Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 132

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 132)

Появление ]3-изгиба иводит к сближенности атомов Са двух р-тяжей и созданию ]3-структуры 4-38). Структурирование завершается образованием контактов между и С-коицевылзи атомами Са. Путь свертывания представляет собой ерывную последовательность конформационных переходов в сторону тивной структуры. Такой результат был ожидаем, более того, он, евидно, неизбежен, поскольку авторы исключили все неспецифические жостаточные взаимодейстия и оставили только те, которые осутвляются в экспериментально наблюдаемой конформации. Использонный Миязавой и Джерниганом подход в принципе не может прендовать на воспроизведение действительного механизма сборки белка, к как заведомо исключена возможность появления промежуточных конрмационных состояний с признаками, отсутствующими в нативной уктуре.

Заметным образом не изменилась ситуация в рассматриваемой области в 1990-х годах, хотя количество работ, использующих сверхупрощенные дели белковой цепи, даже возросло, Совсем недавно метод, похожий на тод, впервые предложенный Танакой и Шерагой более 20 лет назад 3-36], был описан Дж. Ганном и соавт. ~47] и использован для исследовамеханизма свертывания миоглобина.

Большое сходство с работами нца 1970 — начала 1980-х годов как в познавательном отношении, так и изическом содержании и точности результатов имеют и другие исслевания последних лет 148-56]. В них также используются простейшие дели. Однако недостаток этих работ, как и предшествующих, заклюется отнюдь не в самом стремлении упростить решаемую задачу, а в м, что упрощение достигается за счет лишения исследуемого белка всех ецифических черт реального объекта. Рассчитываемые модели полипепдов в отношении своей геометрии и силового поля могут быть в равной ре отнесены практически ко всем линейным синтетическим полимерам, ичем в данном случае они будут выглядеть более упрощенными.

В рассматриваемых исследованиях по компьютерному воспроизведению ертывания белка используются методы минимизации энергии, которые включают преодоление потенциальных барьеров, а следовательно, и Фиалка значительных конформационных изменений или больших энергетических флуктуаций. Это делает конечный результат расчета полностью йависимым от набора исходных структурных вариантов. Их выбор при итсутствии надлежащего критерия неполон и случаен, поскольку даже у Киерхупрощенных моделей количество возможных конформационных 489 состояний огромно и не поддается расчету, Поэтому гарантнрованныя поиск уникальных межосгаточных взаимодействий, формирующих ко„, пактную глобулу, невозможен.

Обоснованное с физической точки зреня„ компьютерное воспроизведение процесса самоорганизации трсхмерноя структуры белка требует не только расчетной модели, учитывающая особенности природной гетерогенной аминокислотной последовательност„ но и такого способа оценки энергии невалентных взаимодействий атомо свертывающейся цепи, в котором допускалась бы дифференциация специфических и неспецифических контактов между остатками или, иньшв словами, разделение необратимых, бифуркационных конформационных флуктуаций и обратимых, равновесных флуктуаций.

Предложенные модели и используемые методы минимизации энергии не удовлетворяют обоим требованиям. Поэтому для получения результатов, соответствующих опыту, авторам всех упомянутых выше работ пришлось отказаться от априорности расчета и прибегнуть к искусственному приему— выбору в качестве исходных для минимизации энергии приближений струк. турных вариантов, включающих важнейшие элементы экспериментально наблюдаемой нативной конформации белка, или использованию эмпирических корреляций. Решение задачи привело к фактическому отказу от независимого описания механизма свертывания белковой цепи и приобрело формальный характер. Наряду с изучением буснничных моделей белков, преследовавших воссоздание трехмерной структуры молекулы, почти одновременно возникло еще одно направление теоретических исследований сверхупрощенных моделей, которые не предназначались для предсказания натнвной конформации белка.

Их цель заключалась в изучении общих закономерностей компактного свертывания белковой цепи в предположении,что явление рснатурации [денатурацни) представляет собой двухфазный равновесный процесс. Первая работа нового направления была выполнена в 1978 г. Н. Ге и Г.

Такетоми, предложившими так называемую решетчатую модель белка [57 — 59). Абстрагирование от геометрии и силового воля реальной аминокислотной последовательности здесь идет еще дальше, чем в бусиничных моделях, Белок представляется в виде плоского, а в более поздних работах — объемного решетчатого полимера, стабилизированного тремя видами взаимодействий, В отношении этих взаимодействий все условно — как качественные, так и количественные характеристики.

Неясным остается даже принцип их разделения. Первые два вида можно отнести к внутриостаточным н межостаточным взаимодействиям. Следовательно, критерием разделения в данном случае служит не природа контакта, а место остатков в цепи. Однако такой критерий не отвечает третьему аиду взаимодействий — гидрофобному,который определяется сложным комплексом взаимоотношений аминокислотных остатков целя между собой н водным окружением. Функции, приписываемые гидрофобным взаимодействиям, задаются исходя нз натнвной конформация белка, которая, тем не менее, остается неизвестной. В случае плоского варианта задачи предполагалось, что гипотетическая белковая цепь состоит нз 49 мономерных единиц и ее "нативная" |-лобулярная структура свертывается в квадрате 7 |~ 7. Каждая |-я единица 490 й,спи характеризуется связевым углом между векторами, соединяющими урн угла решетки 0-1 с ); ~ с еь!), и ближайшим окружением.

Связевый угол может принимать значения О, 90 и -90'. Энергия ближних взаимодействий произвольной конформации решетчатой модели белка выра1кается суммой энергии связевых углов. У каждого угла энергия отлична аозт нуля и считается равной -е' в том случае, если он соответствует ,евязевому углу в решетчатой интерпретации натнвной конформации.

л)аким образом, учитываемые в расчете ближние взаимодействия ,предпочтительно стабилизируют нативную структуру белка. Дальние ,Взаимодействия делятся на специфические, отвечающие контактам между ближайшими соседями в исходной конформации, и неспецифические, :энергия первых меньше на величину е, одинаковую, как и -е', во всех случаях, энергии вторых. Следовательно, в отношении дальних взаимодействий нативная структура белка также считается самой предпоч~гительной. Для учета гидрофобных взаимодействий Ге и Такетоми Разделили все узлы решетки на полярные и неполярные н представили белковую глобулу, как состоящую из гидрофобного ядра и гидрофильной зэболочки.

Полярными остатками считались 24 единицы, находящиеся на "поверхности" квадрата 7 х 7 "глобулярной нативной" конформации, а неполярными — оставшиеся 25 единиц внутри квадрата. Предполагалось, ,что конформационная энергия понижается, если ближайшими соседями .оказываются неполярные единицы, причем необязательно, чтобы они находились точно в таком же положении, как в "нативной" структуре белка.

Поэтому гидрофобные взаимодействия не относятся к специфическим. Конформационные изменения решетчатой модели производились методом Монте Карло с различными относительными весами дальних и ближних взаимодействий и с вариацией соотношения между их специфическими и неспецифическими составляющими. Полученные результаты позволили авторам сделать следующие выводы феноменологического характера. Во-первых, решетчатая модель описывает равновесный переход свертывания и развертывания цепи как типичный двухфазный процесс (и, следовательно, полагают авторы, модель отвечает поведению реального белка) только при определенном соотношении между специфическими дальними взаимодействиями и всеми другими взаимодействиями, Вовторых, скорость процесса свертывания и развертывания цепи существенно зависит от соотношения специфических и неспецифических взаимодействий.

Специфические взаимодействия способствуют образованию у модели локальных нативноподобных структур, объединение которых, в конечном счете, приводит к искомой конформации белковой молекулы. Неспецифические взаимодействия ведут к созданию у модели менее стабильных, флуктунрующих состояний. Решетчатая модель представляет свертывание белковой цепи в нативную конформацию как процесс инициации и постоянного увеличения популяции натнвноподобных локальных структур относительно популяции мигрирующих и распадающихся состояний структур развернутой цепи.

Прн увеличении влияния неспецифических взаимодействий модель вырождается в статистический клубок, а при переоценке влияния специфических ближних взаимодействий — в 491 одномерную структуру. В-третьих, согласованность специфических блинь них и дальних взаимодействий увеличивает скорость свертывания пол„ пептидной цепи и делает формирование нативной конформации белка кооперативным процессом. В последующей работе Н. Ге и Г. Абс [бО[ детально рассмотрела статистико-механическую модель локальных сгруктур, идея которой уже прослеживалась в изложенных только что исследованиях Н.

Характеристики

Список файлов книги