Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 23

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

Текст из файла (страница 23)

В исследованиях этого плана, как и предшествующего, надежда возлагается на то„что в результате анализа экспериментальных данных в конечном счете удастся разработать эмпирические правила, позволяющие предсказывать по известному химическому строению белка основные этапы свертывания, в первом случае, и нативную пространственную структуру, во втором. Далее, предполагается, если эти цели будут достигнуты, то станет ясно не только как возникает физиологически активная конформация, но и почему она возникает, т.е.

бу- 77 дут поняты принципы структурной организации белковой молекулы. Алгоритм предсказания трехмерных структур белка. Обзор основных работ, направленных на поиск эмпирических зависимостей между аминокислотными последовательностями и трехмерными структурами белков, был дан в предшествующем томе [2. Ч.

1Ц и будет продолжен в гл. 17 этого тома. Анализ имеющегося материала привел к следующим выводам, относящимся ко всему циклу исследований этого направления. 1. В основе всех поисков предсказательных алгоритмов лежит конформационная концепция Полннга, согласно которой трехмерная структура белка представляет собой ансамбль регулярных вторичных структур.

Позднее, развивая идею Полинга и Кори о взаимодействии вторичных структур, в конформационный ансамбль были включены супервторичные структуры. Единство всех исследований по отношению к этой концепции неизбежно, поскольку в противном случае очевидна бесперспективность поиска эмпирических корреляций и предсказательных алгоритмов, базирующихся на статистической обработке известных кристаллографнческих данных. Если основу пространственного строения сложных белковых макромолекул образуют не только отдельные немногочисленные стандартные блоки, но и практически неограниченное количество разнообразных нерегулярных структурных сегментов, то, очевидно, нельзя рассчитывать иа его описание с помощью простых правил, выведенных путем статистической обработки всегда ограниченного экспериментального материала. Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что общее содержание вторичных форм полипептидной цени в белках сравнительно невелико, во всяком случае его доверительное значение не превышает 50%.

Реализующиеся в нативных конформациях белковых молекул а-спирали и [)-структуры в действительности не являются, более того, у гетерогенных аминокнслотных последовательностей никогда не могут являться, строго регулярными [отклонения соответствующих двугранных углов (д, у) от их значений в гомогенной цепи составляют, как правило, десятки градусов, а иногда достигают 100-120').

Анализ также показал, что все стандартные аминокислотные остатки [за исключением Рго) имеют практически одинаковые возможности для встраивания в ст-спираль, ~)-структуру и неупорядоченные участки. Выбор определяется не индивидуальными свойствами остатков, а их комбинацией в последовательности, Таким образом, имеющийся экспериментальный материал однозначно указывает на несостоятельность традиционного представления о пространственной организации глобуляриых белков как ансамбля регулярных форм и на отсутствие общности в столь же распространенной искусственной классификации белковых структур на вторичные, супервторичные и третичные. Этот вывод, разумеется, не ставит под сомнение сам факт наличия в конформациях белков локальных структур основной цепи, в той или иной мере обладающих регулярностью.

2, Почти все эмпирические исследования структурной организации белка базируются на гидрофобиой концепции Козмана, согласно которой белковая глобула состоит нз гидрофильной внешней оболочки и гидро- 78 фобного ядра. "Одним из важнейших факторов, направляющих свертывание полипецтндной цепи, — пишут авторы одной фундаментальной монографии, — является расположение полярных и неполярных боковых групп, По мере синтеза белка его многочисленные гндрофобные боковые группы стремятся собраться внутри белковой глобулы, что позволяет им избежать контакта с водным окружением [точно так же сливаются механически диспергированные в воде капельки масла).

В то же время все полярные группы стремятся расположиться на поверхности молекулы белка, где они могут взаимодействовать с водой и другими полярными группами" [7. С. 133[. Не отрицая существования самого явления гидрофобности и развитого Козманом представления об энтропийной сущности гидрофобных взаимодействий и наличия противоположных тенденций в поведении полярных и неполярных атомных групп в водном окружении, можно тем не менее утверждать, что описанная выше модель структурной организации белка абсолютно нереальна, так же как некорректно сопоставление свертывания белковой цепи с коагуляцней диспергированных капель масла или фосфолипндов клеточных мембран.

Дисперсные частицы, образующие масляные капли, и молекулы фосфолипндов с четко выраженными полярными головками и гидрофобными хвостами свободны и поэтому в состоянии реализовать свое стремление собраться таким образом, чтобы свести контакты своих гидрофобных групп с водой к минимуму. Полярные и неполярные атомные группы боковых цепей и пептидные группы основной цепи белка не свободны и поэтому не могут следовать своим тенденциям и располагаться раздельно. Сказанное находится в полном согласии с экспериментом.

Статистический анализ местонахождения различных аминокислот во внутренних областях и на поверхности глобул у нескольких десятков белков известного пространственного строения не обнаружил различий в распределении так называемых полярных и неполярных остатков [81. Кроме того, по отношению к аминокислотным остаткам крайне условно само такое разделение, так как во многих из ннх полярные и неполярные атомные группы входят в одну боковую цепь и, следовательно, валентно связаны друг с другом.

Таким образом, структурная организация глобулярных белков не отвечает модели с гидрофобным ядром н гидрофильной оболочкой, а эффект гидрофобных взаимодействий не может быть использован для вывода полезных коррекций. 3. Общая для всех исследований рассматриваемого направления особенность состоит в стремлении авторов или вообще избежать, или крайне упростить учет взаимодействий даже между двумя соседними по цепи аминокислотными остатками. При эмпирическом подходе это неизбежно, поскольку признание значительной роли в формировании структуры белка межостаточных взаимодействий и порядка расположения аминокислот в цепи равносильно отказу от поиска простых корреляций.

Действительно, при огромном множестве возможных комбинаций как аминокислотных остатков в последовательности, так и конформационных состояний каждого остатка количество подлежащих рассмотрению структурных вариантов настолько велико, что для их корректной статистической обработки было бы недостаточно опытных данных о нативных структурах 79 всех имеющихся в природе белков. Эта ограниченность статистического и любого другого эмпирического подхода является принципиальной.

Она не оставляет никаких надежд иа возможность решения таким путем задачи структурной организации белка в будущем, при накоплении большего экспериментальногоматериала. 4. При эмпирическом подходе и обсуждении пространственного строения белковых молекул речь всегда идет лишь о конфигурации полнпептидной цепи при полном ипюрироваиии конформационных возможностей боковых цепей аминокислотных остатков, Между тем, именно взаимодействия боковых цепей, в которые входят около двух третей атомов молекулы белка, ответственны в наибольшей степени за стабилизацию и уникальные физические и биохимические свойства нативной конформации природной гетерогенной аминокислотной последовательности. В силу этого обстоятельства на локальных участках белковой цепи в зависимости от аминокислотного порядка возможна реализация самых разнообразных структур, причем, главным образом, нерегулярных.

Представление о том, что у гетерогенной последовательности наиболее компактными, энергетически предпочтительными во всех случаях оказываются только структуры с регулярной основной цепью, не подкрепляется физическими соображениями общего характера, противоречит экспериментальным данным и результатам теоретического анализа.

У белков с нерегулярным расположением вдоль цепи боковых радикалов пространственные структуры с регулярными формами основной цепи, очевидно, не могут во всех случаях обеспечить максимальное число эффективных внутримолекуляриых контактов, а поэтому не могут быть всегда самыми стабильными. Так как при статистическом анализе невозможно учесть взаимодействия боковых цепей и определить их конформации, то и нельзя на основе эмпирического подхода прийти к пониманию принципов пространственной организации белковой молекулы.

Ведь именно сложнейшая, строго упорядоченная, однако ие сводящаяся к регулярной, система взаимодействий боковых цепей специфична для каждого природного аминокислотного порядка, а поэтому только она и ответственна за практически беспредельное многообразие трехмерных структур белковых молекул и их динамических конформационных свойств. Реализующееся пространственное строение белка определяется конкретной аминокислотной последовательностью. В силу уникальности последней ее натнвная геометрия непредсказуема на основе среднестатистических характеристик уже изученных белков. Вероятностный подход адекватен синтетическим полипептидам, строение и свойства которых статистичны и описываются равновесной термодинамикой и статистической физикой.

Белок же в физиологических условиях однозначно детерминирован как в отношении своих конформационных свойств, так н функции, и должен являться объектом рассмотренна нелинейной неравновесной термодинамики. 5.Наконец, исследования структурной задачи проблемы белка с помощью эмпирического подхода объединяет единая стратегия поиска решения. Она заключается в том, чтобы на первом этапе предсказать, используя эмпирические корреляции, регулярные учасгки полипептндной цепи белка. Затем, оперируя идентифицированными фрагментами как 80 вердыми телами, построить грубую модель всей макромолекулы и ,гочнить ее путем минимизации энергии при вариации конформационных тепеней свободы.

Однако по причинам, указанным выше, невозможно не только создать совершенный предсказательный алгоритм, но и при наличии последнего (чисто гипотетический случай) получить удовлетворительное для минимизации начальное приближение, а имея его— проминимизировать с учетом всех переменных. Итак, можно констатировать, что у всех исследований, направленных иа разработку эмпирических предсказательных алгоритмов трехмерных структур белка, неадекватными изучаемому явлению оказываются и положенные в их основу спиральная концепция Полинга-Кори, и гидрофобная концепция Козмана об организации нативной конформации, и используемые методы, и выбранная стратегия решения задачи.

Характеристики

Список файлов книги