Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 135
Текст из файла (страница 135)
Создатели подобных моделей полагают, что для доств жения цели важнее иметь общее представление о конформационном пространстве и размере последовательности, чем знания об атомных деталях. К, Дилл и совет. [105[ вообще отрицают необходимость налнча„ у свертывающего полимера полипептидной структуры. В своем обзоре, опубликованном в!995 г., они пишут; "Кодирование уникальной компакт. ной конформации цепи может не требовать аминокислот; оно может требовать только способности синтезировать такие специфические после.
довательности, в которых, по крайней мере, один тип мономера являлса бы гидрофобным" [С. 561[. Стремление свести рассмотрение конформационных свойств природных аминокислотных последовательностей к анализу решетчатых моделен объясняется не только естественным желанием максимально упростить задачу. Не меньшее значение имело также то обстоятельство, что модели такого вида уже давно использовались в физике полимеров. Впервые и сразу жс в квадратном и кубическом вариантах они были предложены в 1947 г. У. Орром [1061 при изучении конформационных свойств синтетических гомополимеров и вскоре стали основой дальнейшего развития конфигурационной статистики полимерных цепей.
Лишь спустя 30 лет решетчатые модели были опробованы Ге и Такетомн для белков [57[ Моделирование сложного объекта с помощью простых схем может иметь физический смысл и быть оправданным только при одном непременном условии: исследуемые макросколнческие свойства этого объекта, а именно, самопроизвольное свертывание белковой цепи в компактную нативную конформацию, не должны определяться индивидуальными свойствами его микроскопических составляющих, т.е.
конкретным химическим строением 20 стандартных аминокнслотных остатков, Условие независимости состояния макросистемы от особенностей ее микросоставляющих соблюдается для синтетических полимеров, в том числе гетерогенных поли-гг-аминокислот со случайными порядками, но не соблюдается для природных аминокислотных последовательностей.
В доказательном плане и достаточно подробно этот вопрос рассмотрен во введении книги и главе 2. Там показано, что причина исключительной роли белков в процессах жизнедеятельности заключается в особой. присущей только им молекулярной структурной самоорганизации. Среди компонентов биосистем молекулярного уровня и известных искусственных полимеров лишь белковые последовательности способны самопроизвольна свертываться в строго детерминированные трехмерные структуры, геометрия и конформационные возможности которых полностью определяются в физиологических (натнвных) условиях составом и порядком аминокислотных остатков в цепи. В настоящее время неизвестен какой- либо другой класс полимерных соединений, наделенных такой же уникальной способностью. Это не значит, что такие полимеры не могут быть созданы в будущем, но у них, как и у белков, должна существовать неразрывная связь между макроскопическим поведением и химическим строением атомных групп мономерных звеньев.
Отказ от атомных дети лей и реального химического строения белковых молекул делает в прин- 498 [диле невозможным выявление специфических особенностей механизма 1свертывания и нативной трехмерной структуры белка. Пренебрежение конкретной аминокислотной последовательностью и ее йгонформационной спецификой ведет еще к одному принципиальному ограй~ичению сверхупрощенных моделей. Становится неизбежным предповюжение о равновесности процесса свертывания белка, что делает воз[Згожным его трактовку на основе уже упоминавшейся теории двух ]хостояний Брандтса [62].
Согласно этой теории, сборка белка принимается ва фазовый переход первого рода и представляется путем постепенного ягонотонного увеличения популяции микросостояний натнвной конформации при одновременном точно таком же уменьшении популяции микро1еостояний статистического клубка. В простейшем варианте механизма свертывания белковой цепи профиль популяции (%) выражается за.Висимостью свободной энергии от степени упорядоченности, имеюп1ей больцмановский вид: /с !пИ'. В предшествующем томе этого издания [107, ,гл.
9, 10] и в главах 2, 16 настоящего тома показано, что свертывание ,белковой цепи не является фазовым переходом, подчиняющимся теории Брандтов и, следовательно, не может быть объектом исследования ста,тистической физики и классической равновесной термодинамики. Самопроизвольный переход амннокислотной последовательности от состояния флуктуирующего клубка к детерминированной трехмерной структуре, т.с. ,спонтанное возникновение при беспорядочно-поисковом механизме порядка ,из хаоса, поддается непротиворечивой трактовке и количественному ,описанию (см, разд, 16.3) только на основе нелинейной неравновесной термодинамики — науки, изучающей статистико-детерминистические явления, суть которых во взаимообусловленности макроскопических и микроскопических свойств большого ансамбля.
Появление особых необратимых флуктуаций, возникающих благодаря этой взаимообусловленности,— уникальное свойство белковых молекул, определяемое их химическим Строением. Гетерогенность природной аминокислотной последовательности порождает термодинамическую неоднородность флуктуаций, дифференцируя их на обратимые и необратимые. Это ведет к специфической конформационной гетерогенности, а именно, чередованию вдоль цепи конформацнонно жестких и лабильных участков, которое, в конечном счете, обеспечивает свертывание белковой молекулы и делает этот процесс быстрым и безошибочным [108, 109].
Итак, можно заключить, что, по крайней мере, по двум причинам— неучету конкретной аминокислотной последовательности и представлению свертывания белка равновесным процессом, подход к решению проблемы структурной самоорганизации со сверхупрощенными и решетчатыми моделями белковой цепи бесплоден в принципе, что подтверждается результатами его использования в течение двух десятилетий.
Он не содержит независимой системы проверяемых расчетом постулатов или эвристических соображений, не базируется на самостоятельной теории, а получаемые на его основе результаты лишены априорности, т.е. являются прямым следствием исходных представлений авторов об изучаемом явлении. 17.2. ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Моделирование свертывания полипептидной цепи на основе эмля рических корреляций между аминокислотной последовательностью и вт ричной структурой — самый распространенный подход к исследована~ механизма:боркя белка. Впервые он был предложен в начале 1970.„ годов Г.
Шарагой и соавт. [38, 110, 111] и быстро получил развитие в работах О.$. Птицына и соавт, [112-120], В.И, Лима и соавт. [121 — 125] я Р. Сриннваасана [126]. В работе Г. Немети и Г. Шераги [12] невалентные взаимодейс"вня, определяющие трехмерн>ю структуру белка, были раз. делены на внутриостаточные н межостаточные, а последние — н, взаимодейшвия ближнего порядка, к которым отнесены взаимодействи„ данного осптка (и) с четырьмя предшествующими н четырьмя последукь шими в цеш остатками (л с л + 4), взаимодействия среднего порядка (л с л й 5-20) и !альнего порядка (п с л >+20). Для теоретического анализа процесса снртывания белковой цепи и выбора физической модели встал вопрос о фикциях отмеченных видов невалентных взаимодействий а структурно самоорганизации белковой молекулы.
Вот как их оценивают Немети и Дерага: "Методы, используемые для получения приближенной структуры 'т.е. такой, которая соответствовала бы минимуму потенциальной эиргии нативного глобулярного белка), основываются на положении о тсж что конформация остатка в белке определяется главным образом (н не исключительно) внутриостаточными взаимодействиями (Д. Котельук, Г. Шерага [127, 128]; А.В, Финкельштейн. О.Б. Птицын [129]; Г. Шпага [130]) н принимает свое нативное состояние под влиянием ближних, свдних и дальних взаимодействий (Г. Шерага н сотр. [131]Г, И далее автоы поясняют: "...внутриостаточные взаимодействия играют доминирую!ую роль в определении конформацнонных состояний остатков белка.
В токе время ближние, средние и дальние взаимодействия определяют дествнтельные значения ф и ~у, которые каждый остаток принимает~с выходя за пределы своего конформационного состояния, я посредствц которых точно описывается окончательная трехмерная структура зернутой полипептидной цепи (А. Бэржес, Г. Шерага [132])" [12. С. 340', Г. Немел и Г. Шерага считают внутриостаточные взаимодействия ответственмми за конформационное состояние остатка, т.е.
за выбор низкоэнер~тической области потенциальной поверхности у-у. При эюи они ссыла:тся на результаты расчета Котельчука н Шераги, ошибочность котсмх была показана ранее [25, 107]. Таким образом, вопрос о функции в амодействий между валентно несвязанными атомами боковой и основногдепей в процессе свертывания белка и стабилизации его нативной кзформации не был решен. Роль блкннх межостаточных взаимодействий, т.е, взаимодействий центрально остатка в нонапептиде, изучалась Шерагой и соавт.[131] при анали:лизоцима, Аминокислотная последовательность белка была разбита на4 участков, по девять остатков в каждом.
На одном участке при сохраняя центрального остатка (л) выделялись три-, пента-, гепта- я нонапепти~ые фрагменты. Для каждого из них строились конформа. ьз[ионнь»е карты»[»;»]»„, из которых определялись нулевые приближения для [[аэследующей минимизации энергии при варьировании только у л-го Ь!статна двугранных углов»[», »]», у» и уь Геометрические параметры дру- остатков фрагментов л + 1, л + 2, л й 3 и л + 4 жестко фиксировались и значениях, найденных в кристаллической структуре лизоцнма. В рельтате были определены оптимальные конформационные состояния итрального остатка и значения энергии отвечающих им пространствен»х форм три-, пента-, гепта- и нонапептидного фрагментов в каждол» нз '14 выделенных белковых участков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
