Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Термодинамическая гипотеза, правда в чисто феноменологическом плане, впервые была сформулирована в 1954 г. Р. Ламри и Г. Эйрингом [1]. А год спустя принцип самоорганизации невалентных комплексов белков между собой и с другими макромолекулами был провозглашен Г. Фраенкель-Конратом и Р. Уиллиамсом, обнаружившим самопроизвольное реконструирование инфекционного вируса табачной мозаики при инкубации его неактивных белковых и нуклеиновых компонентов.
Ф. Рихарде в 1958 г. открыл хорошо известные сейчас рекомбинантные системы, состоящие из нескольких белковых фрагментов, способных спонтанно собираться посредством невалентных взаимодействий в биологически активные структуры, подобные родительским белковым молекулам [160]. Обратимо и без помощи других веществ происходит сборка рибосомных частиц. А.С. Спирин и соавт. [161, 162], М. Номура и соавт. [163, 164], подобрав соответствующие условия, наблюдали полную реконструкцию биологически активных 50S и 30S частиц из изолированных рибосомных РНК и двух наборов из 32 и 21 индивидуального рибосомного белка. При исследовании самосборки частицы 30S Номура и соавт. [165, 166] обнаружили, что процесс начинается с автономной компактизации рРНК из состояния 16S в состояние 22S и образования каркаса для размещения белков. Их последующее присоединение сопровождается четырьмя конформацион-ными переходами из менее компактного в более компактное состояние (22S -> 23S -> 25S -> 28S -> 30S).
Со временем, по мере развития молекулярной биологии, количество белков, их комплексов друг с другом, нуклеиновыми кислотами, липидами, углеводами и т.д., проявляющих склонность к структурной самоорганизации, постоянно росло. Недавно перечень многочисленных водорастворимых глобулярных белков с хорошо известной способностью к обратимой денатурации впервые пополнился несколькими интегральными мембранными белками, пространственное строение которых также удалось успешно ренатурировать Дж. Попоту и соавт. [ 167], Т. Серри и Ф. Янигу [168]. Таким образом, становилось все более
409
очевидно, что присущая белкам склонность к самопроизвольному свертыванию в строго детерминированные трехмерные структуры без помощи других молекул представляет собой фундаментальное качество биологических систем, обусловливающее специфические особенности не только молекулярного уровня, но и последующих уровней иерархической организации живого. Множество примеров свидетельствует, что такие надмолекулярные структуры, как белковые агрегаты, рибосомы, белковые волокна, вирусы и мембраны, не синтезируются в виде единых, ковалентносвязанных гигантских молекул, а собираются в результате невалентной агрегации макромолекулярных субъединиц.
Такой способ построения больших структур имеет ряд очевидных преимуществ. Во-первых, невалентная агрегация одинаковых субъединиц требует меньше генетической информации, а следовательно, меньше генетического материала. Во-вторых, сборка и диссоциация большой структуры, построенной за счет невалентных взаимодействий, легко поддается контролю. В-третьих, сборка структуры из субъединиц позволяет свести к минимуму количество ошибок, поскольку функционирование специального механизма корректирования в процессе сборки может устранить испорченные субъединицы [169, 170].
Для белков утвердились следующие принципы их молекулярной структурной организации: 1) аминокислотная последовательность однозначно определяет нативную конформацию белка; 2) свертывание белковой цепи в нативную конформацию осуществляется спонтанно, т.е. имеется прямая связь, не требующая посредников, между линейным порядком аминокислот и их расположением в пространстве; 3) стабильная в физиологических условиях конформация белка отвечает минимальной свободной энергии Гиббса.
14.1. ФЕРМЕНТЫ,
УЧАСТВУЮЩИЕ В СВЕРТЫВАНИИ БЕЛКОВ
Положение о том, что информация о сборке белка заключена в строении самой белковой молекулы, до недавнего времени являлось общепринятым и воспринималось буквально. Менее очевидными представлялись (и все еще остаются таковыми) побудительные мотивы и механизм спонтанного свертывания белковой цепи. Их трактовка обычно исходила из предположения о появлении на ранней стадии ренатурации вторичных структур, считающихся самыми стабильными из всех возможных форм полипептидной цепи, гидрофобном схлопыва-нии и возникновении так называемой расплавленной глобулы, содержащей многие элементы конечной структуры, и образовании стабилизирующих нативную конформацию ковалентных и ионных взаимодействий, подобных дисульфидным связям и ионным парам (см. гл. 7 и 12 и обзоры последних лет [18, 108, 171—175]). Однако эти объяснения в значительной мере имели гипотетический характер. Ни одно из них в течение десятилетий не смогло привести к разработке
410
строгой физической теории и априорному методу расчета геометрии нативной конформации по известной аминокислотной последовательности. Поэтому перечисленные выше принципы пространственной структурной организации оставались постулатами, весьма правдоподобными, однако строго не доказанными.
