Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 66
Текст из файла (страница 66)
В настоящее время поиски в этом направлении не только не ослабевают, а, напротив, как доказано ниже, продолжаются с возрастающей интенсивностью. Перед рассмотрением результатов, полученных здесь за последние годы, по-видимому, целесообразно обратить внимание на заведомую обреченность исследований такого плана, Она обусловлена отсутствием у проблемы множественности естественной основы и ее принадлежностью к иерешаемым в принципе псевдопроблемам. Столь неутешительный вывод иеизбежно следует из соображений общего порядка о невозможности ни по ходу биосинтеза белковой цепи, ни в процессе ее ренатурации, ни, тем более, при компьютерном поиске всех мыслимых конформационных вариантов.
Сдерживает разработку подхода к априорному расчету механизма свертывания белка и его нативной структуры отнюдь не громоздкость задачи, ее математические и алгоритмические сложности. Проблема свертывания белка десятилетиями остается нерешенной исключительно из-за отсутствия понимания того, каким образом флуктуирующей белковой цепи при спонтанно протекающем случайно-поисковом Механизме удается избегать перебора всех конформационных состояний и ввертываться за считанные секунды. Выход из этой ситуации дает бифуркационная теория самоорганизации белка (см, разд.
2.1 и 16,3). А теперь обратимся к анализу литературы. Во втором томе настоящего издания [1321 были обсуждены возможйости н перспективы статистического подхода н эмпирических алгоритмов йредсказания, с помощью которых пытаются решить проблему свертывания белка на основе данных рентгеноструктурного анализа о пространвтвенном строении белков, а-спиральной гипотезы Полинга и Кори, ззздрофобной концепции Козмана и стереохимическнх ограничений. В этой клаве рассматриваются преследующие ту же цель теоретические методы расчета оптимальных конформаций пептидов и белков, предложенные в ВЬнце !980-х и первой половине 1990-х годов.
В настоящее время, пойидимому, можно считать общепринятым представление о нативной конормацни белка как о термодинамически равновесном состоянии 33-1361. Впервые оно было постулировано Р. Ламри и Г. Зйрингом в 1954 г. 1137~, однако больше известно как термодинамическая гипотеза 239 К, Анфинсена [138]. В литературе встречается также иное мнение, со гласно которому молекула белка находится в мстастабильном состоянии т.е. отвечает не глобальному, а одному из локальных минимумов свобод. ной энергии. Такая точка зрения нашла отражение в так называемом парадоксе К.
Левинталя [139) и кинетической гипотезе свертывания белка Д. Уетлауфера и С. Ристоу [140]. Однако задолго до публикации этих работ [в 1935 г.] Э, Бауэр — автор первого труда по теоретической биологии, разработал концепцию, в которой специфика структурнои организации белка, определяющая его биологические свойсгва, объяснялась особым деформированным состоянием молекул [141]. Представление, развитое в работах [139-141], хотя еще и привлекается в энзимологии при трактовке механизма фермент-субстратных взаимодействий [142 — 149] [правда, все реже и только для феноменологического описания), в исследованиях нативных конформаций почти утратило свое былое значение. О последних усилиях в этом направлении можно узнать в рабогах [150, 151].
Подавляющее большинсгво теоретических разработок структурной проблемы белка исходит сейчас из предположения о том, что шо активная пространственная форма обладает абсолютным минимумом свободной энер~ ии. Сложность определения глобальной конформации белка, как уже отмечалось выше, заключается прежде всего в большом числе степеней свободы, что ведет к чрезвычайному, превосходящему возможности любого компьютера, количеству локальных оптимальных конформаций. М.
Васкес, Г. Немети и Г. Шерага в своем обстоятельном обзоре теоретических исследований конформаций пептидов и белков представляют проблему минимизации мультиплетной потенциальной поверхности по многим переменным в виде своеобразного соотношения неопределенности. Так, они пишут: "При анализе полипептндных и белковых систем с помощью расчетных методов перед исследователем встает внутренне противоречивая дилемма: или более тщательное моделирование, илп более точное энергетическое описание" [136.
С. 2184). Предполагая суп1ествование только этих двух альтернатив, авторы обзора разделили вес работы в области теоретического конформационного анализа пептидов в белков на две группы. В исследованиях одной из них акцент делается главным образом на прецизионном описании рассчитываемых систем, используя при этом упрощенную форму потенциальной функции. В исследованиях второй группы, напротив, основное внимание уделяется более точному энергетическому описанию невалентиых взаимодействий атомов и учету сольватационных эффектов, ограничивая в то же время конформационное поле рассматриваемых систем. При таком восприятии структурной проблемы пептидов и белков дальнейшее развитие теоретического конформационного анализа Васкес, Немети и Шерага связывают с совершенствованием алгоритмов, расчетных программ и вычислительных машин, т.е.
развитием математического и технического обеспечения метода. "Необходимо подчеркнуть, — замечают они, — что прогресс в методологии эффективных конформационных поисков и, особенно, глобальной оптимизации несомненно приведет к улучшению описаний потенциальной энергии более сложных систем" [13б. С. 2185], 240 Вывод достаточно очевиден, однако нельзя рассчитывать на то, что ьй1ето методологический прогресс сможет определять магистральное ;ущравление развития теоретического конформационного анализа и при~лети к достижению главной цели. Поиск глобальных конформаций «йптидов и белков сдерживается не только грубостью расчетной мехаЯя1хческой модели или аддитивным хаРактеРом Учета невалентных взаимовявйствий, не приближенностью эмпирических потенциальных функций или 1йаудовлетворительностью оценки влияния растворителя и, наконец, не йдсутствием методов автоматического спуска к многим оптимальным зпзнформациям, разделенным потенциальными барьерами, или несовершенством методов минимизации энергии по многим переменным.
Структурная 1взоблема белка остается нерешенной вследствие астрономического количесгва локальных минимумов энергии на потенциальной поверхности каждого белка, а также, и, быть может. в большей степени из-за отсутпгвия четких представлений о механизме свертывания белковой цепи в згвтивную конформацию и принципах структурной самоорганизации последней, т.е. отсутствия у расчетных методов серьезной физической теоретической базы.
Лишь после того, как будет найден выход из этой цятуации, свое значение приобретут вопросы, касающиеся методолоцяческих аспектов расчета оптимальных конформаций. Поэтому дилемма ".или более тщательное моделирование, или более точное энергетическое описание" сейчас не актуальна, а разделение теоретических исследований пептидов и белков на две группы по методологическому признаку представляется искусственным, хотя и адекватно отражающим сегодняшнее положение дел. О каком прогрессе методологии может идти речь, если, как позднее справедливо замечают сами авторы обзора, за исключением очень простых систем лишь с несколькими переменными, например, олигопептидов с менее, чем четырьмя остатками (без прямого учета растворителя и в приближении жесткой валентной схемы) невозможно щстематически исследовать всю потенциальную поверхность для аахождения самого глубокого минимума" [136.
С. 2192].Правильно рассчитывать конформационные возможности тетрапептндов умели уже в начале 1970-х годов. Для современных теоретических конформационных исследований пептидов и белков в отсутствие принципиальных достижений в решении проблемы их молекулярной структурной организации остаются по$режнему характерными следующие два момента: использование в расчете глобального минимума большого числа различных процедур и чисто методологическая направленность поиска, строящегося по единой схеме — чем сложнее исследуемый объект, тем грубее расчетная модель.
Ниже дано краткое описание наиболее часто используемых подходов с указанием работ, выполненных в последние годы. Полученные результаты обсуждаются в главах 14 и 16. Метод наращивании пептидной цепи. Суть этой процедуры заключаетея в разделении пептндной цепи на малые фрагменты и их независимый конформационный анализ с использованием в качестве исходных приближений низкоэнергетических состояний свободных аминокислотных остатков. Чтобы избежать экспоненциального расширения возможных опти- 241 мальных пространственных форм пептидной цепи при объединения фрагментов, из найденного для каждого из них набора проминимизнро. ванных конформаций исключаются менее предпочтительные по энергии состояния, которые уже не будут принимать участие в последующем расчете.
По многим причинам зта вынужденная операция, определяюща„ конечный результат, является самым легкоуязвимым шагом данного метода, поскольку он в значительной мере основывается на субъективном выборе критической знергии отсечения и, в отсутствие теоретическоя основы метода, не поддающимся однозначной трактовке предположении о том, что ближние взаимодействия играют доминирующую роль в определении конформационных состояний пептидов и белков [152, 153].
Деталь. ные описания различных версий процедуры наращивания цепи, в том числе предложенных недавно, содержатся в работах [153-158]. По мнению Васкеса, Немети и Шераги, "... метод приводит к хорошим результатам в расчетах коротких олигопептидов и в очень редких, особых случаях — более сложных; в отсутствие дополнительной информации его применение быстро становится неконтролируемым для пептидов из 10 и более аминокислот".
Далее они высказывают точку зрения принятую, но в то жс врсмя подтверждающую высказанную выше мысль об отсутствии четкого представления о структурной организации молекул пептидов н белков. Авторы пишут: "Так как в самой процедуре наращивания цепи дальние взаимодействия не могут быть учтены на ранней стадии, то, следовательно, данная процедура не будет работать, когда зти взаимодействия превалируют над ближними взаимодействиями" [136. С. 2193] Тем самым допускается, что нативные конформации белков могут находиться в напряженном состоянии. Если зто так, метод последовательного наращивания полипептидной цепи, как и любой другой, связанный с минимизацией знергии, в принципе бесперспективен для предсказания пространственного строения белков.
Известные на сегодняшний день результаты конформационного анализа сложных олигопептидов и неболыпих белков получены не путем априорного расчета, т.е. при использовании только аминокислотной последовательности, а с привлечением дополнительной зкспернментальной информации, ограничивающей количество рассматриваемых вариантов. Как правило, это данные рентгеноструктурного анализа и ЯМР о межатомных или межостаточных расстояниях [159 — 163].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
