Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Часть II
ЭМПИРИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРЕДСКАЗАНИЮ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СТРОЕНИЯ БЕЛКОВ
Определение аминокислотных последовательностей и расшифровка трехмерных структур миоглобина, гемоглобина, лизоцима и ряда других белков позволили в 1960-е годы сформулировать задачу установления зависимости между химическим и пространственным строением белковых молекул. Впервые стала возможной постановка исследований структурной организации белков, конечная цель которых заключается в априорном предсказании нативной конформации и динамических свойств белковых молекул по известной аминокислотной последовательности. Поиски решения этой задачи продолжаются с возрастающей интенсивностью более тридцати лет. С самого начала возобладал и по сей день остается господствующим, чуть ли не единственным, эмпирический подход. Его материальной основой служат главным образом данные рентгеноструктурного анализа белков, а идейной -три гипотетических представления: а-спиральная концепция Полинга и Кори [1, 2], классификация белковых структур на первичную, вторичную и третичную, предложенная Линдерстрем-Лангом [3], и гидрофобная концепция Козмана [4].
Согласно первой концепции пространственная структура белковой молекулы (третичная) представляет собой ансамбль регулярных (вторичных) структур, образуемых основной цепью. Данные о конформационных состояниях синтетических полипептидов, фибриллярных белков и впервые ставшие известными на атомном уровне трехмерные структуры миоглобина и гемоглобина дали блестящие и как будто бы бесспорные доказательства справедливости предположения, высказанного еще Астбери и остававшегося в молекулярной биологии безальтернативным в течение десятилетий, о единстве структурных элементов белковых молекул. Кристаллографические структуры миоглобина и гемоглобина явились подлинным триумфом а-спиральной концепции Полинга и Кори, которая после этого представлялась уже не как весьма правдоподобная и полезная рабочая гипотеза, а как не вызывающий сомнений принцип пространственной организации белковых молекул. Эта концепция легла в основу структурной классификации белков Лин-дерстрем-Ланга и стала направляющей идеей поиска эмпирических правил свертывания полипептидной цепи. Ей не только не противоречила, а, напротив, на первый взгляд, естественным образом дополняла концепция гидрофобных взаимодействий Козмана. Последняя ут-
229
верждает, что аминокислотная последовательность, образованная из а-спиралей, (3-структур и унифицированных по форме основной цепи изгибов, сворачивается в глобулу, состоящую из неполярного, гидрофобного ядра и полярной, гидрофильной оболочки.
Глава 7
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СТАБИЛЬНОСТЬ ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА
Установление аминокислотных последовательностей и расшифровка на атомном уровне пространственных структур белков вызвали повышенный интерес к изучению свертывания белковой цепи в нативную конформацию и природы сил, ее стабилизирующих. Знание химического и пространственного строения создало новые, более благоприятные условия для выяснения принципов пространственной организации белковых молекул. Наличие количественных характеристик реальной структуры белка сделало возможным перейти от общих рас-суждений на эту тему и феноменологических описаний к конкретному изучению процесса формообразования и разработке соответствующих физических моделей. Исходную теоретическую основу такого моделирования могли бы составить ответы на следующие вопросы, имеющие самый общий характер и, следовательно, касающиеся всех белков.
1. Каково соотношение между химическим и пространственным строением белковой молекулы?
2. Каким образом происходит формирование пространственной структуры белка; осуществляется ли свертывание белковой цепи в физиологически активную форму спонтанно или существует специальный морфогенетический механизм, действующий в процессе или после завершения матричного синтеза белка на рибосоме?
3. Какую роль играют термодинамические и кинетические факторы в пространственной организации белка; обладает ли трехмерная структура белковой молекулы в нативных условиях минимальной свободной энергией Гиббса или она отвечает термодинамически метаста-бильному состоянию?
Ответы на эти вопросы в гипотетической форме были предложены впервые в 1954 г. Р. Ламри и Г. Эйрингом [5]. Авторы исходили из представления о трехмерной структуре белка, состоящей из взаимодействующих между собой регулярных участков. Такая упрощенная модель следовала из предложенного Линдерстрем-Лангом разделения белковой структуры на первичную, вторичную и третичную [3]. Главным стабилизирующим фактором, в согласии с концепцией А. Мирского и Л. Полинга, сформулированной в 1936 г., принимались водородные связи, скрепляющие вторичные структуры [6]. Последние образуют
230
жесткую третичную структуру посредством главным образом ион-дипольных и ван-дер-ваальсовых взаимодействий боковых цепей аминокислотных остатков. Свои представления Ламри и Эйринг обосновывали имеющимися данными о денатурации белков. Явление денатурации определено ими как изменение конформации белковой молекулы. Полностью обратимые денатурационные процессы они связали с нарушением только третичной структуры, т.е. с разрушением связей между вторичными структурами, а необратимые процессы - с более глубокими конформационными изменениями, затрагивающими вторичные структуры. На основе отмеченной выше структурной модели белка и качественного рассмотрения денатурации Ламри и Эйринг постулируют следующие положения [5]: во-первых, аминокислотная последовательность однозначно определяет нативную, физиологически активную конформацию белка; во-вторых, свертывание белковой цепи в жесткую нативную конформацию осуществляется спонтанно, т.е. имеется прямая связь, не требующая посредников, между линейным порядком аминокислот и их расположением в пространстве; в-третьих, стабильная в физиологических условиях конформация белка отвечает минимальной свободной энергии Гиббса.
