Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Однако сама по себе термодинамическая теория статистнко-детерминистического явления не может привести к такому уровню понимания процесса свертывания белковой цепи, который необходим для количественной оценки всех логических связей между аминокнслотной последовательностью, трехмерной структурой и окружающей средой, а следовательно, и для апробации лежащих в основе теории принципов. Задача может считаться решенной только после создания физической конформационной теории н расчетного метода, предсказывающих по известному расположению аминокислот в белковой цепи координаты всех атомов в нативной трехмерной структуре и количественно описывающих механизм сборки последней.
Лишь при достижении цели, поставленной именно таким образом, физическая теория структурной организации белка сможет стать основой для решения следующих фундаментальных задач, связанных уже с установлением зависимости между строением и функцией. В этом разделе рассмотрены основные положения предложенной автором структурной теории белка [38-421. Эволюционно отобранные полимерные аминокислотные последовательности, как отмечалось, наделены исключительной, только нм присущей, способностью принимать в водной среде прн определенных внешних условиях достаточно строго детерминированные трехмерные структуры.
100 уникальные для каждой последовательности, онн обладают специфичесизхи динамическими конформационными свойствами, необходимыми для -ушествления соответствующих функций. В этом отношении белки принципиально отличаются от синтетических полимеров, в том числе эдственных по химическому типу гомополипептидов и гетерополипепидов со случайным порядком аминокислот в цепи. В растворе они существуют в виде множества близких по энергии и непрерывно флуктуиРувзших конформационных состояний, а в твердом виде представляют собой аморфную смесь разных пространственных форм, среди которых могут быть и одномерные регулярные формы. Поэтому здесь не возникает самой проблемы поиска геометрии и конформационных возможностей молекулярных трехмерных структур.
Пространственное строение и другие свойства синтетических полимеров в растворе отвечают состоянию статистического клубка и описываются усредненными параметрами. Молекулярная поворотно-изомерная теория синтетических полимеров, являющаяся составной частью статистической физики, была разработана в !950-е годы М.В.
Волькенштейиом (47) и позднее развита Т.М. Бирштейном и О.Б. Птицыным )48] и П. Флори )49). Основы теории фазовых переходов полимеров были заложены в 1968 г, И.М. Лифшицем )50). Хотя белки являются полимерами и их пространственное строение также определяется поворотной изомерией, тем не менее механизм структурной организации н особенности натнвных конформаций белковых молекул не могут быть рассмотрены в рамках отмеченных теорий, базирующихся на равновесной термодинамике и конфигурационной статистике полимерных цепей Рассматриваемая здесь задача является качественно иной, имеющей смысл только для избранных, главным образом, природных аминокислотиых последовательностей.
Поэтому ее решение может быть выполнено лишь на основе самостоятельной теории, учитывающей выработанную эволюцией конформационную специфику белков, а именно статистикодетерминистический механизм структурной самоорганизации и детерминистическую (в отношении как статических, так и динамических свойств) природу нативных конформаций белковых молекул. Стремление описать сборку белка с чисто статистических позиций, не учитывающих гетерогенности цепи и взаимообусловленности поведения макроскопической системы от внутреннего строения микроскопических составляющих, объясняется иллюзорным представлением о том, что в этом случае можно идти по уже проторенному для синтетических полимеров пути и тем самым избежать Разработки несравненно более сложного статистика-детерминистического подхода.
Однако традиционный поиск решения не отвечает самой сущности рассматриваемого явления, и, следовательно, все попытки дать чисто статистическую трактовку структурной самоорганизации белка следует признать, как отмечалось, обреченными на неудачу (см. разд, 1.3). Основные положения физической теории.
Ни одному из известных опытных фактов не противоречит сформулированное Р. Ламри и Г. ЭйРиигом в 1954 г.положение о том,что нативная конформация белковой молекулы отвечает термодинамически равновесному состоянию )5 ц. Это состояние обладает минимальной свободной энергией Гиббса, т.е. являет- ся глобальным, не зависящим от предыстории. Оно определяется прн соответствующих внешних условиях только составом и порядком расположения аминокислот в полнпептидной цепи. Положение Ламри и Эйринга согласуется с бнфуркационной теорией свертывания белковой цепи, более того, является неизбежным следствием данной теории.
Поэтому включим его в физическую конформационную теорию белка в качестве ее первого основного принципа, внеся одно уточнение. имеющее важное методологическое значение. Поскольку процесс структурной самоорганизации белка сопровождается днспропорционнрованием энтропии (уменьшением энтропии у свертывающейся аминокислотной последовательности и увеличением у окружающей водной среды), для соблюдения второго начала термодинамики высокоупорядоченная трехмерная структура должна быть, согласно изотермо-изобарическому потенциалу Гиббса, самой предпочтительной не только по свободной энергии, но и по энтальпии н, тем более, по внутренней конформационной энергии — потенциальной энергии взаимодействий валентно-несвязанных атомов белковой молекулы.
Таким образом, предполагается, что нативная конформацня белка в физиологических условиях является глобальной в отношении внутренней энергии. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что трехмерные структуры белков характеризуются плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициенты упаковки белковых молекул в нативном состоянии имеют значения от 68 до 82%. Для сравнения напомним, что у правильных сферических тел этот коэффициент равен 74%, а у молекул воды в циклогексана — 58 и 44% соответственно. По плотности упаковки атомов белковые молекулы близки кристаллам малых органических молекул (70 — 78%).
Нативные структуры белков имеют также незначительные коэффициенты сжимаемости, близкие, например, коэффициентам сжимаемости олова и каменной соли. Высокая компактность глобулярных белков подтверждается большой плотностью, малой вязкостью и малыми молекулярными объемами нативных белков в растворе. Так, наблюдаемые у них величины плотности (1,3-1,5 г/см') выше, чем у сухих белков н близки величинам плотности кристаллов низкомолекулярных органических соединений. Это свойство пространственных структур белковых молекул безупречно с физической точки зрения и очень образно передает определение их как "апериодические кристаллы" — термин, использованный Э. Шредингером для характеристики состояния хромосом [52), Таким образом, есть все основания заключить, что нативная конформация белка представляет собой плотно упакованную структуру с максимальным числом внутримолекулярных контактов между валентно-несвязанными атомами.
Этот тезис, как и положение о том, что трехмерная белковая структура обладает минимальной внутренней энергией, не является, однако, достаточной основой для разработки расчетного метода физической теории, позволяющего по известной аминокислотной последовательности однозначно идентифицировать среди множества возможных конформационных вариантов единственную физиологически активную конформацию белка.
Кроме того, нереально определение геометрических параметров этой конформации путем минимизации энергии всех внутримолскулярных невалентных взаимодействий по всем степеням свободы. Достл- 102 жанне цели мыслимо лишь при разделении конформационной проблемы белка на ряд связанных между собой менее громоздких проблем и их „оследовательного рассмотрения.
Создание конформационной теории требует разработки поэтапного механизма структурной самоорганизации белка раскрытия его физической сущности и на такой основе теоретического моделирования процесса сборки. Это главный, ключевой вопрос всей проблемы. Перебор всех возможных состояний полимерной белковой цепи и нахождение среди них глобальной конформации, вообще говоря, невозможны не только для человека с его вычислительной техникой сегодняшнего дня и сколь угодно отдаленного будущего, но и для самой прнроды. Во всяком случае, природа избрала для этого совершенно иной механизм сборки белка, которому, возможно, отвечает бнфуркационный процесс, постулируемый термодннамнческой теорией, рассмотренной в предыдущем разделе.
Согласно теории свертывание белковой аминокислотной последовательности обладает двойственным характером. С одной стороны, весь процесс, начиная с состояния флуктуирующего статистнческого клубка и до конечной трехмерной структуры, осуществляется исключительно по беспорядочно-поисковому механизму. Иначе он не мог бы быть самопроизвольным. С другой стороны, структурная организация белка является детерминированным процессом, протекающим по определенному пути со строго последовательным рядом стадий. В противном случае сборка белковой цепи не совершалась бы столь быстро и безошибочно. Совместить диаметрально противоположные статистические и детерминистические особенности процесса, выявить нх взаимообусловленность и показать неизбежность спонтанного возникновения высокоупорядоченной структуры из флуктунрующего клубка оказалось возможным лишь с помощью нелинейной неравновесной термодинамики. В предложенной на этой основе теории сборки белка постулнруется динамическая гетерогенность белковой цепи, которая заключается в альтернированни вдоль развернутой амннокнслотной последовательности потенциально конформационно жестких и лабильных участков.
Первые могут образовывать относительно стабильные пространственные формы за счет невалентных взаимодействий входящих в ннх остатков, а вторые — представительные наборы близких по энергии и, следовательно, равновероятных форм. При такой конформационной дифференциации белковой цепи начальный этап ее структурирования предстает в виде возникающих одновременно и ндущих параллельно и практически независимо друг от друга процессов свертывания локальных участков, Если протяженность чередующихся конформацнонно жестких и лабильных фрагментов сравнительно невелика, то при чисто случайно-поисковом механизме становится гарантированным появление в течение короткого времени необратимых бнфуркационных флуктуаций, являющихся причиной реализации потенции определенных участков белковой цепи к автономному структурированию.
Первые бифуркационные флуктуации, необратимо стабилизирующие пространственные формы некоторых участков белковой цепи, — это определяемые аминокислотной последовательностью сочетания конформа- 103 ционных состояний входящих в такие участки остатков. Они возникают спонтанно как неизбежный результат случайного и беспорядочного перебора всех возможных конформационных изменений. Можно полагать, что необратимость бифуркационных флуктуаций обусловлена согласован.
постыл невалентных внутриостаточных и межостаточных взаимодействий атомов в пределах каждого жесткого фрагмента, Промежуточные, коиформационно более лабильные участки белковой цепи также претерпевают в этот период сборки серьезные изменения. Из огромного массива состояний (>10", л — число остатков в фрагменте) путем все того же беспорядочно-поискового механизма за время ~ — 1О и с создается несравненно более ограниченный набор флуктуирующих форм. Таким образом, начальный этап структурной организации полностью денатурированного белка фактически представляется независимым свертыванием отдельных олигопептидных молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
