Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Левитт и С. Чотиа как бы предложили отложить на время нерешаемую десятилетиями задачу по идентификации вторичных структур и заняться новой, на первый взгляд, более легко решаемой и ближе стоящей к конечной цели задачей, а именно укладкой белковой цепи в нативную конформацию, подобно тому как это делали О.Б. Птицын и А.А. Рашин ]103, 104], а еще раньше А. Гуццо ]61] с а-спиральными цилиндрами.
В связи с тем, что существуют группы белков с преимущественным содержанием а-спиралей и ]3-структур, можно изучать их пространственнук> организацию, или вовсе не предсказывая конформационных состояний отдельных остатков, что не удается делать правильно, а беря вторичные структуры прямо из опыта, или оценивая брутто содержание последних с помощью известных статистических методов, что автоматически увеличивает точность предсказания на несколько десятков процентов, поскольку в этом случае приходится идентифицировать состояния не 20 амннокислотных остатков, а лишь трех-четырех структурных групп Левитта и Чотиа. При изменении постановки задачи и неизбежном снижении требований к ожидаемой информации появляется возможность решения других вопросов, правда, менее важных.
Например, можно сфокусировать внимание на определении общего процентного содержания аминокислотных остатков в последовательности, находящихся в а- и]3-областях, и полученные результаты сравнивать с аналогичными данными спектральных методов. Можно поставить вопрос о том, каков порядок взаимодействий вторичных структур друг с другом и какие в принципе возможны способы укладки а-спиралей относительно 0-структур и последних друг относительно друга, и о частоте их встречаемости в белках.
Можно, наконец, разрабатывать новые предсказательные алгоритмы, классифицирующие белки по группам (а), (й), (а + Б) и (а/]3). Подобные вопросы, до работы Левитта и Чотиа, представлялись частными случаями. Теперь же анализ укладки. например, полипептидной цепи апомиоглобина — это уже исследование белка, ис случайно взятого нз множества других, а планомер- 346 ное изучение типичного представителя целой группы белков класса (а).
Как прежде из анализа первичных и третичных структур белков выводились зависимости и правила упаковки отдельных аминокислотных остатков во вторичные структуры, так теперь стали изучать направления свертывания полипептидных цепей в высокорегулярных белках, анализировать контактные поверхности между сближенными участками а-спиралей и [3-структур и выводить правила упаковки отдельных вторичных структур в супервторичные. Последние не могли не вызвать к себе повышенного интереса, поскольку, согласно Г. Фасману, выражающему в данном случае господствующее мнение; "Супервторичные структуры являются главными компонентами доменов, которые при взаимодействии образуют трехмерные конформации белков" [238.
С. 236]. Существенно, однако, то обстоятельство, что изучение более высоких уровней структурной организации белков стало проводиться не после решения задачи о формировании практически неограниченного количества нерегулярных структурных элементов на локальных участках аминокислотной последовательности и у целых белковых молекул, и даже не после выяснения причин образования самих а-спиралей и В-структур и выработки надежных правил их идентификации. Все эти задачи так и остались нерешенными. По-прежнему сохранился чисто эмпирический подход, дополнившийся еще более упрощенным представлением трехмерных структур белковых молекул.
Возник даже особый вид сюрреалистической белковой графики (рис. 11.9), а позднее, с появлением цветных мониторов и принтеров, — живописи [251 — 254]. Шаг сделан не в сторону осмысления явления или получения новых фактов; произошло лишь смещение акцентов с вторичных структур на супервторичные структуры и домены как их комбинации. Это был логически неоправданный шаг в сторону от решения проблемы, не являющийся естественным переходом от понятого простого к познанию на такой основе более сложного. Чрезмерное увлечение в последние годы только высшими и еще реже встречающимися уровнями регулярных структур белковых молекул, по существу, есть отказ от решения частных задач и попытка решить теми же средствами более сложные и еще более частные. В работах С.
Чотиа [255 — 257], М. Левитта [258 — 260], Ф. Коэна [261 — 263], С. Коэна [264], Г. Фасмана [265], М. Стернберга [140 — 145] и их соавторов, а также ряда других исследователей разрабатываются эмпирические правила упаковки вторичных структур, нахождения областей инициации свертывания, отнесения белков к одной из групп Левитта и Чотиа, выяснения топологии цепи и т.д. Главными направлениями, рассматриваемыми ниже, становятся сборка преформированных вторичных структур в супервторичные и третичные и классификация белков на группы (а), ([3), (а+В) и (а(р).
Одной из первых работ, использовавших иерархический поход к предсказанию пространственного строения белков, является исследование Р. Ричмонда и Ф. Рихардса [266], Авторы проанализировали все 317 Р и с. Птк Скематическое представление трехмерньп структур термолизииа (домен И) и цитокрома с (а,б;структурнаа группа а), трипсинового ингибитора соевык бобов и рибонуклеазы А (в,г; группа Д), пируваткиназы (домеи !) и аденилаткиназы (г),е; группа аг)3) (253] возможные способы (- 3 10") ассвциации шести главных а-спиралей миоглобина (всего в белке восемь а-спиральных учаспсов, включающих от 7 до 23 аминокислотных остатков), приняв их конформации такими же, какими онн были определены зентгеноструктурным анализом.
Из рассчитанных комбинаций нзвестиых структурных элементов найдено две, удовлетворяющие плотной 1паковке, непрерывности цепи и геометрическим условиям встройхи гема. Подобный подход, также для миоглобнна и с тем же успехов (среднеквадратнчное отклонение атомов С' составило — 4,5 А), бил использован Ф. Коэном и соавт. (267, 268]. Вскоре анализ супервторнчньп и третичных структур стал широко использоваться для исследованин топологии полипептидной цепи у белков, содержащих ]3-складчатые листы (группа 8) и смежные вторичные структуры (группы а ь 3 и а(0). М.
Стернберг и соавт. (269] проанализировали структурные мотивы у 13 гликолнтических ферментов, десять из которых были ранее изучены кристаллографически. Показано, что пространственное строение молекул всех ферментов представляет собой вариации озхой структурной темы — многотяжевой, преимущественно пармлельной 0-складчатой структуре, экранированной от контактов с растворителем а-спиралями (группа ай)). У некоторых ферментов набзюдается также структурное подобие доменов, правда, оно неярко выражено. Ф, Коэном и соавт.
[261 — 263] развит ступенчатый метод предсказания трехмерной структуры бсвка по известной аминокислотной последовательности. Метод, получивший название комбинированного, предусматривает проведение трех последовательных стадий; 1) предсказание иа основе существующяз алгоритмов регулярных вторичных структур; 2) упаковку а-спиралей х Д-складчатых листов в конформацию, отражающую характерныс особенности нативной структуры; 3) энергетический расчет отобранных конформаций с использованием моделей, подобных сверхупрощевным моделям Левнтта (254], Кунтца и соавт.
(155], Робсона и Осгуторпа (270]. План исследования на первый взгляд выглядит логично. В действительности же он нереален, причем нереален в отношении всех своих трех положений, что следовало из данных, уже имевшихся к моменту его появления. Первый пункт плана невыполним по крайней мере по туем причинам. Во-первых, у большей части белков вторичные структуры составляют незначительную долю трехмерной структуры, а в среднся в а-спнрали входит 25 — 30% остатков, а в 0-структуры — 15 — 20%.
Во-вторых, встрсчающнеся в конформациях белков вторичные структуры, как правило, сильно искажены и лишь условно могут быть отнесены к регулярным (рис. 11.3). В-третьих, надежность существующих алгоритмов предсказания вторичных структур не превьппает 50% (гл. 8), что исключает их практическое использование, Возможно, по этим или иным причинам авторы не стали обращаться х предсказательным алгоритмам, а приступили к реализации второго пункта своего плана, выбрав для демонстрации возможностей предлагаемого ими метода белки. изученные реитгеиоструктурно, в взяв всю информацию о геометрии 319 вторичных структур непосредственно из эксперимента [261 — 263).
Они рассмотрели все способы упаковки 0-структурных сэндвичей в 11 иммуногчобулиновых доменах, содержащих от шести до девяти б-складчатых листов. Для каждого домена рассчитано порядка 10~— !Оз различных сочетаний опытных вторичных структур. Количество вариантов, отобранных для нахождения структур, напоминающих соответствующие кристаллографические конформации доменов, составило от нескольких единиц до 4 тыс. комбинаций. Наименьшее среднеквадратичное отклонение атомов С' оказалось равным 5,0 А. Эта цифра, учитывая небольшие размеры доменов (34 — 53 остатка) и использование в расчете значительного экспериментального материала, свидетельствует о несостоятельности метода и, в частности его второй позиции.
Аналогичная задача, отвечающая второй стадии комбинированного метода, решалась еще в 1975 г. А. Бэржесом и Г. Шерагой «139) на примере панкреатического трипсинового ингибитора, где также отнесения конформационных состояний остатков были сделаны не с помощью эмпирических корреляций, а на основе кристаллографической структуры молекул. Оказалось, что рассчитанная с использованием такого идеального алгоритма предсказания, каким является эксперимент, конформация белка даже отдаленно не напоминала его нативную структуру (подробнее см. раздел 8.3).
Таким образом, попытки уложить вторичные структуры в супервторичные и получить грубое приближение нативной конформации белка (второй этап комбинированного подхода), полагая успешно проведенным первый этап и считая известными не только а-спирали и 5-структуры, но даже конформационные состояния всех остатков в цепи, сталкиваются с непреодолимыми трудностями. Они возникают изза сложного профиля многомерной потенциальной поверхности белковой глобулы, обусловливающей невозможность (если следовать предложенным Ф.
Коэном, М. Стернбергом и У. Тейлором путем) определения структуры, отвечающей глобальному минимуму энергии. Цель не может быть достигнута и на третьем этапе, при использовании найденных ранее структур в качестве нулевых приближений для сверхупрощенных моделей. Вывод о несостоятельности таких моделей детально обосновывается в главе 10, Развитый в работах Ф. Коэна, М. Стернберга и соавторов подход не опирается на общую физическую теорию н единый метод расчета, устанавливающие прямые логические и количественные связи между аминокислотной последовательностью белка и координатами атомов нативной конформации молекулы 1261 — 263, 269 — 274).
Каждая стадия комбинированного подхода следует своим эмпирическим правилам, корреляционным соотношениям, предсказательным алгоритмам и методологическим приемам. Объединяющим и усложняющим все его составные части началом служит традиционное, сложившееся еще в 1950-е годы, представление о пространственной организации белковой глобулы в виде ансамбля регулярных, вторичных структур (концепция Полинга и Кори) с внутренним гидрофобным ядром и внешней 320 гидрофильной оболочкой (концепция Козмана). Подход к предсказанию трехмерных структур ограничен кругом белков, обладающих значительным содержанием а-спиралей и 3-складчатых листов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
