Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 24

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

Текст из файла (страница 24)

Такой путь следует считать бесперспективным, так как он в принципе, а не из-за сложности проблемы или недостатка экспериментального материала, не может привести к конечной цели — априорному количественному описанию геометрии и конформационных возлюжностей остатков в белковой глобуле. Не может играть он и вспомогательную роль, например, в получении промежуточных данных о структуре или сс отдельных частей, которые были бы полезны в последующем уточнении.

Бесперспективность эмпирического подхода подтверждают результаты всех предпринятых за последние три десятилетия попыток следовать ему Свертывание белковой цепи. Для познания принципов структурной организации белковых молекул чрезвычайный интерес представляет явление денатурации (ренатурации). Переход нативной конформации белка в развернутую неструктурированную форму и обратный переход флуктуирующего статистического клубка в исходную компактную трехмерную структуру есть не что иное, как процессы разрушения и формирования именно тех самых связей, которые и обусловливают структурную организацию белковой молекулы.

Анализ работ, посвященных экспериментальным и теоретическим исследованиям денатурации белков, был начат в предшествующем томе (2. Ч. 111]. Перед тем как продолжить эту тему, кратко напомним основные итоги уже проведенного обсуясцения. Изучение структурной самоорганизации позволило сформулировать фундаментальное положение о том, что конформация белковой молекулы отвечает термодинамически равновесному состоянию и, как таковое, не зависит от конкретных внешних условий свертывания белковой цепи (ш ч(чо, (п чпго или с помощью шаперонов) и от ее предыстории, т.е, способа получения (биосинтез или химический синтез).

Конечная пространственная структура определяется исключительно составом и порядком расположения аминокислот в последовательности. Было доказано, что все необходимые сведения о физиологически активной форме белка заключены в его химическом строении. Трансляция линейной информации в трехмерную структуру возможна, однако только при вполне определенных физиологических условиях (температура, давление, рН, ионная сила, присутствие простетических групп, ионов металла). При их соблюдении сборка осуществляется спонтанно в том смысле, что принятие белком своей равновесной нативной конформации не требует специального морфогенетического молекулярного аппарата, подобного тому, какой необходим, например, для включения двойной спирали ДНК в нуклеосому.

Дать трактовку механизма свертывания белковой цени из состояния статистического клубка в строго детерминированную трехмерную структуру — это значит ответить на следующие вопросы; 1. Каковы побудительные мотивы самопроизвольно протекающего процесса сборки природной амннокнслотной последовательности в нативную конформацию нли, иными словами, какие силы управляют процессом? 2.

Каким образом совершенно беспорядочные случайные конформационные флуктуации белковой цепи (вращение вокруг ординарных связей) спонтанно и безошибочно приводят к созданию всегда одной и той же у данной последовательности определенной трехмерной структуры белка? 3. Почему столь мала продолжительность сборки нативной конформации белка, осуществляемой по беспорядочно-поисковому механизму, казалось бы неизбежно связанному с перебором практически бесконечного массива конформационных флуктуаций? Начиная с исследований М. Ансона и А. Мирского 1930-х годов и по сегодняшний день, т.е, в течение более б0 лет, предпринималось множество попыток ответить на поставленные вопросы. Для оценки полученных результатов приведу совсем недавние высказывания ряда известных специалистов. Так, Е.

Лзттман и Г. Раузе в работе 1993 г. следующим образом характеризуют состояние проблемы свертывания белка; "Несмотря на интенсивные исследования, обобщенное физическое понимание процесса свертывания остается туманным, а сама проблема свертывания белка, т.е, понимание того, как аминокислотная последовательность определяет трехмерную структуру, егце ждет своего решения... Эта проблема предстает как один из наиболее значимых научных вызовов ХХ века" 19. С. 439). Аналогичные мнения имеют такие авторитеты в этой области, как Т, Крейтон и А.

Фершт. Первый полагает, что наука по существу еп1е не приблизилась к решению проблемы свертывания белка 110), а второй, отмечая сложность проблемы и называя ее даже "устрашающей задачей" Г'дапш)п8 1аз)с"), в 1993 г. писал: "Выявление принципов, управляющих свертыванием, предполагает громадную нерешенную проблему, поскольку еще невозможно рассчитать бе почо путь свертывания белка нлн даже выяснить, является ли известная структура стабильной" 111, С. 5). Отсутствие серьезного прогресса вплоть до начала 1980-х годов можно было объяснить неразработанностью теоретических основ изучения процессов структурообразования, протекающих в открытых системах вдали от положения равновесия; речь идет о целой области естественнонаучных знаний — нелинейной неравновесной термодинамики или физики статистико-детерминистических процессов.

Немалую роль, по-видимому, играл и психологический барьер, возникающий всякий раз при встрече с уникальным, не имеющим аналогий и, следовательно, требующим нетрадиционного подхода, явлением, каким, безусловно, является спонтанное возникновение трехмерной структуры белка. Подход, до последнего времени используемый в изучении механизма свертывания, имеет следующие характерные черты принципиального порядка. 82 1, В разработанных моделях процесс структурной самоорганизации белков принимается термодинамически обратимым двухфазным переходом первого рода. Его описание основывается на равновесной термодинамике ~статистической физике) и формальной кинетике, конкретно, на термодинамической теории двух состояний Дж.

Брандтса ~12, 13). Свертывание белковой цепи представляется (что неизбежно при чисто статистической трактовке) равновесным процессом последовательного увеличения содержания микросостояний трехмерной нативной структуры белка при одновременном точно таком же уменьшении содержания микросостояннй альтернативной исходной структуры — флуктуирующего клубка. Полагают, что все промежуточные макросостояния наделены только чертами начального н конечного равновесных состояний, непосредственно и быстро переходящих друг в друга в соответствии с направленностью процесса и при отсутствии заметных количеств промежуточных метастабильных продуктов. Однако, поскольку рассмотрение всех явлений спонтанного зарождения порядка из беспорядка находится вне компетенции равновесной термодинамики и статистической физики, то любая трактовка на этой основе свертывания белковой цепи в принципе не может вскрыть побудительных мотивов возникновения и развития процесса самоорганизации высокоупорядоченной структуры из хаотического состояния, его направленности, высокой скорости и обратимости.

Такое описание противоречит также многим известным опытным фактам, касающимся строения промежуточных продуктов самосборки белка и кинетики реальных процессов ренатурацни. 2. Во всех предложенных равновесных термодинамических моделях важнейшей характеристикой упорядоченного состояния белка считается глобулярность его нативной конформации с внутренним гидрофобным ядром н внешней гидрофильной оболочкой. Такое укоренившееся представление имеет, как уже отмечалось, мало общего с действительными трехмерными структурами белков в отношении как пространственной формы, так и характера распределения в глобуле аминокислотных остатков, в значительной мере искусственно подразделяемых на полярные и неполярные.

Чтобы избежать рассмотрения неподдающихся учету при данном подходе гетерогенности белковой цели и неравномерности упаковки аминокислотных остатков в натнвной конформации, глобула предполагается структурно гомогенной, что не отвечает реальной ситуации. 3. Предложенные модельные описания механизма свертывания белка неполны, непоследовательны и противоречивы. Они, по существу, не отвечают нн на один из принципиальных вопросов, возникающих при изучении уникального в природе молекулярного явления самопроизвольного зарождения н развития порядка из хаоса.

Для приближения конечных результатов теоретического рассмотрения процессов сборки к наблюдаемым экспериментальным данным в расчеты привносятся (без объяснения причин и механизма возникновения) никак не следующие из статистической физики и равновесной термодинамики представления об эмбрионах, ядрах и нуклеациях или вводятся известные из опыта структурные элементы натнвных конформаций белков, как правило, оьспирали и 1)-складчатые листы. 83 Главный вывод, который можно сделать как из общих соображений,так и анализа теоретических разработок, заключается в принципиальной несовместимости спонтанного, быстрого и безошибочного свертывания беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в строго детерминированную трехмерную структуру, с одной стороны, и используемого дли изучения этого явления аппарата классической равновесной термодинамики и формальной кинетики, с другой.

Ни в одной работе по моделированию процесса структурной самоорганизации белка не обращено внимание на "противосстествениость", с точки зрения этого аппарата, самого феномена спонтанного возникновения высокоупорядоченной структуры из беспорядка. Исследования денатурации (ренатурации) белков, проведенные в последние годы, не внесли качественных изменений в понимание самопроизвольного процесса свертывания белковой цепи и состояния структурной организации белковой молекулы. Поставленные выше вопросы так и остались без ответов, о чем говорят недавно опубликованные обзоры (9-11, 14, 15).

Развитие этой области в конце 1980 — начале 1990-х годов в теоретическом отношении свелось к некоторому обновлению научного словаря н появлению ряда гипотетических схем, мало что добавивших к уже существовавшим моделям. Особенно оживленно обсуждаются в литературе модель гидрофобного схлопывания (ЬудгорЬоЬ(с сойарзе) и каркасная модель ((гашеч ог)опоре!). Гидрофобная модель основывается на предположении, что по ходу свертывания белковой цепи в центре флуктуирующего клубка возрастает концентрация гидрофобных остатков (16-18). В рамках этих представлений наиболее популярной трактовкой механизма самоорганизации белка является в настоящее время гипотеза так называемой расплавленной глобулы (шо11еп 8!оЬо)е) [19-21].

Ее основные положения сводятся к следующим: а) самоорганизация белковых молекул проходит во времени через несколько стадий, так что на каждой последующей стадии формируется все более сложная и все менее флуктуирующая структура; б) флуктуирующие зародыши той или иной структуры, сформированные на каждой стадии, направляют формирование более сложной и более стабильной структуры на следующей стадии; в) результаты, полученные на каждой стадии, не переделываются, а лишь закрепляются на последующих стадиях. Выделяют, как правило, три стадии самоорганизации. На первой стадии в развернутой белковой цели образуются за счет гидрофобных взаимодействий флуктуирующие зародыши вторичной структуры.

Характеристики

Список файлов книги