Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 127
Текст из файла (страница 127)
Исследование БПТИ, проведенное Т. Крейтоном [7], относится к самым значительным и глубоким разработкам проблемы ренатурацил и фоне аналогичных по направленности экспериментальных исследования других белков. Однако интерпретация опытных данных и здесь носат противоречивый характер и базируется на равновесной термодинамике, в принципе исключающей раскрытие физической сущности ренатурации— явления сугубо неравновесного [25, 26]. Вопрос о движущих силах спонтанного механизма сборки белка даже не обсуждается. Тем не менее благодаря исследованию Крейтона возникла уникальная, качественно новая ситуация, при которой впервые появилась возможность всесторонне проанализировать огромный экспериментальный материал о свертывании белковой цепи БПТИ со строгих теоретических позиций: бифуркационной термодинамической модели [см.
разд, 2.1), физической теории структурной организации белка [см. разд. 2.2) и результатов априорного расчета трехмерной структуры БПТИ [см. разд. 16,1 и 16.2). Цель такого совместного рассмотрения конкретных опытных и теоретических данных состоит в получении ответов на следующие вопросы. 1. Какие силы управляют процессом структурной самосборки белковой цепи? 2. Каким образом совершенно беспорядочные и случайные конформационные флуктуации белковой цепи спонтанно вырождаются в строго детерминированный процесс организации трехмерной структуры белка? 3.
Почему столь мала продолжительность сборки нативной конформации белка, осуществляемой по беспорядочно-поисковому механизму, единственно возможному в случае самопроизвольно протекающего процесса и, казалось бы, неизбежно связанному с перебором огромного массива ковформационных флуктуаций? Эти вопросы представляют первостепенный интерес для решения проблемы структурной организации белков. Но не только. Они относятся к фундаментальным вопросам всего естествознания, так как являются наиболее общими и принципиальными в изучении неравновесных процессов спонтанного возникновения порядка из хаоса, прежде всего в биосистемах. Согласно Крейтону [7], процесс ренатурации полносгью восстановленной молекулы БПТИ, содержащей остатки цистеина в положениях 5, 14 30, 38, 51 и 55, начинается с образования Б — Б-связи с линейным дисульфидным реагентом [гидроксилэтилдисульфидом или окисленным глутатионом).
В реакции принимают участие все шесть остатков Суз БПТИ, активность которых практически одинакова и близка активности простых модельных тиолов. Такой экспериментальный факт непосредственно под- 472 ает, что исходным состоянием белковой цепи является флуктуи- й клубок. Об этом же свидетельствует и то обстоятельство, что в м начале структурирования цепи образуются все в принципе воз- е 15 видов промежуточных продуктов с одной внутримолекулярной льфидной связью. Таким образом, состояние белковой цепи БПТИ, щее за состоянием беспорядочно флуктуирующего клубка, вклюпрактически полный статистический набор легко переходящих друг в моно-55-продуктов.
Дальнейшее развитие событий, как выяснил н, ведет к дифференциации монодисульфидных производных белка стабильности. Через короткое время доминирующими в смеси оказы- лишь два продукта с днсульфидными связями Суззе-Сузи (-70%) и з-Суз (-20%). Это есть первое отклонение от строго статистического 30 еделения в направлении более упорядоченных структур, или, иными вами, появление первых бифуркационных точек на термодинамической ви процесса.
Здесь автор )7) сделал важное наблюдение. Он показал, йяп образование и содержание двух промежуточных метастабильных ййетояний с отмеченными единичными 5-8-мостиками не зависят от мени ренатурацни, природы и концентрации днсульфидного реагента. едовательно, причина избирательной предпочтительности продуктов с фФнодисульфидными связями Суззе-Сузы и Сух~-Сузз~ обусловлена Ф имолекулярным фактором.
Каким же7 Эксперимент прямо не отве- т и не может ответить на этот вопрос. Объяснить возникновение бифуркационных флуктуаций на основе теоравновесных процессов, т.е. полагая все флуктуации термодинами- обратимыми, нельзя. В предложенной мною бифуркационной теории . гл. 2) структурирование на любом этапе сборки белка всегда словлено неоднородностью беспорядочных конформацнонных отклоней полипептидной цели — наличием наряду с множеством обратимых уктуацнй ограниченного числа необратимых, т.е. термодинамически ®еравновесных флуктуаций. Возникновение тех и других одинаково случайно.
Но сам факт существования единственного для каждого белка набора необратимых конформационных флуктуаций не случаен; при япблюдении соответствующих внешних условий их содержание и порядок ))еализации, несмотря на беспорядочносп появления, определяется исклю- ~)ительно аминокислотной последовательностью. Явление свертывания белковой цепи обладает, таким образом, статисгико-детерминистической природой. Это принципиальное утверждение.
Из него следует, что объекФивное представление о ренатурации может быть получено только при установлении взаимосвязи между коллегативными свойствами белковой Макромолекулы и индивидуальными свойствами ее микроскопических соФгавляющих. В силу необратимости этого явления теоретический и Методологический аппарат равновесной термодинамики не в состоянии вскрыть физику структурной самоорганизации белка и дать адекватное описание процесса.
Бифуркационная термодинамическая модель, утверждая принципиальную необходимость привлечения необратимых флуктуаций к изучению спонтанной сборки белка, является связующим звеном между статистической и детерминистической физикой. Модель указывает, что даль- 473 нейший поиск должен быть направлен на выявление причин и условна неизбежного появления необратимых флуктуаций, их идентификацию я установление связи с конкретной аминокислотной последовательностью Все это задачи физической конформационной теории белков и соответст.
вующего расчетного метода. Важнейшая особенность белковой цепи, определяющая существование необратимых флуктуаций и, следовательно, возможность спонтанного возникновения высокоорганизованной структуры из хаоса, заключена в специфической конформационной неоднородности природной аминокислотной последовательности. Можно утверждать, что суть рассматриваемого явления состоит в наличии четкой взаимообусловленности между химическим строением, конформационными свойствами и необратимыми флуктуациями. Гетерогенность аминокислотной последовательности ответственна за различие в конформационных возможностях ее отдельных участков, что, в свою очередь порождает термодинамическую неоднородность флуктуаций, дифференциацию их на обратимые равновесные и необратимые иеравновесные.
Сочетание последних и порядок их следования определяют содержание и направленность механизма быстрой и безошибочной самосборки белковой цепи. Отмеченная связь присуща только эволюционно отобранным аминокислотным последовательностям. В случае же гомогенных, регулярных или даже гетерогенных синтетических полипептидов со случайным порядком аминокислот тот же беспорядочный по своему характеру процесс не имеет развития и не выводит цепь из состояния статистического клубка. Сказанного, однако, недостаточно для объяснения высокой скорости сборки трехмерной структуры белка при его биосинтезе или ренатурации.
Чтобы беспорядочно-поисковый механизм мог действительно привести к свертыванию цепи, селекция бифуркационных флуктуаций не должна представлять собой перебор возможных комбинаций всех случайных изменений целой полипептидной цени, количество которых невероятно велико, и сборка структуры даже такого низкомолекулярного белка, как БПТИ, должна была бы продолжаться не менее 10'~ лет. В отношении энергии средних взаимодействий все участки белковой цепи можно четко разделить на две группы.
В первую входят конформационно жесткие фрагменты, просгрансгвенное строение которых практически полностью определяется взаимодействиями входящих в них остатков. Вторая группа включает конформационно лабильные фрагменты цепи, Свою окончательную пространственную форму они обретают (иногда не до конца) после реализации не только средних межосгаточных взаимодействий, ио и дальних.
Расчеты большого числа сложных природных олигопептидов (см, гл. 8 — 14), фрагмента 1.еп'-Сузы нейротоксина 11 я БПТИ (см. гл. 15, 16) обнаружили в организации их пространственных структур следующие характерные черты, по-виднмому, общие для эволюционных аминокислотных последовательностей. 1. Конформацнонные возможности всех фрагментов белковой цепи определяются исключительно природой и порядком расположения аминокислотных остатков. 2. Конформационно жесткие и лабильные по средним взаимодействиям 474 фрагменты альтернируют вдоль полипептидной цепи белка и в начальной стадии свертывания практически независимы друг от друга.
3. Первичные конформационно жесткие и лабильные фрагменты невелики и включают -10 аминокислотных осгатков. Эти особенности природных полипептидов, как будет подтверждено совместным рассмотрением опытных данных Крейтона и результатов расчета конформационных возможностей БПТИ, оказываются достаточными для сокращения области поиска и направления случайно возникающих флуктуаций по кратчайшему пути.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
