Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 29

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

Текст из файла (страница 29)

Что нужно, чтобы такое событие, несмотря на случайность и беспорядочность всех флуктуаций, непременно произошло бы? Необходимо, чтобы единственно возможный при самопроизвольном характере процесса беспорядочно-поисковый механизм сборки белка осуществлялся быстро и безошибочно, т.е, приводил одинаковые амннокислотные последовательности к идентичным пространственным структурам за время, затрачиваемое при биосинтезе белка.

Для рассматриваемой модели это условие на первый взгляд выглядит нереальным, так как число возможных комбинаций случайных и беспорядочных конформационных флуктуаций белковой цепи невероятно велико, и появление среди них бифуркационных флуктуаций как будто бы ничтожно мало. Перебор всех микроскопических состояний даже у самых низкомолекулярных белков занял бы не менее 10 о лет. Противоречие зо между характером описываемого процесса и наблюдаемой продолжительностью свертывания снимается, если предположить, что актуальные на первом этапе сборки белка бифуркационные флуктуации возникают независимо и одновременно на разных участках полипептндной цепи.

Иными словами, начало пространственного структурирования белка представляется рядом параллельно идущих процессов формообразования как бы не связанных друг с другом олигопептидных фрагментов молекулы. Чтобы зто действительно могло происходить при вполне определенном сочетании необратимых флуктуаций, следует допустить возможность образования конформационно достаточно жестких структур только за счет взаимодействий остатков в пределах сравнительно коротких участков белковой цепи. При количестве возможных сочетаний низкоэнергетических флуктуаций порядка 10" (л — число аминокислотных остатков) и продолжительности одной флуктуации -10 " с время вероятного появления локальной структуры при беспорядочно-поисковом механизме ориентировочно равно 10" 14 с.

Следовательно, для фрагмента белковой цепи, например с л = 12, время сборки составит всего 10 з с. Чтобы процессы структурирования Разных участков аминокислотной последовательности могли идти параллельно и независимо друг от друга, требуется также предположить чередование в белковой цепи конформационно жестких н лабильных фрагментов.

Неизбежность появления особых необратимых флуктуаций, вызывающих зарождение порядка из хаоса — уникальное свойство белковых молекул, обусловленное их химическим строением Гетерогенность приРодной амннокислотной последовательности порождает термодинамическую неоднородность флуктуаций, дифференцируя их на обратимые н 4 Проблема белка, т 3 необратимые. Это ведет к возникновению специфической конформационной гетерогенности — альтернированию вдоль цепи конформационно жестких и лабильных участков, которое в конечном счете обеспечивает евер. тывание белковой молекулы, делает процесс быстрым и безошибоч.

ным. При неминуемом появлении в статистическом клубке устойчивых необратимых флуктуаций одни участки примут стабильные формы, а другие, промежуточные, останутся подвижными, хотя и их конформационная свобода за счет межостаточных взаимодействий значительно ограничится Переход клубка в первое промежуточное состояние — результат действия бифуркаций на локальных участках.

Их образование — поворотный момент, который определяст направленность процесса сборки и характер его дальнейшего развития. Впоследствии, также за счет случайно возникших флуктуаций, в специфические взаимодействия вовлекаются удаленные по цепи аминокнслотные остатки из разных участков, и белок переходит во второе промежуточное состояние. Структурирование, вызванное новым набором согласованных необратимых флуктуаций, осуществляется за счет сближенности комплементарных и избирательно взаимодействующих конформационно жестких и лабильных фрагментов.

Последние при этом обретают определенную форму. Появление в течение разумно короткого времени на завершающем этапе сборки необратимых флуктуаций на значительно больших, но уже частично структурированных участках также неизбежно. Увеличение количества взаимодействующих между собой остатков сопровождается уменьшением конформационных степеней свободы. Так что и здесь возможно выявление за короткое время необратимых флуктуаций при беспорядочно-поисковом механизме.

Итак, благодаря избирательности бифуркацнонных флуктуаций и их строгой согласованности структурная самоорганизация белковой молекулы приобретает детерминистические черты (случайность порождает необходимость). Из конформационно жестких и взаимодействующих с ними лабильных фрагментов возникают нуклеации, которые через ряд чисто случайных, но тем не менее неизбежных и строго последовательных событий входят в домены или в натнвную трехмерную структуру белка.

Весь процесс самосборки пространственной структуры не требует времени больше, чем затрачивается на рибосомный синтез белковой цепи. Уникальность бифуркаций, порядок их возникновения и устойчивый конструктивный характер обусловлены конкретной, отобранной в ходе эволюции аминокислотной последовательностью.

В то же время рассматриваемая модель свертывания не исключает образование "неправильных" промежуточных состояний, содержащих структурные элементы, отсутствующие в конечной конформации. Более того, поскольку в основу модели положен беспорядочно-поисковый механизм, осуществляющий сборку белка методом "проб и ошибок", то возникновение непродуктивных состояний белковой цепи становится неизбежным. Однако они нестабильны, так как продуктивные состояния, появляющиеся в результате бифуркационных флуктуаций, всегда более предпочтительны по энергии.

К обсуждению этого вопроса вернемся в главе 17 при количественном описании механизма ренатурации панкреатического трипсинового ингибитора. Описанная модель структурной самоорганизации белка непосредственно отвечает ренатурационному процессу, протекающему в условиях!п гиго, когда исходное конформационное состояние молекулы максимально не- упорядоченно. Сборка белка в процессе биосинтеза и прн содействии шаперонов протекает в принципе по тому же беспорядочно-поисковому механизму и поэтому не требует разработки специальных моделей.

Возможность свертывания амннокислотной последовательности до окончания синтеза и отхода от рибосомы в первом случае, и взаимодействие флуктуирующей цепи со специфическими белками во втором ограничивают конформационную свободу неструктурированного белка. В результате уменьшается количество обратимых, непродуктивных флуктуаций, увеличивается вероятность появления бифуркаций и, следовательно, сокращается время сборки. Иными словами, запрещая целый ряд обратимых флуктуаций, шапероны сближают друг с другом бифуркационные точки и тем самым делают процесс самоорганизации нативной конформации белка более эффективным. На первый взгляд может показаться, что рассмотренный механизм структурирования белковой цепи принципиально не отличается от кристаллизации низкомолекулярных соединений и образования у некоторых синтетических полимеров линейных регулярных форм.

Это, однако, не так, хотя в обоих случаях процессы осуществляются посредством случайных флуктуаций и взаимодействий валентно-несвязанных атомов. Существенное различие состоит в том, что кристаллизацию малых молекул в насыщенном растворе и формирование ближнего порядка (одномерного кристалла) у искусственного полимера можно представить равновесными процессами, т.е.

путем обратимых флуктуаций и непрерывных последовательностей равновесных состояний. Сборку же белковой цепи в трехмерную структуру нельзя даже мысленно провести только через равновесные положения системы и без привлечения бифуркационных флуктуаций. Механизм пространственной самоорганизации белка имеет статистико-детерминистическую природу и поэтому является принципиально неравновесным. Его реализация невозможна без необратимых флуктуаций, а его описание — без установления связи между свойствами макроскопической системы и внутренним строением ее микроскопических составляющих. С позиции равновесной термодинамики подобные явления просто не могут существовать.

В настоящее время известно много нелинейных неравновесных процессов в неорганическом мире, протекающих в физических и химических открытых системах с фазовым диспропорционированием энтропии. Некоторые из них обсуждены в главе 15 предшествующего тома [2. Раздел 15.3] и во введении настоящей книги. Поэтому саму по себе истинную иеравновесность процесса самосборки белка нельзя еще считать бесспорным отличительным признаком живой материи. Однако во всех известных нелинейных неравновесных процессах, кроме структурной самоорганизации белка, поддержание возникшего из хаоса порядка в стационарном режиме оказывается возможным только при постоянном потреблении энергии извне и увеличении энтропии окружающей среды, ячейки Бенара будут сохраняться лишь при подогреве, лазер испускать когерентное излучение при накачке и т.д. У белков повышение энтропии водного окружения происходит только в период их структурной самоорганизации с выделением тепла, а не поглощением, как в других случаях возникновения порядка из хаоса.

Созданная структура белково-водного комплекса отвечает не стационарному, а равновесному состоянию, не нуждающемуся в постоянной негоэнтропийной н энергетической инъекции из окру. жающего белок раствора. 2.2. ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКА Рассмотренная в разделе 2.1 феноменологическая бифуркационная теория свертывания белковой цепи — лишь пролегомены, самый первый шаг к созданию физической теории структурной организации белка и количествснного расчетного метода, Неравновссная термодинамическая модель теории сформулирована в такой общей форме, которая еще не допускает прямой экспериментальной проверки.

Значение предложенной теории состоит в том, что она, во-первых, дает принципиальную трактовку всем важнейшим особенностям структурной самоорганизации белка: беспорядочно-поисковому механизму сборки аминокислотной последовательности, высокой скорости и безошибочности процесса образования трехмерной структуры н, во-вторых, указывает, как показано ниже, направление дальнейшего поиска и раскрывает его содержание. В частности, принципиальное значение имеет то обстоятельство, что бифуркационная теория впервые позволила представить процесс свертывания белка, не требующий при беспорядочно-поисковом механизме сборки рассмотрения всех мыслимых конформацнонных состояний белковой цепи.

Характеристики

Список файлов книги