Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 126
Текст из файла (страница 126)
у~проще известен факт, что использованные в расчете белков потенциалы йуиближенны и могут приводить к заметным отклонениям в конфорз апдонном анализе даже малых органических молекул, Однако,как и во Ппогих других отношениях, белок и здесь неповторим. Ниже будет почйяано, что точность расчета пространственной структуры природного повввиептида, как это ни парадоксально звучит, практически не определяется ~жной аминокислотной последовательносги. Это обусловлено механизмом вяруктурной самоорганизации белков. Для молекулы БПТИ он подробно гядссматривается в следующем разделе, а сейчас отметим лишь некоторые вип особенности общего характера, помогающие ответить на поставдаиный вопрос о точности расчета.
Формирование нативной конформации белка из неструктурированной фауктуирующей формы неизбежно начинается с выяснения взаимоотношений между соседними по цепи остатками. Конформационные возмождпсти остатков определяются ближними взаимодействиями, т.е их приврдой, а конформационные возможности фрагмента — средними взаимодяйствиями, т.е. конкретной аминокислотной последовательностью. Дальиив взаимодействия возникают только на определенной стадии структуирования цепи, уже после того, как средние взаимодействия в основном дьзполнили свою функцию.
Таким образом, самоорганизация белковой Ряобулы в условиях 1п чйго и 1п чиччо — это прежде всего процесс последовательной "минимизации" знергии через выбор конформационных состояний, наиболее предпочтительных сначала для простых, а затем для все более усложняющихся участков вплоть до всей молекулы белка. Сборка белковой цепи по ходу ее рибосомного синтеза и участие шапедонов влияют на скорость процесса, но не затрагивают его статистикодвтерминистической природы и специфики бифуркационных флуктуаций, а поэтому не ставят под сомнение зависимость нативной конформации исключительно от аминокислотной последовательности. Ограниченное число возможных для остатков конформационных состояний, образование микрогиобул и их ассоциация без существенных изменений конформации при наличии согласованности ближних, средних и дальних взаимодействий значительно упрощают механизм сборки белковой структуры, делают его быстрым н безошибочным.
Иерархический, многоступенчатый характер самопроизвольного процесса свертывания полипептидной цепи, в той или яиой мере улавливаемый и воспроизводимый расчетом, является главной причиной того, что точность определения конформационных параметров вгановнтся малочувствительной к размеру белковой молекулы.
Априорный расчет белка ни на одном из своих зтапов, по существу, не егалкивается с независимым определением структуры сложного фрагмента, тем более всей молекулы, из отдельных аминокислотных остатков. Решение всегда ищется через установление пространственных структур нуклеаций и определение конформационных возможностей промежуточных участков, более лабильных по средним взаимодействиям.
Помимо таких учитываемых в расчете свойств нативной конформации, как плотнейшая упаковка белковой глобулы и согласованность всех внутримежостаточных взаимодействий, на точность теоретического анализа оказывают положительное воздействие еще по крайней мере четыре фактора. Во-первых, сравнительно небольшие размеры первичных ну. клеационных и конформационно лабильных участков (как правило, 5-1б аминокислотных остатков). Анализ многочисленных олигопептидов, фраг. мента 1 — 23 нейротоксина и молекулы тринсинового ингибитора саиде. тельствует о том, что погрешности априорного расчета пентадекапептидов отвечают точности рентгеноструктурного анализа белков доста.
точно высокого разрешения (-2,0 А). Во-вторых, жесткие по средним взаимодействиям нуклеации свободных фрагментов не претерпевают заметных изменений при их включении в состав более сложных участков или всей молекулы. Если при установлении в процессе сборки многочисленных дополнительных контактов с удаленными по цепи остатками структуры нуклеаций сохраняются„то точность расчета геометрии более сложного фрагмента, включающего нуклеацни, остается на том же уровне.
Этому способствует также третий фактор — высокая чувствительность конформационной энергии к взаимному расположению комплементарных друг другу нуклеаций и промежуточных лабильных фрагментов. В результате расчет нативной трехмерной структуры белка, по существу, сводится к решению блочной задачи — поиску плотнейшей упаковки не отдельных остатков, а жестких фрагментов (блоков) со сложным профилем потенциальной поверхности при вариации известных из анализа ближних и средних взаимодействий конформационных состояний лабильных участков пептидной цепи.
Число последних, как правило, невелико. Каждый из них становится также конформационно жестким только при определенной, единственной ориентации относительно комплементарно взаимодействующих между собой нуклеаций. Наконец, в-четвертых, малые погрешности расчета сложных пептидов обусловлены не только согласованностью ближних, средних и дальних взаимодействий, но и согласованностью между собой различных видов взаимодействий — дисперснонных, электростатических, торсионных н водородных связей. Иными словами, самые предпочтительные конформации полипептндов обладают минимальными величинами энергии всех учитываемых в расчете видов невалентных взаимодействий.
Простейший пример — а-спираль, являющаяся структурой, оптимальной с точки зрения дисперсионных взаимодействий атомов основной цепи, пептидных водородных связей (5 — з 1), электростатических взаимодействий и энергии вращения вокруг всех одинарных связей. Только благодаря такой гармонии Полингу и Кори удалось правильно предсказать геометрию а-спирали, сделав в принципе ошибочное предположение о ее стабилизации исключительно за счет водородных связей. На самом же деле главным фактором, цементирующим а-спираль в полярной среде, являются дисперсионные взаимодействия атомов основной цепи, а не пептидные водородные связи.
Однако из-за согласованности в этой струк- 470 яре всех видов взаимодеиствий ошибочное предположение не сказалось да поиске самой выгодной для основной цепи спиральной структуры с целочисленным порядком винтовой оси, но надолго утвердило непра'шьное представление о природе сил, ее стабилизирующих. Водородные гяязи типа 5 -> 1 сыграли здесь роль геометрического признака а-спирали. 16.3, МЕХАНИЗМ СТРУКТУРНОЙ САМООРГАНИЗАЦИИ В процессах денатурации н ренатурацин аминокислотной последоваяельности проявляется прямая связь между химическим и пространстйвнным строением молекулы белка. Переход беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в детерминированную трехмерную структуру и обратдый процесс — переход нативной конформации белка в состояние статистического клубка есть не что иное, как формирование и разрушение тех самых внутриостаточных и межостаточных взаимодействий валентноНесвязанных атомов, теоретическому рассмотрению и априорному расчету которых были посвящены предшествующие главы книги.
Очевидно, изучение механизмов денатурации и ренатурации представляется совер1пенно необходимым для познания принципов структурной организации белковых макромолекул. С другой стороны, любая теоретическая разработка проблемы пространственного строения белков не может считаться завершенной без описания и аргументированной трактовки особенностей уникального процесса свертывания аминокислотной последовательности в высокоорганизованную структуру. Экспериментальное изучение многих белков, поддающихся ренатурации, выявило наиболее характерные черты этого явления: самопроизвольность протекания, высокую скорость и безошибочность процесса сборки белковой цепи в нативную конформацию. Было показано, что структурная организация белка, несмотря на случайно-поисковый механизм сборки, осуществляется не путем перебора всех возможных конформационных состояний статистического клубка, а по определенному механизму, чувствительному к внешним условиям.
При этом не было обнаружено фактов, противоречащих представлению о нативной конформации белковой молекулы как об энергетически глобальном равновесном состоянии. В результате изучения кинетики ренатурации целого ряда белков стали известны некоторые детали процесса свертывания-развертывания полипептидной цепи. Однако нн в одном случае эта работа не была доведена до логического конца, т.е. до установления конкретного механизма сборки и его количественного структурного, термодннамического и кинетического описания как многоступенчатого, взаимообусловленного на всех своих стадиях процесса. Не получили объяснения побудительные мотивы ренатурации, определяющие скорость процесса и его безошибочность, и, самое главное, возможность спонтанного перераспределения энтропии, т.е.
самопроизвольного возникновения порядка из беспорядка. Уже десятки лет прогресс в этой области в теоретическом плане сдерживается нз-за отсутствия количественной информации о состоянии и конформационных возможностях белковой цепи на разных стадиях ее самоорганизации и 471 ориентации при трактовке опытных фактов исключительно на равно ную термодинамику и сгатистическую физику [16-24]. В экспериментальных исследованиях все еще остаются непреодол „ ными трудности контроля и управления процессами свертывания, выд пения промежуточных метастабильных продуктов и идентификации „„ структур. В настоящее время лишь для бычьего панкреатического трип~„ нового ингибитора [БПТИ) достаточно полно и на высоком экспер„ ментальном уровне изучен процесс свертывания белковой цепи в условия„ [п чпго.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
