодоменная глобулярная структура белка и, в-третьих, равновесность и двухфазность процесса свертывания и развертывания белковой цепи. Модель наверняка становится несостоятельной, если по ходу сборки образуются локальные структуры, отсутствующие в нативной конформации белка. Одно нз наиболее существенных отличий процесса свертывания и развертывания белковой цепи от перехода спираль — клубок синтетического полимера связано с дальними взаимодействиями, обусловливающими в значительной мере глобулярную форму нативных конформаций белков.
Согласно Го [207), свободная энергия глобулы по отношению к энергии полностью развернутого состояния может быть выражена суммой двух членов, пропорциональных объему и площади поверхности глобулы. При одном и том же объеме энергия системы будет минимальной в случае реализации пространственного строения белка в форме одной глобулы. Это обстоятельство послужило основанием для создания Го однодоменной глобулярной модели свертывания белковой цепи. Согласно этой модели, аминокислотная последовательность на любой стадии структурирования состоит из двух частей — глобулы и клубка, а сборка белка заключается в последовательном переходе остатков из беспорядочной, флуктуирующей области в упорядоченную, конформационио жесткую обласп,.
При таком моделировании, как н прн использовании решетчатой модели белка Го н Такетоми, свертывание полипептидной цепи может происходить лишь по единственному механизму двухфазного процесса. М. Канехиса и Т. Тсонг ~2081 разработали так называемую кластерную модель равновесного свертывания белковой цепи, представ- 298 ,ипощую, в отличие от однодоменной глобулярной модели, возможность существования в рамках двухфазного процесса различных путей формирования локальных структур (кластеров). Полипептидную цепь авторы рассматривают в виде альтернирующей последовательности беспорядочных н упорядоченных областей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
