Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 149
Текст из файла (страница 149)
В чем же причина существенного разрыва между современным уровнем развития биологии и относительно скромным прогрессом научной медицины? Почему наши знания о протекающих в организме человека процессах жизнедеятельности оказываются столь неадекватными нашим возможностям в исправлении этих же процессов при отклонении от нормы? Почему между двумя близкородственными областями знаний (биологией и медициной) так неэффективно уаботает механизм трансформации имеющейся информации в практияеские результаты, представляющие для человека первостепенный интс()ес? Все ответы на поставленные вопросы сходятся на том, что причины 1яабой восприимчивости научной медицины к достижениям в изучении Зшвого кроются отнюдь не в ней самой, а в уровне развития современной биологии, прежде всего молекулярной, а если быть более точным, то — в 1ерьезном отставании (или даже отсутствии) теоретической биологии от )кспериментальной.
Сегодня биология позволяет во многих случаях ветить на вопрос "как?" или на вопрос телеологического характера "для его?". Однако несмотря на все свои успехи, биология, в отличие от изики и отчасти химии, не стала еще каузальной наукой. В подавющем большинстве случаев, если речь идет о количественной дока- тельной трактовке, а не о феноменологическом, правдоподобном объясении, она затрудняется ответить на вопрос "почему?". Современная )еолекулярная биология характеризуется наличием существенного разрыва )еежду знанием и пониманием.
Ее уровень и господствующая методология 1 многочисленными корреляционными соотношениями, эмпирическими методами, чрезвычайно упрощенными моделями и гипотетическими рписаниями недостаточны для дальнейшего развития познания и решения драктически важных, определяющих здоровье и саму жизнь человека ~опросов. Для доказательства сказанного кратко остановлюсь на одном )(онкретном примере. Он касается аспартатных протеиназ, интерес к )ееханизму действия которых особенно возрос в последнее время в связи с рбнаружением ферментов этой группы у ретровирусов, вызывающих в Ррганизмах человека и животных такие болезни как СПИД, некоторые аиды лейкозов, сарком и онкоопухолей молочных желез. Очень важно то рбстоятельство, что аспартатные протеиназы ретровирусов играют клю'чевую роль в их жизненных циклах (358 — 362).
В клетке-хозяине они ~идролизуют белки ядерных капсид, окружающих вирусные РНК, рас~1епляют полибелковые цепи на зрелые структурные белки и ферменты, участвуют в репликации ретровирусов. Вирусные протеиназы в состоянии Уакже гидролизовать белки инфицированных клеток, нарушая целостность ~х структурно-функциональной организации. В то же время клеточные йротсолитические ферменты не обладают способностью расщеплять Г ирусные протеиназы и выполнять их функции.
Таким образом, в утствие протеиназ или при их ингибировании вирусы иммунодефицита еловека (Н1Ч-1, Н1Ч-2) и обезьяны (81Ч), а также опухолеродные вирусы ие смогли бы обрести инфекционные формы. По этой причине протеиназы ретровирусов стали объектами столь пристального внимания энзимологов И медиков. Аспартатные протеиназы ретровирусов уже через два-три года после их открытия стали одними из наиболее экспериментально изученных ферМентов. Основное внимание было уделено протеиназе Н1Ч-1, о структуре И функции которой сейчас известно, пожалуй, больше, чем о таком классическом объекте, как пепсин, открытом еще в 1836 г.
Подробно об этом в следующем томе. Сейчас лишь отметим, что стал очевиден один из эффективных и простых путей поиска средств защиты от ретровируса. Он заключается в создании особых ингнбиторов аспартатной протеиназы !8. Проблема белка, т. 3 545 Н1У-1. Практически эта задача оказалась чрезвычайно сложной и на с годняшний день нерешенной Среди требований, предъявляемых к слоист вам ингибиторов, главное и самое трудновыполнимое касается избнрател ности их действия. Ингибиторы, обладающие терапевтическим эффектом должны быть прежде всего аысокоспецифичны до такой степени, чтоб,, дезактивируя ретровирусную протеиназу, не нарушать нормальног~ функционирования как аспартатных, так и других протеолитнческих ферментов клетки-хозяина.
Для целенаправленного поиска ингибиторов удовлетворяющих этому требованию, необходимо располагать количест. веннымн данными о всех стадиях катализа вирусной протеиназы я механизмах функционирования протеиназ инфицированной клетки, а также владеть методом решения обратной структурной задачи, те конструирования химического строения ингибитора по заданной про странствснной форме. Вероятность обнаружения таких ингибиторов экспериментальным или эмпирическим путем мала.
Помимо того, что этот пУть ненадежен, он чРезвычайно доРогостоЯщ и пРодолжителен На несовершенство используемого подхода, допускающего исследование только в направлении от функции к структуре, указывают разработанные схемы катализа аспартатных протеиназ. Онн интересны атом отношении, что исходят по существу из одного и того же экспериментального ма. териала, включающего данные рентгеноструктурного анализа и результаты многочисленных биофизическнх и биохимических исследований, а также базируются на одинаковых традиционных, теоретических представлениях о природе бнокатализа. При единстве исходного опытного материала, теоретической основы и в рамках одного подхода были предложены пять различных стереохимических моделей функционирования аспартатных протеиназ, которых, впрочем, могло быть н больше 1363-3бб1.
Результаты использования эмпирических н экспериментальных методов в исследованиях аспартатных протеиназ, как н аналогичные результаты исследований химотрипсина, трипсина, карбоксипептидазы, лизоцнма я других ферментов [1081, дают основание заключить, что появление уникальной количественной опытной информации о пространственном строении белков и их комплексов не привело к концептуальному развитию энзимологин н переосмыслению сложившихся представлсний о природе биокатализа. Не изменилась также направленность биокаталнтических исследований, по-прежнему следующих от функции к структуре 3то не случайно, поскольку результатом такого подхода может быть лишь знание морфологии белков на атомно-молекулярном уровне, которая сама по себе не является конечной целью изучения элементарных биоснстем.
Дальнейшее развитие молекулярной биологии, как а медицинской науки, делает необходимым создание теоретической биологии. Признаками становления последней являются теории структурной и структурно- функциональной организации пептидов н белков, возникновение нового магистрального направления исследований от структуры к функции и. наконец, обратная структурная задача. 546 19.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ Рассматриваемый в этой главе метод решения обратной структурной задачи [26, 367] строится на общих принципах количественной конформационной теории пептидов и белков (см.
гл. 2), учете особой роли ближних взаимодействий в пространственной организации эволюционно отобранных аминокислотных последовательностей (см. гл. 5) и на использовании естественной классификации пептидных и пространственных структур (см. гл, 7). Ближние взаимодействия обладают одним, важным для решения обратной структурной задачи свойством, отсутствующим у средних и дальних взаимодействий. Основополагающее положение физической теории структурной организации белков, согласующееся с экспериментом и подтвержденное результатами расчета конкретных объектов, состоит в том, что реализующиеся в биологических условиях у пептидов и белков пространственные формы всех остатков отвечают наиболее выгодным конформациям свободных монопептидов (см., например, рис.
11.23 и Д.24). Средние и дальние взаимодействия ни в одном случае не вступают в противоречие с требованиями, диктуемыми ближними взаимодействиями. Последние определяют для каждого остатка набор дозволенных для него низкоэнергетических пространственных форм, которые поэтому являются универсальными в отношении последовательности. При свертывании пептидной цепи в нативную структуру только из таких наборов (см. табл. 11.17) происходит выбор (вначале под действием средних, а затем дальних взаимодействий) конформационных состояний всех остатков. Специфичной для пространственного строения любого пептида оказывается последовательность конформационных состояний остатков, а не сами состояния.
Следовательно, ближние взаимодействия заранее известны. Это обстоятельство позволяет менять и контролируемым образом, сознательно формировать наборы разрешенных для аминокислотных остатков конформационных состояний, или, иными словами, эффективно и целенаправленно воздействовать на пространственную организацию пептидов и белков. Средние и дальние взаимодействия, напротив, всегда уникальны, как и сами аминокислотные последовательности.
Они не поддаются прямым целенаправленным, прогнозируемым изменениям, результат их варьирования заранее неизвестен и трудно контролируем. Предсказуемо изменить конформационные возможности пептидов и белков с помощью ближних взаимодействий оказалоь нетрудно, Добиться этого можно прежде всего теми же простыми средствами, которые выработались в процессе самой эволюции органического мира. Перечислим некоторыс из уже апробированных способов решения конкретных обратных задач: замена в последовательности остатка с 1.-конфигурацией на 1)-изомер; Х-метилирование; замена или модификация боковых цепей остатка; замена аминокислоты на гидроксикислоту. Иерархический характер классификации пространственного строения пептидов (см.гл. 7) позволяет разделить обратную задачу на три ступени в соответствии с их структурной градацией на шейлы, формы и конформации.
Благодаря этому поиск решения задачи может строиться путем последовательной конкретизации искомой пространственной структуры 547 химически модифицированной молекулы. Согласно такой схеме, внача„ детерминируется соответствующий шейп пептидного скелета, зат и форма основной цепи и, наконец, точная геометрия нужной конформаци„ Следовательно, на первой ступени решение выражается в символах е яу на второй — в символах К, В, 1., Н и лишь на третьей ступени- численных значениях конформационных параметров ф, у, оз иля а координатах атомов.
Вначале рассмотрим выделение шейпов пептидио„„ скелета путем аминокислотных замен в последовательности ) -амя. нокислот. Для иллюстрации выбран пентапсптид, имеющий в общ„м случае 16 шейпов пептидного скелета. Как не раз отмечалось, включена. в цепь остатка пролина приводит к существенному ограничению ков. формационной свободы предшествующего остатка, делая практически невозможным реализацию у него К-формы (еслн только остаток, стоящий перед Рго, не является О(у) (368). Так как пролин может иметь только К- или В-форму, а предшествующий остаток находится в В- нли 1 -форме то основная цепь С-концевого дипептидного участка (Ргоз)-пентапептяда может принимать формы В-К, В-В, (.-К и (.-В, относящиеся к развернутому типу (е).
Замена остатков пентапептида и четвертом, третьем и втором положениях на Рго по той жс причине накладывает запрет на свернутые формы у соответствующих дипептидных участков (3-4, 3 — 2, 1 — 2). В результате количество возможных шейпов пептидного скелета у монопролинзамещенного пентапептида (за исключением (Рю')) сокращается вдвое. Очевидно, что прн замене на Рго двух остатков все возможные типы структур пентапептида будут относиться уже только к четырем шейпам. Целенаправленное выделение нужного типа пептидного скелета заменой одного остатка на Рго или путем включения его в соответствующее место последовательности достигается здесь за счет запрещения структурных вариантов многих других типов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
