Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Криппеном метод к называемых энергетических вставок, который основан на деформации енциальной поверхности, ведущей к постепенному исчезновению сокоэнергетических минимумов [226-228). Аналогичная процедура была днее предложена Е. Пурисимой и Г. Шерагой (229]. Метод деформации енциальной поверхности в комбинации с методом молекулярной амики и с привлечением экспериментальных данных ЯМР был испольван в расчете ряда пептидов [230-232).
Л. Пиела и соавторы разра- али метод диффузионного сглаживания потенциальной поверхности 3) и применили его в расчете оптимальных конформаций Меьзнкефаа [234, 235]. Найденная при атом глобальная структура пентапептида влетворительно совпала с геометрией самой низкознергической формы, читанной методом Монте Карло минимизации [171, 172). В связи с развитием генной инженерии, сделавшей доступными антные белки, в последние годы более популярными становятся счетные методы, основанные на предположении о существовании логии между биологической зволюцией и процессом оптимизации.
При м руководящей является идея об эволюции целой структурной попу- 245 ляции данного белка, а не идея единственной для него конформационноя "траектории", т.е. трансформации одной структуры [236). Методы была применены в расчетах грубых моделей пептидов и белков [237, 238) упрощенных непрерывных полипептидных цепей [239 — 242[, моделей с фиксированным скелетом и заменяемыми боковыми цепями [243) рассматривались также другие модели [244, 245).
Описание имеющихся генетических конформационных алгоритмов содержится в монографии Д. Голдберга [236) и обзоре С. Форреста [246). В представленном в этом разделе кратком описании расчетных методов нашли отражение основные тенденции развития конформационного анализа пептидов и белков в последнее время. Несмотря на многочисленность и видимое разнообразие новых теоретических разработок, их сближает ряд общих черт принципиального характера, причем тех же самых, что были присущи предшествующим теоретико-методологическим исследованиям. Отмечу лишь три таких особенности.
Во-первых, практически все предложенные методы расчета исходят из предположения, что нативная трехмерная структура белка имеет самую низкую внутреннюю энергию. Поэтому конечная цель каждого метода состоит в установлении глобальной конформации молекулы по известной аминокислотной последова. тельностн.
Такое предположение, сформулированное более 40 лет назад, до сих пор не встретило каких-либо противоречий со стороны экспериментальных фактов и, следовательно, может считаться оправданным. Вовторых, в последние годы, как и ранее, во всех случаях предпринимались попытки подойти к расчету глобальной конформации белка путем усовершенствования предсказательных алгоритмов, процедур минимизации в вычислительной техники. Надежды на решение структурной проблемы по- прежнему связываются не с более глубоким проникновением в молекулярную физику белка и разработкой соответствующих теорий, а главным образом с достижением в области методологии теоретического конформационного анализа и развитием компьютерной аппаратуры, Между тем такой подход в принципе не может привести к априорному расчету глобальной конформации белка.
В разделе 2.1 уже указывалось, что перебор со скоростью вращательной флуктуации [1О '~ с) всех мыслимых конформационных состояний даже у низкомолекулярной белковой цепи [< 100 остатков) занял бы не менее 10ш лет. Следовательно, при беспорядочно-поисковом механизме сборка белка как в условиях [п ч[чо в процессе рибосомного синтеза, так и в условиях [п гйго в процессе ренатурации не может осуществляться через селекцию конформации всех локальных минимумов потенциальной поверхности.
Реальные же возможности самых совершенных современных методов расчета ограничены независимым анализом тетра- и пентапептндов, рассчитанных четверть века назад. Ни один из существующих теоретических методов не в состоянии проводить конформационный анализ сложных олигопептидов, а тем более белков, без привлечения дополнительной информации — результатов прямого эксперимента, касающегося исследуемого объекта, иля статистической обработки имеющихся структурных данных. В-третьих для всех предложенных методов расчета характерно отсутствие классификации пептидных структур, оправданной с физической точки зрения и 246 кватывающей все возможные состояния.
Поэтому каждая конформация ~вссчитывается вне связи с другими структурными вариантами, количетво которых часто составляет десятки, а то и сотни тысяч. Если нет йлассификации столь больших массивов данных, то не может быть и йигального анализа получаемых результатов и, следовательно, выявления факторов, ответственных за стабилизацию пространственного строения йоследуемых амннокислотных послсдоватсльностей. Велика также в этом Вяучае вероятность случайных пропусков актуальных конформацнй. В разделах 7.1 и 7.2 изложен метод, на сегодняшний день единственный, в котором предпринята попытка обойти проблему множественности энергетических минимумов (не решаемую для белка ни человеком, ни природой) и в то же время сохранить априорность расчета, т.е.
использовать только знание аминокислотной последовательности [14, 106, $$7). Доказательству справедливости исходных положений метода и выяснению его возможностей в расчете оптимальных конформационных состояний пептидов и белков посвящена большая часть глав этой книги. Яастоящий раздел завершается описанием тех, наиболее характерных для него и отсутствующих у других методов особенностей, которые позволили предпринять строго теоретическое исследование пространственного строения сложных олигопептидов и ннзкомолекулярных белков, Теоретической основой метода априорного расчета глобальных конформаций являются представление о механизме свертывания белковой цепи как о нелинейном неравновесном процессе, обусловленном и направляемом необратимыми флуктуациями (бифуркационная теория самосборки белка,' (см.
разд, 2.1) и представление о нативной конформации белка как о плотно упакованной структуре, обладающей минимальной внутренней энергией и согласованной в отношении всех внутриосгаточных цмежостаточных взаимодействий валентно-несвязанных атомов белковой Молекулы (физическая теория структурной организации белка) (см. равд. 2.2).
Согласно теории бифуркаций, переход цепи из состояния статистического клубка в строго детерминированную трехмерную структуру начинается с практически одновременного появления на разных участках последовательности независимых друг от друга необратимых флуктуаций. Первый этап структурирования таким образом включает немного'щсленный ряд параллельно идущих независимых процессов формообра~ования как бы несвязанных друг с другом отдельных фрагментов. Чтобы вроцессы могли совершаться действительно независимо, необходимо предйззложить конформационную гетерогенность природных аминокислотных последовательностей — чередование в белковой цепи структурно жестких ф лабильных участков.
Первые обладают способностью под действием зяяижних и средних взаимодействий входящих в них остатков свертываться $ определенные структуры, которые существенно не изменяются на последующих этапах сборки, а вторые — промежуточные участки, пока з1стаются подвижными, хотя н их конформационная свобода ограяичивается ближними и средними взаимодействиями. Чтобы свертывание локальных участков наверняка имело бы место и происходило при бсспо. рядочно-поисковом механизме за короткое время (1О -1О ' с), их разме Р не должен превышать 10-12 остатков.
Дифференциация свертывающейся цепи на конформационно жесткие а лабильные фрагменты является поворотным моментом, определяющим направленность и характер дальнейшего развития процесса. Впоследствии также за счет случайно возникших флуктуаций в специфические взаимодействия вовлекаются удаленные по цепи остатки из разных ее участков, и белок переходит во второе промежуточное состояние. Струк.
турирование, вызванное новым набором согласованных необратимых флуктуаций, осуществляется за счет сближенности комплементарных и избирательно взаимодействующих конформационно жестких и лабильных фрагментов, т.е, за счет дальних взаимодействий. Быстрое появление соответствующих необратимых флуктуаций здесь также неизбежно, поскольку увеличение количества взапмодсйствуннцих между собой остатков сопровождается уменыпением конформациоиных степеней свободы Таким образом, согласно бифуркационной теории, ни один из этапоа механизма спонтанного свертывания белка, включая окончательное построение его биологически активной трехмерной структуры, не содержит селекции практически бесконечного множества мыслимых конформационных состояний аминокислотной последовательности.
Следовательно, если описанный механизм адекватен реальному процессу, т.е. если бифуркационная теория верна, то разработанный на ее основе метод расчета вообще не встречается с проблемой поиска глобального минимума энергии на многомерной потенциальной поверхности. Содержание конформацнонного анализа в этом случае распадается на две также непростые задачи. Одна из них заключается в оптимизации составляющих белковую цепь олигопептидных участков в их свободном состоянии при вариации всех возможных комбинаций значений двугранных углов вращения каждого отдельного фрагмента.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
