Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 133

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

Текст из файла (страница 133)

Гй а Г. Такетоми [57-59~. Под локальной структурой понимается конформацня участка полипептидной цепи, которая образуется на определенной стадия процесса свертывания и которая без существенных изменений входит а нативную конформацию белка. В отличие от общепринятого представления о том, что сборка полнпептидной цепи начинается с образования вторичных структур, и составляющего основное содержание процесса, а также инициирующего его последующее развитие, Ге и Абе априори не отдают предпочтения ни одной локальной структуре, регулярной ила нерегулярной.

Наличие а-спиралей, [[-складчатых листов, изгибов а прочих образований оценивается их статистическими вкладами и статнстико-механическим поведением всей белковой молекулы посредствоя парциальной функции. Б этой функции не учтен вклад стабилизнрующиз контактов между локальными структурами на отдельных участках цепи. Отсюда и название анализируемого представления о процессе белкового свертывания как модели невзаимодействующих локальных структур По существу, она аналогична бусиннчной модели без подвесок Кунтца и соавт. [32~, только в данном случае Ге и Абе представляют белковую цепь не в виде отдельных аминокислотных остатков, аппроксимированных жесткими сферами, а в виде целых конформационно жестких образований, каждое из которых включает непрерывный участок аминокислотной последовательности.

Предположение об отсутствии взаимодействий между ними позволяет рассчитать парциальную функцию модели. Но даже в этом случае непременными условиями являются знание нативной конформации, которая обязательно должна быть однодоменной, и предположение о равновесности и двухфазности процесса свертывания белковой цепи, т.е представление его как фазового перехода первого рода. Модель, наверняка, становится несостоятельной, если по ходу сборки образуются локальные структуры, отсутствующие в нативной конформации белка, что, как многократно показано, является экспериментальным фактом.

Одно из наиболее существенных отличий процесса свертывания белковой цепи от перехода спираль — клубок синтетического полимера связано с дальними взаимодействиями, обусловливающими в значительной мере глобулярную форму нативной конформации белков. Свободная энергия глобулы по отношению к энергии полностью развернутого состояния.

согласно Ге [6П, может быть выражена суммой двух членов, пропорциональных объему и площади поверхности глобулы. При одном и том же объеме энергия системы будет минимальной прн реализации пространственного строения белка в форме одной глобулы. Данное соображение послужило основанием для создания Гй однодоменной глобулярной модели свертывания белковой цепи, согласно которой амннокислотная последовательность на любой стадии ее структурирования состоит из двух частей— 492 обулы и клубка, а сборка белка заключается в монотонном переходе атков из одной части, беспорядочно флуктуирующей, в другую— рядоченную, конформационно жесткую часть. Эта модель Ге, как и последующие модели с Такетоми [57-59] и Абе (60], находится, таким разом, в полном согласии с термодинамической теорией двух состояний .

Брандтса (62-64]. й М. Канехиса и Т. Тсонг (65] разработали теорию так называемой яластерной модели равновесного свертывания белковой цепи, которая, в аяличие от однодоменной глобулярной модели Ге, допускает существоваяие в рамках двухфазного процесса Брандтса различных путей формирования локальных структур (кластеров). Полипептидную цепь Канехиса и Тсонг рассматривают в виде последовательности чередующихся беспорядочных и упорядоченных областей. К последним отнесены вторичные дтруктуры, повороты цепи и гидрофобные ядра. Предположено, что их )збразованне происходит на ранней стадии структурирования белка и пбусловлено главным образом взаимодействием с окружением, которое вызывает, как и поверхностно-активные вещества, уменьшение свободной энергии поверхностного слоя, т.е. ослабление поверхностного натяжения.

Статистический вклад беспорядочной области независимо от ее размера полагается равным единице, а вклад упорядоченной области из е остатков определяется произведением 5 Р" (обозначения авторов), где л считается равным пР'. Логарифм первого множителя (5) представляет собой разницу ебъемной свободной энергии дв>х состояний (пе), образующуюся в Основном за счет вкладов энтальпии невалентных связей в одном из них и конформационной энтропии в другом. Логарифм второго множителя (У) определяет разность поверхностной свободной энергии (бо), которая уменьшается при коагуляции упорядоченных областей (т.е. при образовании кластеров) и отделении их от неупорядоченных областей.

В модели Канехиса и Тсонга состояние полипептидной цепи может передаваться набором многих микроскопических конфигураций, отличаЮщихся друг от друга размером кластеров и положением их вдоль цепи, Важнейшими характеристиками состояния являются количества кластеров в последовательности (й) и остатков в кластере (гл). Значения й и и ограничены лишь протяженностью цепи. Кластерная модель описывает равновесный двухфазный процесс свертывания, т.е, предполагается существование только двух термодинамических стабильных состояний белковой цепи, отвечающих двум минимумам свободной энергии. Переход между ними сводится к тому, что все микроскопические состояния должны входить в распределение одного оптимального макроскопического состояния илн другого.

Динамика кластерной модели трактуется как беспорядочный, стохастический процесс, характеризующийся вероятностью переходов промежуточных состояний. Свертывание белка включает стадии зарождения, роста и миграции локальных структур. Случайность процесса означает, что свертывание молекул одного белка при одинаковых исходных состояниях и внешнем окружении может происходить различными путями без соблюдения последовательности соответствующих конкретных событий, но при условии статистической идентичности путем свертывания.

М. Канехиса и Т. Тсонг показали, что динамический процесс свертыва- 493 ния белка делится на две стадии — медленную и быструю, очередность а продолжительность которых зависят от кооперативности внутримолек лярных взаимодействий макросистемы и от внешних условий. В одних случаях фактором, ограничивающим скорость перехода, является быс; рый рост кластера критического размера. Здесь динамика свертывания подобна переходу спираль — клубок гомополипептида. В других случаях скорость процесса определяется более поздней стадией, когда происхо.

дит ассоциация образовавшихся ранее мелких кластеров в круп. ные. Авторы отмечают, что наиболее важная особенность класгернов модели заключается в том, что она демонстрирует возможность сосу. шествования локальных структур в условиях денатурации в зависимости от свободной энергии поверхностного слоя. Число локальных струк. тур возрастает с ослаблением поверхностного натяжения.

Это нмеег место в экспериментах с денатурацией белка 1п чйго при высоких концентрациях денатуранта или низких значениях рН, В естественных, физиологических условиях свертывания белковой цепи (и чгяо энергия поверхностного натяжения выше и количество локальных струкзур меньше. Н. Ге, рассматривая возможные пути достижения промежуточного, активированного состояния, предполагает, что этой стадии предшествует образование зародышевых, эмбриональных структур [66]. В предложенной им модели, названной эмбрионуклеационной, возникновение эмбрионов происходит за счет ближних взаимодействий, которые могут быть как согласованными, так и не согласованными с дальними взаимодействиями, актуальнымн для отдельных нуклеаций и белковой глобулы в целом. В первом случае будет иметь место дальнейший рост эмбриона и переход его в стабильную локальную структуру (нуклеацию), а во втором— распад,При согласовании ближних и дальних взаимодействий Ге допускает два механизма свертывания цепи [18].

По одному из них, механизму миграционного развития, эмбрион развивается путем поверхностной сорбции остатков неупорядоченной области и слияния с соседними по цепи эмбрионами. По другому, диффузионно-коллизионному, предложенному М.Карплюсом и Д. Унвером [67], эмбриональный рост происходит в результате столкновения н последующей коагуляции двух (или более) эмбрионов, принадлежащих разным, далеко отсгоящнм участкам последовательности. Оба механизма не противоречат друг другу и, по-видимому, отражают разные стадии процесса сборки.

Первый требует меньшей потери энтропии и поэтому предпочтителен в начальной фазе структурярования. Второй сопряжен со значительным ограничением конформационной свободы и может быть выгоден после создания стабильных эмбрионов, переходящих в нуклеации. Впрочем, П.

Ким и Р. Болдвин усматривают в диффузионно-коллизионном механизме еще одну возможность объединения зародышевых форм [68]. Они предполагают, что соударения эмбрионов приводят к конформацнонным пересгройкам, благоприятным для нх объединения. Рассмотренные исследования сверхупрощенных и плоских решетчатых моделей, а также чисто умозрительные описания процесса сборки белков отражают ситуацию в теоретическом конформационном анализе, сложив- 494 чпуюся к середине 1980-х годов. Общей идейной основой всех высказанных соображений служила теория двухфазного равновесного механизма свертывания белковой цепи, предложенная Брандтсом [62], Проследим теперь за развитием работ в этой области в последнее десятилетие. Первые теоретические модели сборки белков, по-видимому, нз-за их абстрактного характера, вначале не вызвали заметного резонанса.

Однако начиная со второй половины 1980-х годов интерес к ним, особенно решетчатым моделям. стал расти. К. Дилл и соавг. [69-78], Дж. Сколник и соавт. [79, 80] увидели в этом подходе новые возможности в изучении общих закономерностей процесса ренатурации. Исследования начались с более детальных разработок плоской решетчатой модели Ге с двумя типами вминокислотных остатков.

Характеристики

Список файлов книги