Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Первой теоретической трактовкой экспериментальных данных о денатурации белков явилась разработанная Дж. Брандтсом в 1964 г. термодинамическая теория двух состояний [35]. Согласно этой теории, белковая молекула в растворе представлена целым рядом (в общем случае неограниченным) микросостояний. Все они входят в состав либо распределения N (нативное макросостояние белка), либо D (денатурированное макросостояние). Состояния N и D характеризуются усредненным по всем макросостояниям параметром а, являющимся количественным выражением различных физических или химических свойств белка. На рис. III. 1 приведено графическое изображение процесса тепловой денатурации белка, отвечающего переходу между двумя состояниями и, следовательно, описывающегося теорией Брандтса. Энергетическая шкала охватывает всю систему белок—растворитель. Теория Брандтса сделала возможным относительно простой термодинамический анализ конформационного перехода N ^ D. Используя эксие-
348
/ 1 r<r0 Л
\
.¦ill Ih. .111.
А г-Та л
III Illllll
N т>т0 л
\ i'
illli ..................
Энергия
Рис. III. 1. Графическое изображение процесса денатурации белка
N и D — термодинамические состояния нативного и денатурированного белка, определяемые равновесным распределением микроскопических состояний [35]
Рис. III.2. Изменение энтальпии (Н), энтропии (S) и свободной энергии Гиббса (G) в процессе развертывания белковой цепи химотрипсиногена А [20]
риментальные данные о переходе и трактуя их в свете теории двух состояний, можно построить диаграммы изменений свободной энергии, энтальпии и энтропии как функции координаты реакции. На рис. III.2 приведена такая диаграмма для химотрипсиногена, построенная Р. Лам-ри и Р. Билтоненом [20] по данным М. Айзенберга и Г. Шверта [36] и Дж. Брандтса [37]. Из диаграммы следует, что в процессе денатурации белка происходит монотонное изменение энтальпии и энтропии. В связи с тем, что только два макросостояния представлены большими популяциями на пути перехода от N к D, то все промежуточные состояния должны обладать высокой свободной энергией Гиббса. В наличии одного знака и близких значений изменений ДН и ТДБ Ламри и Билтонен видят характерную и существенную особенность структурной организации белков.
Денатурационная теория белков Брандтса, как отмечалось, основана на идее наличия двух состояний, каждое из которых представлено определенным распределением своих микросостояний. Теория позволяет предсказать свойства макросостояний в области перехода в предположении, что микросостояния, реализующиеся в этой области, не являются чем-то вновь созданным, а присутствуют в распределении N и D. В теории постулируется отнюдь не очевидное положение об отсутствии новых промежуточных конформационных состояний в области перехода. В связи с этим в каждом конкретном случае требуется критическое отношение к возможности описания процесса денатурации с помощью теории двух состояний. В общем случае, когда переход не отвечает схеме двух состояний, не должно быть совпадения значений изменения энтальпии (ДН'), рассчитанной, согласно Вант-Гоффу, по температур-
349
ной зависимости константы равновесия двухстадийной реакции, истинным калориметрическим тепловым эффектом денатурации (АН).
О соответствии системы двухфазной концепции реальной ситуации может свидетельствовать форма кривых зависимости, например АН от температуры. Если система не отвечает теории Брандтса, то для кривых становится характерным наличие резко выраженного максимума в области перехода. Несмотря на то, что к началу 1970-х годов было уже проанализировано большое число реакций свертывания и развертывания белковой цепи с применением методов, основанных на теории Брандтса, тем не менее не удалось выработать определенного представления об общем для денатурации термодинамическом механизме процесса. Наиболее трудным оказалось получить в каждом отдельном случае однозначные доказательства принадлежности процесса к действительно простому переходу между двумя состояниями, поскольку нельзя исключить возможность случайного соответствия опытных данных с теоретическими. Дж. Брандте считает, что имеется, по крайней мере, два примера, где соответствие схеме двух состояний продемонстрировано убедительно. Один касается денатурации миоглобина, а другой — рибонуклеазы. Исследование процесса свертывания цепи миоглобина Дж. Германсом и Г. Акампорой приводит к практически полному совпадению рассчитанных и опытных значений термодинамических параметров [38]. У рибонуклеазы совпадают величины ДН° и ДСр тепловой денатурации белка при 45°, полученные прямым калориметрическим определением (86,0±4,0 ккал/моль; 23001300 ккал/мольград) и расчетом с использованием данных УФ-спектров, основанным на идее двух состояний (89,0 ккал/моль; 2260 ккал/моль град).
