Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 130
Текст из файла (страница 130)
Оно основывалось на неравновесной термодинамической модели, физической теории структурной самоорганизации и конкретных результатах априорного расчета конформационных возможностей полипептидной цепи и геометрии нативной трехмерной структуры белка. Общим итогом анализа является адекватное естественному процессу ренатурацин представление всего пути свертывания белка— от состояния статистического клубка до строго детерминированной нативной конформации макромолекулы.
К принципиальным результатам рассмотрения следует, по-видимому, отнести выявление причин и количественное теоретическое обоснование возможности спонтанной, быстрой и безошибочной сборки флуктунрующей беспорядочным образом белковой цепи. Глава 17 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОБЛЕМЕ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКА В предыдущих главах обсуждены результаты первых и пока единственных априорных расчетов трехмерных структур двух низкомолекулярных белков — нейротоксина Н и панкреатического трипсинового ингибитора.
Они демонстрируют возможность количественного подхода к описанию на атомном уровне нативной конформации и механизма структурной самоорганизации белковой молекулы, руководствуясь только знанием аминокислотной последовательности. Совпадение найденных теоретически и полученных экспериментально значений двугранных углов ф, »у, щ и 2 с 482 постыл рентгеноструктурного анализа белков достаточно высокого решения (-2,0 А) показало справедливость бифуркационной теории ртывания и физической теории структурной организации белковых лекул. Были также выявлены большие потенциальные возможности Г работанного на основе этих теорий специального метода конформа- онного анализа природных полипептидов.
В настоящей главе рассмотрены существующие альтернативные теоретические подходы к достижевию тех же целей — предсказанию трехмерной структуры белка и мехаядзма автоматического воспроизведения сборки белковой цепи. Изложение эаой темы было начато во втором томе монографии "Проблема белка"; частично она затрагивается в главах 2 и 7 данного тома. Здесь обсужуются теоретические аспекты структурной организации белка, тенденции яазвитня и перспективы.
В течение последних трех десятилетий проведено не менее двух тысяч дэоретических исследований пространственного строения белков и предлозаено около сотни различных методов конформационного анализа, причем йплее половины и конце 1980-х и первой половине 1990-х годов (27, 28). ())днако, несмотря на все возрастающую интенсивность поиска, ни одна из допыток не привела к желаемой цели. Камнем преткновения во всех ядучаях являлась так и оставшаяся непреодоленной проблема множествендости минимумов на потенциальной поверхности белка или, иными Эповами, проблема выбора из практически беспредельного количества рав- 1)овероятных конформационных состояний единственной пространственной Экруктуры, обладающей самой низкой энергией, О трудности решения Этой проблемы говорит хотя бы тот факт, что при современной выйислительной технике расчет всех мыслимых структурных вариантов за йриемлемое время может быть осуществлен лишь для пептида, состоя- 4(его не более чем из 4 — 6 аминокнслотных остатков (из 3-5 остатков— адцать лет назад).
Выход из тупиковой ситуации пытаются найти в етодологическом, математическом н алгоритмическом совершенствоЭании конформационных моделей, направленном на уменьшение набора %сходных для минимизации приближений и сокращение времени счета, вставляя прн этом неизменными теоретические основы поиска По метододогическому признаку выполненные исследования структуры белков $южно разделить до некоторой степени условно на три группы. К первой Эрунде следует отнести работы, использующие упрощенные модели белковой цепи. Вторую группу составляют исследования.
в которых привлекаются эмпирические корреляции. В работах третьей группы поиск реШения проблемы ведется с использованием прямой или косвенной инфорМации о геометрии нативной конформации изучаемого белка или его гомологов. Объединяет авторов исследований трех групп непоколебимая вера в существование проблемы множественности (см. разд. 7.3), убежденность в том, что она адекватно передает реальный процесс свертывания белковой Э(епи и не может не возникнуть при изучении беспорядочно-поискового Механизма сборки. Отсюда стремление решить эту проблему или, в крайу ем случае, обойти ее. Однако есть все основания полагать, что проблема Множественности в том виде, в каком она обычно формулируется, вообще 16" 483 не существует.
Она не отражает действительную ситуацию, посколь», для перехода флуктуирующей белковой цепи в нативную конформацию „ требуется перебор всех конформационных состояний, отвечающих „ принципе возможным локальным минимумам энергии. Если бы таков перебор был необходим, то не могла бы сложиться трехмерная структур ни у одной аминокислотной последовательности. Поэтому все попытка как-то упростить задачу поиска глобальной конформации белка, не отка. зываясь при этом от самой проблемы множественности, т.е. не признав ее псевдопроблемой, представляются обреченными на неудачу.
Кроме того, невозможно исследовать природу сугубо нелинейного неравновесного про. цесса спонтанного возникновения порядка из хаоса и пытаться количесг венно описать его статистико-детерминистический механизм, выбрав а качестве теоретической основы равновесную термодинамику и формаль. ную кинетику. Таким образом, на сегодняшний день существуют два аль. тернативных по своему отношению к проблеме множественности направления в развитии теоретического конформационного анализа пептидов и белков. Авторы рассматриваемых ниже исследований исходят из наличия такой проблемы, автор настоящей книги — из ее отсутствия.
17.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Первая попытка воспроизвести свертывание белковой цепи с помощью упрощенной модели аминокислотной последовательности была предпринята в 1975 г. М. Левиттом и А. Уоршелом !29, 30!. Авторы представили белковую цепь в виде последовательности, в которой каждый остаток аппроксимировал двумя центрами: атомом Са и боковой цепью в виде сферы с радиусом, равным среднему радиусу вращения соответствующей атомной группы.
Предполагалось, что взаимодействия возможны только между сферами боковых цепей, а атомы С" определяют лишь контур пептидного остова. В такой бусиничной с шаровыми подвесками модели остаток имеет только одну степень свободы — торсионный угол вращения относительно виртуальной связи, соединяющей два соседних атома Са(а,).
Со столь упрощенным описанием геометрии белковой цепи соизмерим н учет внутримолекулярных невалентных взаимодействий. При расчете энергии предполагалось, что белковая цепь состоит не из 20 различных аминокислотных остатков, а всего только из трех: А1а, О!у и Рго. Потенциалы вращения вокруг виртуальных связей С"-Са были получены путем усреднения энергии по всем конфигурациям дипептидов А1а-А!а, А!а-б!у, А!а-Рго. О1у — О!у, О!у-А!а и Рго-А!а, предполагая их зависимость исключительно от природы второй аминокислоты, Для остатков Азр и Азп использован потенциал, найденный для О1у, а для других остатков, кроме Рго, — потенциал А!а.
Выбор одинаковых потенциалов для Азр, Азп и О1У обоснован тем обстоятельством, что эти остатки часто встречаются в !1- изгибах основной цепи. Таков же уровень обоснования других прибли. женнй. Эффективные потенциалы взаимодействия между двумя одноименными боковыми цепями А!а и Рго рассчитывались по функции типа Леннарда- 484 [[[жонса как сумма энергии взаимодействий всех атомов в одной сфере с атомами в другой.
Потенциалы взаимодействий между разноименными гяпковыми цепями получены с помощью среднегеометрического комбннайдонного правила. Свертывание модели определялось путем решения уравнений молекулярной динамики, а влияние на этот процесс окружаю(дей среды учитывалось введением специальной энергетической состав~риощей гндрофобных взаимодействий. Последние оценивались по данным гастворимости аминокислот в воде и этаноле.
Описанный подход опродован Левиттом и Уорщелом в расчете трехмерной структуры бычьего панкреатического трнпсинового ингибнтора [29), Белок, состоящий из «900 атомов н имеющий 319 конформационных степеней свободы (углы вращения у, у, оз и у) был представлен бусиннчной моделью из 110 обобщенных "атомов" с 57 степенями свободы (углы а).
Для минимизации энергии такой системы при вариации углов а выбраны следующие три варианта начальных приближений: полностью собранная натнвная конфор[яация белка, развернутая цепь с фиксированным С-концевым а-спиральным фрагментом (остатки 48-58) и полностью развернутая цепь. Наиболее предпочтительные оптимальные конформации каждого из трех начальных приближений имели среднестатистические отклонения от кристаллической структуры белка — 2,5, б,2, и 7,8 А. Минимизация энергии полностью развернутой цепи второго и третьего исходных структурных вариантов не привела к появлению каких-либо элементов нативной конформации белка; конечный результат целиком определялся начальным приближением. Выбранная модель, таким образом, не сработала.
В другой работе этих же авторов [31) исследована трехмерная структура миогена карпа (180 аминокислотных остатков). Использовалась та же расчетная модель с максимально упрощенными представлениями полипептидной цепи и силового поля. Вопрос о свертывании белка нз полностью развернутой цепи уже не ставился; все исходные для минимизации приближения содержали шесть а-спиральных сегментов, наблюдаемых в кристаллической структуре миогена. Компьютерное воспроизведение упаковки заданных вторичных структур выполнено при трех условиях. В Первом случае рассматривалось взаимодействие лишь пары а-спиралей.
Выло показано, что они предрасположены к достижению оптимального взаимодействия. Во втором случае аналогичная задача ставилась для четырех а-спиралей (69 остатков). Однако она оказалась практически нерешаемой; было получено пять конформацнй со среднестатистической ошибкой -7,0 А. В третьем случае моделировалось свертывание белковой вдпи миогена из шести жестких цилиндров. После длительных поисков были найдены три структуры с ошибкой в 8,5 А. Много общего с методом М. Левитта и А, Уоршела имеет метод расчета укладки трехмерной структуры белка, предложенный И. Кунтцем и соавт.[32). В данном случае белковая цепь представлялась последовательностью сфер, центры которых совмещены в атомами С".
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
