Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 31

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

Текст из файла (страница 31)

В результате одни участки белковой цепи за счет согласованных невалентных взаимодействий составляющих их остатков обретают устойчивые пространственные структуры; другие же, промежуточные учасгки цепи, конформационные возможности которых не а полной мере ограничиваются взаимодействиями близко расположенных в цепи остатков, приобретают состояния, отвечающие совокупностям изоэнергетических структур. На следующем этапе сборки проявляется взаимообусловленность конформационных состояний двух или большего числа жестких фрагментов и разделяющих их лабильных участков цепи.

Рост длины цепи взаимодействующих остатков, однако, не сказывается существенным образом на продолжительности случайного поиска бифуркационных флуктуаций. Одновременно с увеличением размера автономно свертывающегося пептидного участка, включающего жесткие и лабильные фрагменты, резко сокращается число конформационных степеней свободы за счет их фиксации у первых и уменьшения конформационных возможностей вторых. Новая необратимая флуктуация возникает здесь на фоне более суженного базиса беспорядочных тепловых движений. Момент появления такой флуктуации случаен, но не случайны как сам факт ее появления, так и соответствующее ей стабильное конформационное состояние, определяемое лишь аминокислотной последовательностью данного участка белковой цепи. Энергетическая предпочтительность образовавшейся пространственной структуры обусловлена согласованностью невалентных взаимодействий не только между соседними остатками, что определило возникновение первой бифуркации, но и между далеко расположенными в цепи остатками.

Согласно бифуркационной теории механизмы свертывания белковой цепи в процессе ренатурации и по ходу рибосомного синтеза не должны иметь принципиальных отличий. Главное, что в обоих случаях структурная самоорганизация проходит через одну и ту же последовательность бифуркационных флуктуаций, ведущих к идентичным нативным конформациям. Различия, безусловно, есть, но они несущественны, поскольку не ставят под сомнение утверждение, что аминокислотная последовательность однозначно определяет трехмерную структуру белковой молекулы. Механизмы сборки в обоих случаях едины по своей природе и случайно- о ) ), Ближние (а), средние (б) н даль- НВВ (в) взаныодействнл валентно-несвнзаннык атомов анннокнслотнык остатков, опредедааоеднк простРанственную структуру белка поисковому характеру.

Одно из принципиальных различий касается обратимых, неустойчивых флуктуаций, т.е, событий, происходящих между бифуркациями, Второе различие обусловлено кинетикой процесса. При ренатурации свертывание происходит одновременно на всех участках белковой цепи, а при биосинтезе сборка начинается с Х-конца и продолжается одновременно с ростом амннокислотной последовательности. Предположение о согласованности в нативной конформации белка всех внутрнмолекулярных взаимодействий открывает принципиальную возможность для поэтапного, фрагментарного подхода к решению проблемы структурной организации белковой макромолекулы.

Это можно осуществить путем последователь. кого анализа трех видов взаимодействий, определяющих конформацнониое состояние каждого аминокислотного остатка в трехмерной структуре. К ним следует отнести, во-первых, взаимодействия атомов одного остатка между собой и с атомами двух смежных пептидных групп (ближние взаимодействия), во-вторых, взаимодействия остатка с соседними в последовательности остатками (средние взаимодействия) и, в-третьих, взаимодействия остатка с удаленными по цепи остатками (дальние взаимодействия) (рис. 1.1). Предложенное разделение взаимодействий до некоторой степени условно. Однако среди возможных других оно представляется наиболее естественным и, как можно будет убедиться впоследствии, удобным с методологической точки зрения.

Выделение трех видов невалентных взаимодействий (а не двух или четырех) не является полностью формальным, так как они довольно четко различаются по своим функциям в'организации пространственной структуры молекулы белка. Но главное все же состоит не в способе разделения взаимодействий. Посяедовательное рассмотрение ближних, средних и дальних взаимодействий, как и взаимодействий, разделенных иным способом, может иметь смысл н привести к предсказанию натнвной конформации белка только в том случае, если отобранные на предшествующих этапах наборы конформационных состояний аминокислотных остатков будут непременно включать состояния, удовлетворяющие условиям последующих этапов.

Гарантом здесь является постулированное в теории положение о согласованности всех видов взаимодействий валенгно-несвязаннудх атомов в нативной конфорааации белка. Итак, в основу физической теории положены следующие принципы структурной организации белка: 1) нативная трехмерная структура и кон- !05 формационные динамические свойства белковой молекулы в физиологи. ческих условиях полностью определяются аминокислотной последователь. постыл; 2) нативная конформация белка отвечает глобальному минимуму внутренней энергии; 3) нативная конформация белка является наиболее плотно упакованной структурой; следовательно, на всех стадиях само. произвольного свертывания белковой цепи виутримолекулярные взаимо.

действия валентно-несвязанных атомов превалируют над межмолекулярными взаимодействиями; 4) в нативной конформации белка имеет месте согласованность между всеми внутримолекулярными взаимодействиями валеитно-несвязаниых атомов (ближними, средними и дальними). Физическая теория пространственной организации белка, определяемая сформулированными выше принципами, является дальнейшим развитием рассмотренной ранее термодинамической теории.

В нее привнесены отсутствующие у последней конкретные, детерминистические признаки структуры белка, связывающие конформационное поведение макроскопической системы со свойствами ее микроскопических составляющих. Термодинами. ческая теория является феноменологической. Оиа была призвана установить природу самоорганизации белка (и, действительно, установила, что сборка полипептидной цепи представляет собой статистико-детерминистический процесс), отнести рассматриваемое явление к адекватной его природе области естественнонаучных знаний (нелинейной неравновесной термодинамике) и дать качественно непротиворечивую трактовку всем важнейшим особенностям этого явления (спонтанному характеру, беспорядочно-поисковому механизму, высокой скоросги и безошибочности), Физическая теория, в отличие от термодинамической, является не качественной, а количественной теорией, и должна послужить основой метода численного решения конформационной проблемы белка.

Метод, опираясь на физическую модель, строится на поэтапном подходе и анализе конкретной белковой молекулы, нативная конформация которой предполагается самой предпочтительной по энергии, наиболее компактной и согласованной в отношении всех внутри- и межостаточных взаимодействий структурой. В рассмотренной конформационной теории белка не постулируется образование в процессе структурной самоорганизации вторичных, регулярных структур. а-Спирали и )з-складчатые листы должны автоматически появляться по ходу расчета на тех участках последовательности, где они оказываются самыми предпочтительными по энергии. Не привлекаются также данные рентгеносгруктурного анализа белков и результаты их статистической обработки, Физическая теория и соответствующий расчетный метод исходят только из отмеченных выше четырех принципов, знания аминокислотной последовательности и валентной схемы белковой молекулы.

Таким образом, в отношении пространственного строе. ния белка теория является априорной. Предсказание трехмерной структуры строится на количественной оценке взаимодействий между всеми валентно-несвязанными атомами. При этом, однако, не требуется делать специальных предположений о роли в пространственной организации белковой молекулы водородных связей, ионных пар, дисульфидных мостиков и других видов взаимодействий. Так называемые гидрофобные заимодействия вообще не принимаются во внимание, поскольку никаких собых, "гидРофобных" сил не сУществУет, а особенности стРУктУРы белка, продиктованные его взаимодействиями с водным окружением, учтены в постулированной физической модели (принцип 3), Окажется ли всего этого достаточно и будут ли всюбще предложенные термодинамическая и физическая теории соответствовать реальной ситуации, можно будет судить лишь на завершающей стадии решения задачи структурной организации белка при сопоставлении результатов априорных расчетов с данными эксперимента.

Ближайшая же цель состоит в разработке на основе изложенных теорий количественного метода конформационного анализа пептидов и белков. Рассмотренные в этой главеметодологические вопросы теоретического конформационного анализа были разработаны для исследования пространственного строения низкомолекулярных органических соединений.

Что же касается нашей темы — структурной организации белков, то задача такого масштаба перед расчетным методом не ставилась, и поэтому многие важнейшие вопросы, вставшие на пути к априорному расчету нативных конформаций белковых макромолекул, остались незатронутыми. Так, даже в принципе не была обсуждена сама возможность использования классического подхода, предполагающего независимость электронного и конформационного состояний молекулы.

Если считать справедливыми изложенные в этой главе бнфуркационную и физическую теории структурной организации белка, то доказательство применимости механической модели к данному объекту является самой главной и прежде всего требующей ответа задачей. Однако принципиальная возможность использования полуэмпирического конформацнонного анализа в исследовании белков также еще не предопределяет положительного решения других вопросов. Необходима методология, специально разработанная для расчета пространственного строения белковых молекул. Верхним пределом применимости изложенного метода конформационного анализа, как показано ниже, являются лишь трн- и в простейших случаях тетра- и пентапептиды.

Характеристики

Список файлов книги