Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Найденные значения используются для построения энергетических профилей путей свертывания белковых цепей дикого и мутантного типов. На их основе определяются разностные энергетические диаграммы, которые показывают различия в уровнях энергии всех состояний на пути свертывания белка и мутантов. Реализация описанной процедуры приводит к эмпирическим зависимостям между важными для свертывания белковой цепи взаимодействиями боковых цепей и параметрами, по мысли Фершта, характеризующими кинетику, равновесное состояние и механизм ренатурации [11).
Каждая мутация, которая в 87 рассматриваемом методе отличается от дикого типа одной атомной группой у одного аминокислотного остатка, позволяет, считает автор, количественно оценить ее парциальное воздействие на скорость свертывания и стабильность трехмерной структуры белка. Исследование процесса ренатурации барназы Ферштом и соавт.
[31-33~ [как и панкрсатического трипсинового и ингибнтора Крейтоном [29, 301) подробно изложено во втором томе издания "Проблема белка" [2, Ч. П1[. Анализ результатов привел к заключению, что первая попытка воссоздать на уровне отдельных аминокислотных остатков количественную картину всего пути свертывания белка, не содержащего дисульфидные связи, не достигла желаемой цели. Декларированный Ферштом порядок ренатурации не является неизбежным следствием объективного рассмотрения, а представляет собой один из многих правдоподобных вариантов.
Принципиальное возражение заключается в несоответствии равновесной термодинамики и формальной кинетики — теоретической основы эмпирического подхода Фершта — сугубо неравновесному характеру процесса структурной самоорганизации белка. Глава 2 ТЕОРИИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКА За последние два десятилетия естествознание сумело приблизиться к пониманию явлений спонтанного возникновения высокоупорядоченных структур во многих самых разнообразных физических, химических и биологических открытых системах. Было осознано существенное различие в природе равновесных и неравновесных процессов, выработан новый взгляд на случайность и необходимость, разработаны теория диссипативных самоорганизующихся структур и теория бифуркаций — необратимых флуктуаций, играющих конструктивную роль в возникновении порядка нз хаоса.
Это стало возможно благодаря созданной главным образом трудами И. Пригожина и его школы нелинейной неравновесной термодинамики. Открывшиеся новой наукой перспективы необычайно широки и многообещающи. Ее общие положения о процессах самоорганизации в открытых диссипативных системах, классических и квантовых, биологических и неорганических, легли в основу исследований во многих областях естествознания и гуманитарных наук. Становление нелинейной неравновесной термодинамики привело к качественным изменениям таких фундаментальных понятий в физике, как время и динамика. Идеи и методы науки о спонтанном возникновении структур и их эволюции, естественно, имели большой резонанс в биологии.
Особенно быстрое и широкое использование они нашли в исследованиях клеточных 88 н надклеточных систем, дифференцировки клеток и ряда других проблем р4, 35). В работах М. Эйгена, отмеченных Нобелевской премией, впервые была сформулирована концепция отбора и эволюции биологических макромолекул из неупорядоченных систем [36). Она основана на теории гиперцнкла как одного из принципов структурной самоорганизации. Тем самым была доказана непротиворечивость, по крайней мере, на элементарном уровне, эволюционных концепций физики и биологии. Пожалуй, ~первые в истории науки вопросы зарождения жизни, отбора и эволюции были рассмотрены теоретически, хотя и сугубо качественно, с общей чисто физической позиции.
Если же обратиться к проблеме белка — главному предмету нашего рассмотрения, то приходится констатировать, что становление нелинейной неравновесной термодинамики прошло практически незамеченным для составляющих эту проблему задач, в том числе задачи структурной организации белковых молекул — исходной в логической цепочке, связывающей строение белка с его функцией и структурами надмолекулярных систем. Между тем предпринимаемые уже в течение трех десятилетий попытки подойти к решению вопроса, используя эмпирические подходы, равновесную термодинамику и формальную кинетику, неизменно терпят неудачу.
Оставаясь нерешенной, структурная задача сдерживает рассмотрение всех последующих и создание теоретической молекулярной биологии — науки, столь же необходимой для понимания процессов жизнедеятельности, как молекулярная физика и квантовая химия для трактовки физических н химических свойств органических и неорганических низко- молекулярных соединений. А. Сент-Дьердьн писал: "Мы действительно приблизимся к пониманию жизни только тогда, когда наши знания обо всех структурах и функциях на всех уровнях — от электронного до надмолекулярного — сольются в единое целое", н далее: "...одним из основных принципов жизни является организация; мы понимаем под этим, что прн объединении двух вещей рождается нечто новое, качества которого не адекватны и не могут быть выражены через качества составляющих его компонентов" [37.
С. 11-12]. Автор данной монографии впервые попытался решить задачу структурной организации белка на атомном уровне с помощью нелинейной неравновесной термодинамики [38, 39]. С этой целью были разработаны соответствующие теории и методы, перечисленные ниже н обсуждаемые в остальной части книги, 1. Бифуркационная теория свертывания белка, в рамках которой нашли трактовку важнейшие особенности структурной самоорганизации белковой цепи: беспорядочно-поисковый и статистико-детерминисгический механизм сборки амннокнслотной последовательности, самопроизвольный характер возникновении н протекания всех стадий образования высоко- упорядоченной трехмерной структуры, высокая скорость свертывания цепи н безошибочность процесса [40].
2. Физическая теория структурной организации белка, связывающая его трехмерную структуру с амннокислотнымн остатками последовательности, т.е. макроскопические конформационные свойства белковой цепи со свойствами ее микроскопических составляющих [41). 89 3. Метод конформационного анализа белка, базирующийся на отмеченных выше теориях и позволяющий рассчитывать по известной аминокислотной последовательности координаты атомов нативной конформации, ее возможные конформационные перестройки и механизм образования в условиях ш тло н 1п кпго [38, 411. 4. Теория и метод решения обратной структурной задачи, позволяк>щие целенаправленным и контролируемым образом изменять аминокислотную последовательность по заданной пространственной структуре 142~.
2.1. БИФУРКАЦИОННАЯ ТЕОРИЯ СВЕРТЫВАНИЯ БЕЛКОВОЙ ЦЕПИ Свертывание белковой цепи не может быть объектом рассмотрения классической равновесной термодинамики, поскольку последняя оперирует только усредненными характеристиками стохастическнх систем, обратимыми флуктуациями и функциями состояния, а поэтому ограничена изучением макроскопических систем с чисто статистическим, полностью неупорядоченным движением микроскопических частиц, взаимодействующих неспецифическим образом только в момент упругих соударений. Равновесная термодинамика в состоянии анализировать коллективное поведение множества частиц, не вдаваясь при этом в детали их внутреннего строения и не конкретизируя механизм равновесного процесса.
Особенно важно отметить то обстоятельство, что для классической термодинамики все случайные флуктуации системы неустойчивы, обратимы и, следовательно, не могут оказывать заметного, а тем более конструктивного, воздействия на протекающие процессы.
Все явления, самопроизвольно протекающие в изолированной системе, направлены, согласно термодинамике равновесных процессов, на достижение однородной системы во всех возможных отношениях. Сборка белка не отвечает основным положениям классической статистической физики: эргодической гипотезе и Н-теореме Больцмана, принципу Больцмана о мультипликативности термодинамической вероятности и закону о равномерном распределении энергии по всем степеням свободы. Следование системой больцмановскому распределению вероятностей и больцмановскому принципу порядка, не содержащих механизма структурообразовання из беспорядка, исключает саму возможность спонтанной сборки трехмерной структуры белка.
Кроме того, невозможен перебор всех равноценных с точки зрения равновесной термодинамики н статистической физики конформацнонных вариантов. Даже у низкомолекулярных белков (менее 100 аминокислотных остатков в цепи) он занял бы не менее 10ю лет. В действительности же продолжительность процесса исчисляется секундами. Величина порядка 10га лет может служить своеобразной количественной мерой удаленности предложенных в литературе равновесных термодинамических моделей от реального механизма свертывания природной аминокнслотной последовательности, Линейная неравновесная термодинамика, которая изучает процессы, протекающие недалеко от положения равновесия, также не может служить основой теории свертывания белковой цепи.
К известным началам 90 равновесной термодинамики здесь дополнительно вводится ряд новых положений, уже не столь всеобъемлющих и строгих. Так, предполагаются постулированные Л.Онсагером линейность термодинамнческих уравнений движения и симметричность кинематических коэффициентов (принцип взаимности), а также соблюдение сформулированных И. Пригожиным принципов локального равновесия и минимума производства энтропии. Привлечение этих частных и несоблюдаемых строго при отходе от положения равновесия постулатов не ведет, однако, к расширению возможностей термодинамического подхода к объяснению механизма самоорганизации высокоупорядоченных структур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
