Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Таким образом, второй важнейший вопрос на пути к решению проблемы структурной организации белка заключается в создании специфического методологического подхода, в который существующий метод конформационного анализа вошел бы как составная часть. Разработка правильной теории, доказательство применимости механической модели к природным макромолекулам и создание соответствующего метода исследования все еще не гарантируют решения структурной проблемы белков. Расчет пространственного строения беспрецедентных по своей сложности белковых молекул, исходя только из знания их химического строения, может оказаться несостоятельным по чисто физическим и математическим причинам. Воздвигаемое здание может рухнуть из-за несовершенства потенциальных функций и параметрнзацин методов минимизации энергии многоатомных систем по многим переменным, алгоритмов и программ счета на ЭВМ, накопления ошибок и многих других вопросов, не предполагаемых в начале поиска решения, а возникающих, как правило, неожиданно.
Особенность рассматриваемой проблемы структурной организации белка заключается еще и в том, что все 107 отмеченные трудности ес решения не могут быть преодолены по отдель. ности. Об удовлетворигельном решении всех составных элементов проблемы можно будет судить лишь в самом конце завершающей стадяя априорного расчета трехмерной структуры белка по совпадению неза. висимых теоретических результатов с опытными данными. Отмеченные трудности в разработке теории структурной самоорганизации белковых молекул и метода расчета их нативных конформаций стали ясны уже после получения принципиальных результатов.
В самом начале исследования, в конце 19бО-х годов, автор в значительной мере пребывал в счастливом неведении; во всяком случае,трудности не представлялись ему нспреодолимымп апорнями. Это было время, когда от только что родившейся молекулярной биологии ждали любых откровений. Очень часто ожидания оказывались не напрасными, и многие явления живой природы, остававшиеся совершенно непонятными и даже таинственными, вдруг неожиданно оказывались до очевидности простыми истинами, При поиске решения структурной проблемы белка особенно вдохновляющими примерами явились результаты тсоретических исследований Л. Полннга и Р. Кори регулярных структур полипептидов (53] и Дж, Уотсона и Ф.
Крика двойной спирали ДНК ]54], В этих работах с помощью простейшего варианта конформационного анализа — проволочных моделей, получивших позднее название моделей Кендрью — Уотсона, а также ряда экспериментальных данных, прежде всего результатов рентгеноструктурного анализа волокон (в случае ДНК еще и специфических соотношений оснований Э.
Чаргаффа), удалось предсказать наиболее выгодные пространственные структуры полимеров. Собственно, предсказана была как в случае пептидов, так и нуклеиновых кислот, геометрия лишь одного звена, которое в силу регулярности обоих полимеров явилось трансляционным элементом.
Белок же — гетерогенная аминокислотная последовательность, и поэтому таким путем предсказать его трехмерную структуру нельзя. Но то обстоятельство, что простейший, почти качественный, конформационный анализ привел к количественно правильным геометрическим параметрам ннзкоэнергетических форм звеньев, повторяющихся в гомополнпептидах и ДНК, указывало на болыпие потенциальные возможности классического подхода н его механической модели и описании пространственного строения молекул.
В анализе белков, однако, требовалось рассмотрение не единичных структурных вариантов элементарных звеньев (пусть и правильно предсказанных) гомополипептндов, а множества, причем не независимо, а в сочетании друг с другом. Здесь важно было не упростить расчетную модель, не выхолостить физический смысл и не свести ее к представлению о пространственной структуре белка как ансамбле регулярных канонических форм: и-спиралей н ]3-складчатых листов.
От этого ложного шага автора предостерегли результаты исследования Д. Фнллипса трехмерной структуры лизопима [55]. После миоглобина и гемоглобина он был третьим белком, у которого было расшифровано с помощью рентгене- структурного анализа молекулярное пространственное строение. И если трехмерные структуры первых двух белков содержали не менее 75% а-спиральных остатков, то структура лизоцима оказалась существенно 108 иррегулярной, а-Спирали вообще не обнаруживались, а содержание р складчатых листов не превышало 20%. Таким образом, кристаллографические данные о миоглобине, гемоглобиие и лизоциме, ставшие известь,мн к моменту начала работы, убедили в том, что в основу теории труктурной организации белков не может быть положена концепция вторичных структур Полинга и Кори. Основные положения предложенной мною конформационной теории белков были сформулированы в общем виде и имели вначале чисто звристический характер ~40, 411.
Создание расчетного метода требовало их детализации и тщательной проверки. Достоинство теории даже в ее первоначальной. быть манжет, несовершенной форме заключалось в том, что она позволяла всю необходимую работу с первой и до завершающей стадии заранее представить в виде строго последовательного ряда логически связанных между собой шагов, где каждое продвижение вперед опиралось на результаты предшествующих исследований и предваряло последующее. Иными словами, теория, отражавшая вначале чисто субъективное представление автора о структурной организации белка, в то же время представляла собой достаточно четко ориентированную рабочую программу исследования. Одно нз положений теории, а именно предположение о согласованности в белковой глобуле всех внутри- и межостаточньтх взаимодействий, давало возможность разделить задачу на три большие взаимосвязанные части.
Цель первой заключалась в конформационном анализе свободных остатков стандартных аминокислот, т,е. в оценке ближних взаимодействий валентно-несвязанных атомов. Идеальными моделями для изучения ближних взаимодействий явились молекулы метиламидов Х-ацетил-сг-аминокислот (СНз-СОМН-СаНКСОХН вЂ” СНз). Вторая часть общей задачи состояла в выяснении влияния средних взаимодействий, т.е, взаимодействий между соседними по цепи остатками. Объектами исследования здесь могли служить любые природные олигопептиды. Цель третьей, завершающей части — изучение роли контактов между удаленными по цепи, но пространственно сблюкенными в глобуле остатками и априорный расчет трехмерной структуры белка.
В дефинициях нелинейной неравновесной термодинамики эти цели могут быть сформулированы следующим образом. Во-первых, определение возможных конформационных флуктуаций у свободных аминокислотных остатков и выявление энергетически наиболее предпочтительных. Вовторых, нахождение возможных конформационных флуктуаций локальных участков полипептидной цепи и установление среди них бифуркационных флуктуаций, ведущих к структурированию фрагментов за счет средних невалентных взаимодействий. В-третьих, анализ возможных флуктуаций лабильных по средним взаимодействиям участков полипептидной цепи и идентификация бифуркационных флуктуаций, обусловливающих комплементарные взаимодействия конформационно жестких нуклеаций, стабилизацию лабильных участков и, в конечном счете, образование нативной трехмерной структуры молекулы белка.
Таким образом, предполагается, что механизм структурной самоорганизации белка включает бифуркационные флуктуации трех ступеней. Флуктуации первой ступени отвечают низкоэнергетическим конформа- ционным состояниям свободных остатков; второй ступени — низкоэнергетическим конформационным состояниям фрагментов цепи, являющихся сочетаниями бифуркационных флуктуаций первой ступени; флуктуации третьей ступени проявляются на завершающей стадии сборки белковой цепи. Следовательно, конечная нативная конформация белка, если не принимать во внимание ес динамические свойства, а рассматривать ее как бы встроенной в кристаллическую решетку, представляет собой застывшие бифуркационные флуктуации трех ступеней.
Беспорядочно-поисковый процесс структурной самоорганизации белка — это селекция необратимых флуктуаций среди множества обратимых, причина возникновения которых обусловлена собственным тепловым движением атомных групп и вынужденным броуновским движением белковой молекулы. Глава 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К КОНФОРМАЦИОННОМУ АНАЛИЗУ Один из пионеров современной стереохимии Д. Бартон около 40 лет назад отметил, что для "точного описания" молекул органических соединений надо знать "три К": конституцию, конфигурацию и конформацию [56]. Понятие "конституция" совпадает с понятием химического строения молекулы, т.е. ее валентной схемы.
Конфигурация молекулы означает пространственное расположение атомов, обусловленное валеитными силами, поэтому ее изменение сопряжено с разрывом химических связей. Конформация — это также расположение атомов в пространстве, но определяемое, помимо валентных, также невалентными силами. Влияние последних проявляется в искажении валентных углов и длин связей по сравнению с идеальными углами в невозмущенной конфигурации молекулы, инверсии Свыворачивании") пирамидальных структур и, прежде всего, в появлении особого вида стереоизомерии, вызванной заторможенным вращением вокруг ординарных связей. Конформации — зто неидентичные геометрические формы, которые может принимать молекула без нарушения ее целостности, т.е.
без разрыва химических связей. Повышение энергии молекулы из-за образования неблагоприятных невалентных контактов, следствием которого является деформация валентных углов и длин связей, принято называть "байсровским напряжением", а ведущее к изменению конформациониого состояния молекулы — "питцеровским напряжением". Интерес к конформационной изомерии был впервые проявлен в конце Х1Х в.
в работе Г. Заксе, где отмечалось, что шестичленные углеродныс циклы могут быть представлены в виде двух неплоских форм (ванны и кресла), в которых все валентные углы равны тетраэдрическим ~57, 580 Спустя почти тридцать лет Э. Мор предположил, что две формы кресла замешенных цнклогексана должны легко превращаться друг в вру~ а ПО путем вращения вокруг простых связей, что исключает их разделение [56, 60], В последующие двадцать лет конформационный анализ широкого распространения не получил. Перелом произошел лишь в 1950 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
