Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 134

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

Текст из файла (страница 134)

Простота этой модели позволила Диллу и сотрудникам проанализировать все возможные конформационные состояния белковой цепи и выявить ее типичные реакции на изменение внешних условий. Г. Шерага и соавт. [28] считают, что один из наиболее интересных результатов такого расчета состоит в утверждении, не идущим вразрез с общепринятым мнением, что образование локальных регулярных структур, т.е. а-спиралей и [1-складчатых листов, является следствием плотнейшей упаковки и энергетической предпочтительности этих форм. При вариации положений аминокислотных остатков двух типов— полярных и неполярных — была обнаружена избирательность последовательности в отношении образования уникальных конформационных состояний. Показано также, что мутация может быть как нейтральной, так и влияющей на конформацию в зависимости от положения заменяемого остатка в цели [77, 78].

Расчеты решетчатой модели Дилла связаны с анализом представительного набора всех возможных комбинаций иминокислотных остатков и поэтому могут быть выполнены только для сравнительно коротких целей (< 30 остатков). Распространение модели на более длинные последовательности сопряжено с отказом от исчерпывающего рассмотрения вариантов и обращением к процедуре Монте Карло [81, 82] и генетическим алгоритмам [83], Развивая двумерную решетчатую модель, Дилл и соавт. [75, 76] разработали эвристический алгоритм сборки белка, основанный на гипотезе о гидрофобном кооперативном механизме свертывания полипептидной цепи, подобном действию "застежки-молнии" (зиппера).

Похожая идея впервые была высказана Р. Мэтесоном и Г. Шерагой, предположившими гидрофобное происхождение нуклеационных ядер [84]. Алгоритм Дилла моделирует односторонний процесс ренатурации и предназначен не для изучения физических аспектов этого явления, а для поиска глобальной конформации в сугубо специфическом ее решетчатом воплощении. В потоке работ по упрощенному абстрактному моделированию самоорганизации пространственного строения белковых молекул выделяются исследования Е. Шахновича, М, Карплюса и соавт.

[85] и П. Леопольда и соавт. [86], расширивших решетчатую модель с плоской до объемной и увеличивших длину рассчитываемой последовательности, оставив неизменным ее предельно простой алфавит из двух букв (типов остатков). Исследовав кинетику процесса свертывания такой цепи в кубическом конформациониом пространстве (критерием служило время появления 495 глобальной конформации при использовании процедуры Монте Карло) авторы работы [85] пришли к выводу о том, что в белковой последова. тельности помимо геометрии термодинамически самой предпочтительноя структуры закодирован и кратчайший путь ее образования.

П. Леопольд и Е. Шахнович [87] сформулировали кинетическую гипотезу свертывания белка как альтернативную традиционной термодинамической гипотезе, Против такой точки зрения и, конкретно, против заключения, сделанного в работе [85], выступили Сколник и соавт. [56], посчитав их недостаточно обоснованными. Грубость модели, случайность и неполнота рассчитанных вариантов, а также полученные результаты не позволяют делать обобщенные выводы принципиального порядка.

11озднее М. Карплюс и совет. [88] воспроизвели на кубической решетчатой модели свертывание последовательности из 27 остатков двух типов, рассмотрев полный набор возможных конформационных состояний и идентифицировав в нем состояние, глобальное по энергии. Затем, начиная с флуктуирующего клубка процесс сборки был неоднократно повторен, но при использовании прежней процедуры Монте Карло [85].

Были выяснены частота и скорость появления глобальной ["нативной"] конформации при выборочном случайном поиске. Авторы [88] отметили легкость, с которой данная последовательность приходит к этой форме и большой отрыв ее энергии от энергии следующей за ней формы. Е. Шахнович и А.Гутин предприняли попытку на трехмерной решетке белка из 27 остатков двух типов оценить влияние гетерогенности белковой последовательности на образование уникальной "нативной" конформации [89, 90). Они также пытались выяснить, варьируя последовательность, условия возникновения компактной глобулярной формы [91, 92).

Авторы отметили определенное сходство модельной системы с реальными белками и сделали вывод, что данная белковая решетка может послужить исходной для последующей детальной разработки. Позже, однако, исследуя свертывание условной цепи из 80 звеньев, Шахнович заключил, что последовательность из 27 звеньев двух типов недостаточно специфична для моделирования реального процесса белкового свертывания в уникальную нативную конформацию [93].

В этой работе автор шел в обратном направлении — от заранее выбранной целевой структуры к конструированию последовательности, следуя ранее развитой процедуре. В конечном счете, он пришел к выводу, что природная белковая цепь оптимальна как в термодинамическом, так и кинетическом отношении. Дж. Сколник и соавт. [94, 95] создали ряд более сложных трехмерных решетчатых моделей, имеющих по несколько вариантов, различающихся системами координат и количеством взаимодействующих центров, представляющих аминокислотные остатки.

Ими описана, например, модель, в которой следующие друг за другом остатки занимают в решетке не ближайшие места, а положения, отвечающие ходу коня в шахматах. Есть модель, в решетке которой предусмотрены дополнительные центры, предназначенные для боковых цепей. М. Хао и Г. Шерага использовали процедуру Монте Карло для энтропийного отбора проб в исследовании 38-остаточного модельного белка [96] 49б к помощью пространственной решетки Дж. Сколника и А.

Колинского [94] стремя типами (полярным, неполярным и нейтральным) остатков. Путем селекции последовательностей они показали, что свертывание цепи с оптимизированным порядком представляет собой фазовый переход перрого рода, в реализации которого принимают участие кооперативные дальние взаимодействия.

Свертывание цепей со случайными порядками происходит только за счет ближних взаимодействий и поэтому не приводит к плотно упакованным структурам. Наивысшим достижением работ Сколника явилось изучение путей свертывания с идентификацией проме жуточных стабильных состояний и расчет трехмерных структур белков апопластоцианина и триозефосфатизомеразы со среднесгатистическими отклонениями атомов С от их действительных положений соответственно б,0 и 3,0 А [97].

Однако эти результаты не решили общую проблему свертывания белков, поскольку для их получения были использованы многие детали известных экспериментальных структур. Недавно Сколник и соавт. [55] предложили более общий подход, когорый свободен ог привнесения в расчет опытных данных, касающихся локальных конформа ционных состояний. Перспективы его еще недостаточно ясны, тем не менее первая попытка независимого определения с его помощью направления закрутки четырех а-спиралей в суперспнраль привела к результатам, совпадающим с экспериментом [98].

Новый метод решетчатого моделирования разработали Д. Ковел и Р. Джерниган (99]. В их трехмерной решетке, ограниченной в размерах и форме объемом натнвной конформации исследуемого белка, авторьз смогли прогенерировать все варианты состояний небольших аминокнслотных последовательностей. Используя эмпирические потенциальные функции контактирующих пар остатков, предложенные С. Миязавой н Р.

Джерниганом [100), опи рассчитали решетчатые конформации пяти ниэкомолекулярных белков [Зб-62 остатка). Во всех случаях структура, близкая к нативной, не была самой предпочтительной, но тем не менее находилась в наименыпем по энергии 2%-м наборе конформационных вариантов. Авторы полагают, что метод будет полезен в стартовом определении вероятных путей свертывания аминокнслотной последовательности в ограниченном пространстве. Проверка реальных объектов, однако, показала, что метод, как и его более поздняя модификация [101), приводит к заметному расхождению теоретических и опытных конформационных параметров, не меньшему, чем то, которое наблюдалось со сверх- упрощенными моделями, предложенными в конце 1970-х годов [29 — Зб] Тот же качественный уровень имеют последние разработки Д.

Хиндса и М. Левитта [!02], Ф. Стиллингера, Т. Хид-Гордона и соавт [103, 104). Рассмотренные в этом разделе сверхупрощенные представления о белковой цепи и еще более абстрактные плоские и пространственные решетчатые модели сборки белка содержат ряд общих и неизбежных для данного подхода черт принципиального порядка. Аминокислотные остатки белковой цепи во всех моделях представляются в виде жестких сфер или пространственной решетки. Тем самым предполагается возможность решить хотя бы в чисто феноменологическом плане проблему структурной 497 самоорганизации белка не на атомно-молекулярной основе, а на боле грубом уровне.

Характеристики

Список файлов книги