Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 161

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

Текст из файла (страница 161)

Во-вторых, была апробирована физическая теория структурной организации белка, вскрывающая природу бифуркационных флуктуаций и утверждающая представление о нативной конформации белковой молекулы как о глобальной по внутренней энергии структуре, плотнейшим образом упакованной и согласованной в отношении всех своих внутриостаточных и межостаточных невалентных взаимодействий. Именно гармония между ближними, средними и дальними взаимодействиями ответственна за резкую энергетическую дифференциацию и выделение из множества возможных структурных вариантов стабильной и уникальной для данной аминокислотной последовательности конформации белка. В-третьих, продемонстрированы реальность фрагментарного метода теоретического конформационного анализа пептидов и белков и удовлетворительное количественное описание с его помощью их пространственных структур применительно к условиям полярной среды.

Под- 589 тверждены механическая модель молекулы и полуэмпирические потец. циалы ван-дер-ваальсовых, электростатических, торсионных взаимодеи ствий атомов и водородных связей. а также выбранная система пара. метризации. В результате проведенного исследования получены ответы на следующие вопросы проблемы белка, не находившие ранее своих решений: каким образом беспорядочные и случайные конформационные флуктуации статистического клубка приводят к появлению и развитию спонтанного процесса формирования высокоорганизованной трехмерной структуры белка; чем обусловлена высокая скорость беспорядочно-поискового механизма сборки белковой цепи; в чем причина безошибочности процесса структурной организации белка 1процесса, включающего только случайные и беспорядочно возникающие флуктуации), результатом которого всегда является свертывание одинаковых аминокислотных последовательностей в идентичные пространственные структуры 1см.

гл, 16). 12. Рассмотрен подход к решению обратной структурной задачи, основанный на физической конформационной теории природных пептидов и белков, прежде всего оценке особой роли ближних взаимодействий в их структурной организации и использовании классификации пептидных структур на шейпы, формы и конформации.

Показано, что можно добиться целенаправленного и контролируемого изменения структуры пептида за счет ближних взаимодействий простыми средствами, выработанными в процессе эволюции органического мира. Изложенный в книге подход к решению обратной задачи позволяет заранее, еще до синтеза и биологических испытаний целенаправленно конструировать модели искусственных аналогов, пространственные структуры которых отвечают низкоэнергетическим н физиологически активным конформационным сосгояниям природного пептида. Возможности теоретического моделирования искусственных аналогов продемонстрированы на конкретных примерах. Полученные результаты подтверждают необходимость его использования в изучении молекулярных механизмов функционирования пептидных гормонов, катализа ферментов, взаимодействий антител с антигенами и т.п.

1см, гл. 17). Изложенный в книге материал позволяет, по моему мнению, утверждать, что в настоящее время имеется объективное представление о принципах укладки белковой цепи в нативную трехмерную структуру и на их основе создан расчетный метод предсказания геометрии белковой глобулы и ее динамических конформационных свойств исходя только из аминокислотной последовательности. Проведенное обсуждение физических аспектов проблемы белка, соответствующих количественных экспериментальных данных и результатов априорных расчетов конформационных состояний природных олиго- и полипептидов сделало возможным объяснить причины протекания самопроизвольного, быстрого и безошибочного процесса свертывания белковой цепи в детерминированную трехмерную структуру. Знание 1и понимание) структурной организации пептидов и белков позволяет принципиально иным образом поставить проблему структурно-функциональной организации этих соединений, что приведет к получению ранее недоступной информации о механизмах процессов жизнедеятельности и сделает реальным становление теоретической молекулярной биологии, не уступающей по строгости своих подходов и предсказательным возможностям теоретической молекулярной физике.

Однако я далек от мысли, что теоретическая разработка проблемы структурной организации белков уже завершена и предложенный метод расчета нативных конформаций белковых молекул не нуждается в совершенствовании. Представленные в книге разработки рассматриваются мнонз как введение, предваряющее и подготавливающее создание экспрессиых методов анализа конформационных возможностей пептШ1ов и белков.

Высоко оценивая значимость крнсталлографических и иных опытных данных о белках, следует тем не менее иметь в виду их принципиальную недостаточность в решении ряда общих и многих конкретных вопросов структурной и структурно-функциональной организации. Поэтому теоретический конформационный анализ неизбежно должен стать неотьемлемой составной частью всех исследований морфологических и биологических свойств белковых молекул. Для этого необходимо, чтобы расчетный метод был бы менее трудоемким и более быстрым, чем изложенный в книге метод априорного расчета. Надежность существующего метода подтверждается хорошим совпадением результатов расчета с опытными данными.

Точность рассчитанных априорно координат атомов нейротоксина П и панкреатического трипсинового ингибитора не уступает точности рентгеноструктурного анализа белков с разрешением -2,0 А. О его скоростных качествах можно судить по следующему примеру. Так, полный расчет трехмерной структуры белка, имеющего -100 аминокислотных остатков, проводится двумя-тремя сотрудниками, владеющими методом, с помощью двух современных персональных колшьютеров за -4 месяца.

В настоящее время, когда эта цель достигнута, наступил период реализации приобретенного научного потенциала в изучении структурно- функциональной организации белков и в прикладных исследованиях. Сфера последних — почти все разделы молекулярной биологии и молекулярной генетики, а также фармакология, эндокринологня и многие другие области научной медицины. Поэтому требуется разработка нового метода, который не уступал бы точности и надежности первого, но обладал бы большей эффективностью и автоматизмом.

Высказанные ниже соображения о направлении поиска подсказаны результатами проведенных исследований и опытом, приобретенным при расчете первых белков и многочисленных пептидов. Можно считать доказанным, что важнейшая особенность природных аминокислотных последовательностей, ответственная за спонтанное возникновение высокоорганизованной пространственной структуры нз хаоса, заключена в химической гетерогенности полипептидной цепи. Гетерогенность аминокислотной последовательности, прошедшей через эволюционный отбор, порождает ее конформационную неоднородность и появление бифуркационных флуктуаций, структурирующих молекулу белка.

Можно также считать бесспорным, что конформационная неоднородность природной аминокислот- 591 ной последовательности проявляется в чередовании жестких и лабильлых олигопептидных участков. Геометрия первых практически полностью определяется взаимодействиями входящих в них остатков; вторые же обретают свою окончательную форму на завершающем этапе сборки под влиянием дальних взаимодействий, т.е. взаимодействий с остатками других участков. Чередование конформационно жестких и лабильных фраг. ментов превращает процесс свертывания белковой полимерной цепи в ряд параллельно идущих процессов самоорганизации жесгких структур олигопептидных участков, которые сначала практически не контактируют друг с другом. Затем происходит нх взаилюдействие между собой и с конформационно лабильными участками, что приводит в конечном счете к детерминации всей пространственной структуры белка.

Основная идея нового метода заключается в приближении расчетной схемы к естественному механизму структурной самоорганизации белковой цепи. Конкретно это означает, что расчет трехмерной структуры белка должен начинаться с анализа конформационных возможностей всех свободных жестких и лабильных фрагментов. Сложность заключается в том, что для э~ого необходима предварительная идентификация тех и других по одной аминокислотной последовательности, т,е.

выявление конформационной гетерогенности белковой цепи не в процессе расчета, как в существующем методе, а до детального анализа. Появление такой возможности сократило бы в десятки раз объем вычислительных работ, упростило бы саму процедуру счета и сделало бы метод конформационного анализа пептидов и белков доступным широкому кругу молекулярных биологов для решения множества прикладных задач. Достичь этой цели, т.е, предсказания по аминокислотной последовательности конформационно-жестких и лабильных участков, можно тремя способами. Один из них универсален, а два других, хотя и имеют частный характер, представляют самостоятельный интерес и могут дополнять и контролировать друг друга.

Первый способ требует распределения пространственного строения пептидных участков фиксированной длины ло определенным таксономическим группам — шейпам, обобщенным структурным элементам цепи, отражающим потенцию соседних остатков к средним взаимодействиям. По ряду причин оптимальными являются пентапептидные участки. Их структурная селекция по шейпам может быть осуществлена с помощью "скользящей рамки" с шагом в один остаток для всех белков, нативные конформации которых известны. Максимально возможное число шейпов у фрагмента из л остатков равно 2"-', при л = б оно составляет 16. Можно надеяться, что систематика белковых лентапептидных участков, количество которых превышает 100 тыс., по 16 группам и последующий анализ каждой группы приведуг к установлению корреляций между составом и порядком аминокислот в пентапептидах, с одной стороны, и шейпам основной цепи, с другой. Такие корреляции, очевидно, не будут однозначными, и для большинства пентапептидов приемлемыми окажутся три-четыре, а то и большее число шейпов.

Специаль ные расчеты, однако, показали, что и в этом случае конформациоино жесткие участки смогут обнаружиться по тенденции к снятию энергетиче ского вырождения шейпов фрагментов, перекрывающихся по 1-4 остат кам, а конформационно-лабильные — по отсутствию их заметной дифференциации по шейпам.

Характеристики

Список файлов книги