Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
430
Глава 15
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СВЕРТЫВАНИЯ БЕЛКОВОЙ ЦЕПИ
Рассмотренные в предыдущих главах III части исследования перехода свернутой белковой цепи в развернутую неструктурированную форму и обратного перехода флуктуирующей полипептидной цепи в исходную компактную трехмерную структуру позволили сформулировать фундаментальное положение о том, что нативная конформация белковой молекулы отвечает равновесному состоянию и, следовательно, не зависит от конкретных внешних условий и путей свертывания (in vivo или in vitro), т.е. от предыстории, а всецело определяется составом и порядком расположения аминокислот. Было доказано, что все необходимые сведения о физиологически активном пространственном строении белка и его конформационных возможностях заключены в аминокислотной последовательности. В процессах свертывания и развертывания полипептидной цепи проявляется непосредственная связь между химическим и пространственным строением молекулы белка. Трансляция линейной последовательности в трехмерную структуру возможна, однако, только при определенных физиологических условиях. При их соблюдении процесс свертывания осуществляется спонтанно в том смысле, что принятие белком своей равновесной нативной конформации не требует специального морфогенетического молекулярного аппарата, как это имеет место, например, в случае пространственной организации молекул ДНК (о роли шаперонов в свертывании белков см. гл. 14).
Дать трактовку механизма свертывания белковой цепи из состояния статистического клубка в строго детерминированную трехмерную структуру означает ответить на следующие вопросы:
1. Каковы побудительные мотивы самопроизвольно протекающего процесса сборки природной аминокислотной последовательности в нативную конформацию. Или, другими словами, какие силы управляют процессом самосборки белковой цепи?
2. Каким образом беспорядочные и случайные конформационные флуктуации белковой цепи (вращения вокруг ординарных связей) спонтанно и безошибочно приводят к созданию вполне определенной трехмерной структуры белка?
3. Почему столь мала продолжительность сборки нативной конформации белка, осуществляемой по единственно возможному случайнопоисковому механизму, казалось бы неизбежно связанному с перебором огромного массива конформационных флуктуаций?
В течение последних десятилетий было предпринято много попыток ответить на эти вопросы. Тем не менее, все они оказались неудачными. В редких случаях, касающихся укладки белков, содержащих дисульфидные связи, удалось оценить через определенные последовательности возникновения промежуточных моно-, ди-, ...S—S-продуктов
431
ориентировочный порядок свертывания белковой цепи на пути к нативной конформации. Этот экспериментальный материал (по-видимому, самый ценный из всего того, что имеется на сегодняшний день в данной области) все еще остается в значительной мере невостребованным для более глубокого проникновения в проблему и разработки строгой теории свертывания белковой цепи. Исследования обратимой денатурации белков, проведенные в конце 1980-х—начале 1990-х годов, не внесли качественных изменений в понимание этого уникального явления. Поставленные вопросы так и остались без ответов [18, 110, 171, 172]. Развитие свелось к появлению некоторых новых терминов и новых феноменологических моделей, которые мало что добавили к сказанному ранее. Особенно оживленно обсуждаются модель гидрофобного схлопывания (hydrophobic collapse) и каркасная модель (framework model).
Первая из них основывается на предположении о том, что в начальный период свертывания в центре флуктуирующего клубка возрастает концентрация гидрофобных остатков [297—299]. Когда число их достигает критического значения, происходит реорганизация положений боковых цепей, резкое снижение энергии невалентных взаимодействий и быстрый переход (гидрофобное схлопывание) белковой цепи в новое, более компактное конформационное состояние, получившее название расплавленной глобулы (molten globule) [173, 300, 301]. По своим размерам и форме это состояние близко нативной структуре белка. Амидные группы его гидрофобного интерьера обменивают атомы водорода быстрее по сравнению с полностью свернутым состоянием, но медленнее, чем в состоянии статистического клубка [302, 303]. Модель гидрофобного схлопывания принципиально не отличается от рассмотренной в разделе 6.1 модели структурной организации белковой глобулы с гидрофобным ядром и гидрофильной внешней оболочкой, которая была предложена В.И. Лимом в 1974 г. и позднее детализирована им в серии работ [304—309].
Столь же неоригинальна каркасная модель сборки белка, базирующаяся на постулате, прямо следующим из гипотезы Полинга и Кори об энергетической предпочтительности регулярных вторичных структур, играющих в связи с этим центральную роль в определении пути структурирования белковой цепи. Предполагается, что процесс сборки начинается с появления изолированных и на первых порах изменчивых вторичных структур (’’мерцающих кластеров”). Взаимодействуя друг с другом, они вытесняют молекулы воды, стабилизируют свои структуры и посредством гидрофобных контактов образуют единый, достаточно жесткий каркас третичной структуры [310, 311]. Очень близкое представление о свертывании белковой цепи заложено в так называемой диффузионно-коллизионной модели [312, 313]. По существу, аналогичные механизмы сборки рассматриваются также в работах [314, 315]. В основе всех предложенных моделей лежат гипотеза Полинга и Кори о вторичных структурах и гипотеза Козмана о гидрофобных взаимодействиях. Сам же подход к решению с их помощью проблемы свертывания белковой цепи строится на эмпирических корреляциях и равно-432
