Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Одно из наиболее существенных отличий процесса свертывания и развертывания белковой цепи от перехода спираль—клубок синтетического полимера связано с дальними взаимодействиями, обусловливающими в значительной мере глобулярную форму нативных конформаций белков. Согласно Го [207], свободная энергия глобулы по отношению к энергии полностью развернутого состояния может быть выражена суммой двух членов, пропорциональных объему и площади поверхности глобулы. При одном и том же объеме энергия системы будет минимальной в случае реализации пространственного строения белка в форме одной глобулы. Это обстоятельство послужило основанием для создания Го однодоменной глобулярной модели свертывания белковой цепи. Согласно этой модели, аминокислотная последовательность на любой стадии структурирования состоит из двух частей — глобулы и клубка, а сборка белка заключается в последовательном переходе остатков из беспорядочной, флуктуирующей области в упорядоченную, конформационно жесткую область. При таком моделировании, как и при использовании решетчатой модели белка Го и Такетоми, свертывание полипептидной цепи может происходить лишь по единственному механизму двухфазного процесса.
М. Канехиса и Т. Тсонг [208] разработали так называемую кластерную модель равновесного свертывания белковой цепи, представ-
298
ляющую, в отличие от однодоменной глобулярной модели, возможность существования в рамках двухфазного процесса различных путей формирования локальных структур (кластеров). Полипептидную цепь авторы рассматривают в виде альтернирующей последовательности беспорядочных и упорядоченных областей. К последним отнесены вторичные структуры, повороты цепи и гидрофобные ядра. Предположено, что их образование происходит на ранней стадии структурирования белка и обусловлено главным образом взаимодействием с окружением, которое вызывает, как и при действии поверхностно активных веществ, уменьшение свободной энергии поверхностного слоя, т.е. ослабление поверхностного натяжения. Статистический вес беспорядочной области независимо от ее размера полагается равным единице, а вес упорядоченной области из т остатков определяется произведением Smи" (обозначения авторов), где п считается равным от2/3. Логарифм первого множителя (S) представляет собой разницу объемной свободной энергии двух состояний (Де), образующуюся в основном благодаря вкладам энтальпии невалентных связей в одном из них и конформационной энтропии в другом. Логарифм второго множителя (и) определяет разность поверхностной свободной энергии (Да), которая уменьшается при коалесценции упорядоченных областей (т.е. при образовании кластеров) и отделении их от неупорядоченных областей.
В модели Канехисы и Тсонга состояние полипептидной цепи может передаваться набором многих микроскопических конфигураций, отличающихся друг от друга положением вдоль цепи и размером кластеров. Важнейшими характеристиками состояния являются количества кластеров в последовательности (к) и остатков в кластере (от). Значения к vim ограничены лишь протяженностью цепи. Кластерная модель описывает равновесный двухфазный процесс свертывания, т.е. она предполагает существование только двух термодинамически стабильных состояний белковой цепи, отвечающих двум минимумам свободной энергии. Динамика кластерной модели трактуется Канехисой и Тсонгом как беспорядочный, стохастический процесс, характеризующийся вероятностью переходов промежуточных состояний. Свертывание белка включает в себя стадии зарождения, роста и миграции локальных структур. Беспорядочность процесса означает, что свертывание белковых молекул при одинаковых исходных состояниях и внешнем окружении может происходить различными путями, без соблюдения последовательности соответствующих конкретных событий, но при условии статистической идентичности путей свертывания.
М. Канехиса и Т. Тсонг показали, что динамический процесс свертывания белка четко делится на две стадии — медленную и быструю, очередность и продолжительность которых зависят от кооперативное™ внутримолекулярных взаимодействий макросистемы и внешних условий. В одних случаях фактором, ограничивающим скорость перехода, является быстрый рост кластера критического размера. Здесь динамика
299
свертывания подобна переходу спираль—клубок гомополипептида. В других случаях скорость процесса определяется более поздней стадией, когда происходит коалесценция образовавшихся ранее мелких кластеров в крупные. Такое поведение моделирует ступенчатый механизм образования трехмерной структуры белка. Авторы отмечают, что наиболее важная особенность кластерной модели заключается в том, что она демонстрирует возможность сосуществования локальных структур в условиях денатурации в зависимости от свободной энергии поверхностного слоя. Число локальных структур возрастает с ослаблением поверхностного натяжения. Это имеет место в экспериментах с денатурацией белка in vitro при высоких концентрациях денатуранта или низких значениях pH. В естественных физиологических условиях свертывания белка in vivo энергия поверхностного натяжения выше и поэтому количество локальных структур меньше.
