Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 77
Текст из файла (страница 77)
К последним отнесены вторичные структуры, повороты цепи и гидрофобные ядра. Предположено, что их образование происходит на ранней стадии структурирования белка и обусловлено главным образом взаимодействием с окружением, которое вызывает, как и при действии поверхностно активных веществ, уменьшение свободной энергии поверхностного слоя, т.е. ослабление поверхностного натяжения. Статистический вес беспорядочной области независимо от ее размера полагается равным единице, а вес упорядоченной области из т остатков определяется произведением 5 и" (обозначения авторов), где и считается равным жзгз. Логарифм первого множителя (Б) представляет собой разницу объемной свободной энергии двух состояний (Ье), образующуюся в основном благодаря вкладам энтальпии невалентных связей в одном из них и конформационной энтропии в другом.
Логарифм второго множителя (и) определяет разность поверхностной свободной энергии (Ьо), которая уменьшается при коалесценции упорядоченных областей (т.е. при образовании кластеров) и отделении их от неупорядоченных областей. В модели Канехисы н Тсонга состояние полипептидной цепи может передаваться набором многих микроскопических конфигураций, отличающихся друг от друга положением вдоль цепи и размером кластеров. Важнейшими характеристиками состояния являются количества кластеров в последовательности (х) и остатков в кластере (ж).
Значения х н |л ограничены лишь протяженностью цепи. Кластерная модель описывает равновесный двухфазный процесс свертывания, т.е. она предполагает существование только двух термодинамически стабильных состояний белковой цепи, отвечающих двум минимумам свободной энергии. Динамика кластерной модели трактуется Канехисой н Тсонгом как беспорядочный, сгохастический процесс, характеризующийся вероятностью переходов промежуточных состояний. Свертывание белка включает в себя стадии зарождения, роста и миграции локальных структур.
Беспорядочность процесса означает, что свертывание белковых молекул при одинаковых исходных состояниях н внешнем окружении может происходить различными путями, без соблюдения последовательности соответствующих конкретных событий, но при условии статистической идентичности путей свертывания. М. Канехнса и Т. Тсонг показали, что динамический процесс свертывания белка четко делится на две стадии — медленную и быструю, очередность и продолжительность которых зависят от кооперативности внутримолекулярных взаимодействий макросистемы и внешних условий.
В одних случаях фактором, ограничивающим скорость перехода, является быстрый рост кластера критического размера. Здесь динамика 299 свертывания подобна переходу спираль †клуб гомополипептида. В других случаях скорость процесса определяется более поздней стадией, когда происходит коалесценция образовавшихся ранее мелких кластеров в хрупные. Такое поведение моделирует ступенчатый механизм образования трехмерной структуры белка. Авторы отмечают, что наиболее важная особенность кластерной модели заключается в том, что она демонстрирует возможность сосуществования локальных структур в условиях денатурации в зависимости от свободной энергии поверхностного слоя. Число локальных структур возрастает с ослаблением поверхностного натяжения.
Это имеет место в экспериментах с денатурацией белка 1п чйго при высоких концентрациях денатуранта или низких значениях рН. В естественных физиологических условиях свертывания белка ш чиччо энергия поверхностного натяжения выше и поэтому количество локальных структур меньше. Н. Го [209), рассматривая возможные пути достижения белковой цепью промежуточного, активированного, состояния, предполагает, что этой стадии предшествует образование зародышевых, эмбриональных структур. В предложенной им модели, названной эмбрионуклеационной, возникновение эмбрионов происходит за счет ближних взаимодействий, которые могут быть как согласованными, так и не согласованными с дальними взаимодействиями, актуальными для отдельных нуклеаций и белковой глобулы в целом.
В первом случае имеют место дальнейший рост эмбриона и переход его в стабильную локальную структуру (нуклеацию). Во втором случае эмбрионы нестабильны и распадаются. При согласованности ближних и дальних взаимодействий Го допускает два механизма свертывания белка [2!О). По одному из них, механизму миграционного развития, эмбрион развивается путем поверхностной сорбции остатков неупорядоченной области н слияния с соседними по цепи эмбрионами. По другому, диффузионно-коллизионному, предложенному М. Карплюсом и Д.
Уивером [211ь эмбриональный рост происходит в результате столкновения и последующей коалесценции двух [или более) эмбрионов, принадлежащих разным, далеко отстоящим участкам последовательности. Оба механизма не противоречат друг другу н, по-вндимому, отражают разные стадии процесса свертывания. Первый связан с меныпей потерей энтропии и поэтому более предпочтителен в начальной фазе структурирования.
Второй сопряжен с большой потерей конформационной свободы и может быть выгоден после создания стабильных эмбрионов, переходящих в нуклеации. Впрочем, П. Ким н Р. Болдвин усматривают в диффузионно-коллизионном механизме еще одну возможность объединения зародышевых форм [212]. Они предполагают, что соударение эмбрионов приводит к конформационным перестройкам, благоприятным для их коалесценции.
М. Карплюс и Д. Уивер [211) разработали теорию белкового свертывания на основе диффузионно-коллизнонной модели, рассмотрев случай двух быстро диффундирующих специфических микродоменов. Из теории следует, что скорость процесса контролируется диффузией. 300 Однако исследование кинетики свертывания рибонуклеазы А, проведенное Болдвиным при различной вязкости растворителя, не обнаружило заметного влияния изменения скорости диффузии на скорость ренатурации белка [213). Если не выходить за рамки эмбрионуклеационной модели, то эти данные можно объяснить свертыванием полипептидной цепи рибонуклеазы по механизму, в котором определяющими скорость процесса являются конформационные изменения эмбрионов перед их коалесценцией.
Рассмотренные модели белкового свертывания содержат ряд общих черт принципиального порядка, наличие которых совершенно неизбежно при изучении явления методами статистической физики и равновесной термодинамики. Во всех модельных описаниях динамики белковой цепи предполагают равновесность и двухфазность процесса, т,е. основываются на теории двух состояний Брандтса [214) (подробно см. гл.
11). В подтверждение этому обычно ссылаются на работы 1960-х и начала 1970-х годов, посвященные экспериментальному исследованию механизма денатурации малых белков. Однако единство моделей в этом отношении отнюдь не следует из существования однозначной трактовки результатов эксперимента. Напротив, большая часть опытных данных, особенно полученная позднее, свидетельствует о более сложном характере процесса.
Дело в том, что предположение о двухфазном равновесном механизме свертывания белковой цепи становится неизбежным при выборе чисто статистического, феноменологического подхода, не учитывающего конкретную гетерогенность аминокислотной последовательности и обусловленную ею конформационную специфику. Кроме того, представление белкового свертывания в виде монотонного увеличения популяции одного оптимального состояния при одновременном, точно таком же уменьшении популяции другого оптимального состояния и при отсутствии видимого количества промежуточного метастабильного состояния накладывает существенное ограничение на предполагаемую динамику процесса и упрощает его рассмотрение.
В этом простейшем варианте свертывания белковой цепи профиль популяции [%) выражается зависимостью свободной энергии от степени упорядоченности, имеющей больцмановскнй вид А!п%, Другая общая черта касается представления о нативной конформации белковой молекулы. Во всех моделях важнейшей характеристикой упорядоченного состояния белка считается глобулярность его пространственной организации.
Под глобулой подразумевается структура, удовлетворяющая следующим двум условиям. Во-первых, размер глобулы значительно превышает эффективное расстояние действия сил, ее формирующих. Это условие позволяет выразить свободную энергию глобулы через ее объем и поверхность. Во-вторых, глобула предполагается структурно гомогенной, что избавляет от учета гетерогенности белковой цепи и неравномерности упаковки аминокислотных остатков в нативной конформации. Далее, во всех существующих моделях, несмотря на использование статистических методов и равновесной термодинамики, исключается 301 чисто беспорядочно-поисковый механизм свертывания белка.
В основе физического моделирования сборки нативной конформации лежит концепция нуклеационного свертывания. В концепции предполагается наличие в коротко живущем переходном состоянии белковой цепи упорядоченных и неупорядоченных областей. По ходу процесса свертывания — развертывания эти области испытывают действие как статистических, так и детерминированных сил, которые приводят систему к минимуму свободной энергии нативной конформации или флуктуирующего клубка.
Таким образом, все модели в той или иной степени учитывают кооперативность межостаточных взаимодействий и детерминированный характер процесса свертывания. Различия между моделями не касаются принципов, а связаны с конкретным представлением активированного состояния и с постулированным механизмом свертывания †развертыван цепи. Наконец, все модели, разработанные на основе методов статистической физики, объединяет еще одно свойство.
Онн не являются практическим воплощением независимой системы постулатов или эвристических соображений. Модели не базируются на самостоятельной теории, а поэтому получаемые с их помощью результаты лишены априорности, не содержат качественно новой информации об изучаемом явлении и не в состоянии что-либо подтвердить или опровергнуть. Модели исходят из предположения о двухфазном механизме белкового свертывания. Однако справедливость этого допущения остается непроверяемой, поскольку конечный результат моделирования известен заранее; он предопределен использованием всех опытных данных о нативной конформации, которые необходимы для ее правильного компьютерного воспроизведения. Глава 9 ВЫСШИЕ УРОВНИ СТРУКТУРНОИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЛОБУЛЯРНЫХ БЕЛКОВ Общепринятое представление о структурной организации молекул глобулярных белков передает схема Шульца и Ширмера 1157).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
