Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Согласно теории диссипативных систем и бифуркаций, возникновение порядка из беспорядка возможно только в ходе истинно неравновесного процесса, который даже в принципе не может быть представлен равновесным. Отличительная особенность истинно неравновесного процесса заключается в наличии у системы особых незатухающих, т.е. необратимых, флуктуаций, проявляющихся в определенных условиях и вызываемых специфическими молекулярными свойствами микроскопических составляющих, т.е. тем, что, по определению, не учитывается равновесной и линейной неравновесной термодинамикой. Последовательная цепочка таких взаимосвязанных и согласованных друг с другом и благодаря этому неравновесных и эволюционирующих в определенном направлении флуктуаций - непосредственная причина зарождения и развития порядка из хаоса.
И. Пригожиным были впервые разработаны физические принципы механизма диспропорционирования энтропии при самопроизвольных процессах. Они утверждают, что для понимания и априорного описания спонтанного возникновения порядка из хаоса необходимо установление количественных взаимоотношений между коллективным поведением макроскопической системы и индивидуальными свойствами ее микроскопических составляющих. Развитые Пригожиным представления нелинейной термодинамики могут служить основой теории свертывания белковой цепи. В пользу этого свидетельствует наличие у процессов структурной организации диссипативных систем и белков следующих общих черт: эволюции в сторону создания высокоорганизованных структур из хаоса, спонтанного протекания процесса, производства и диспропорционирования энтропии и, наконец, существования устойчивых бифуркационных флуктуаций.
Исходным состоянием обсуждаемой системы будем считать находя-
463
щуюся в водной среде белковую цепь в состоянии статистического клубка, которая совершает броуновское движение. Предполагаем, что в начальный период все флуктуации - периодические вращения атомных групп вокруг одинарных связей - являются беспорядочными и несинхронизированными друг с другом. В равновесных процессах они обратимы и поэтому не оказывают существенного воздействия на движение системы в сторону положения равновесия. В данном случае подавляющее большинство флуктуаций также обратимо и неустойчиво. Однако некоторые из флуктуаций сближают определенные атомные группы, которые могут эффективно взаимодействовать между собой. Благодаря этому сохраняются поначалу случайно появившиеся, но не случайным образом стабилизированные конформационные состояния тех или иных участков белковой цепи.
Какие же силы делают устойчивым определенное сочетание случайных отклонений? Очевидно, возникшее благодаря флуктуациям необратимое конформационное состояние пептидного фрагмента будет обладать наименьшей энергией и, следовательно, явится стабильным, если приведшие к его созданию флуктуации окажутся согласованными между собой. Это означает, что каждая из таких флуктуаций отвечает предпочтительному по энергии взаимному расположению ближайших атомных групп (например, в пределах одного аминокислотного остатка), а определенное сочетание таких флуктуаций приводит к дополнительным стабилизирующим взаимодействиям более удаленных атомных групп, принадлежащих соседним по цепи остаткам. Что нужно, чтобы такое событие, несмотря на случайность и беспорядочность всех флуктуаций, наверняка имело место? Для этого необходимо, чтобы единственно возможный при самопроизвольности процесса беспорядочнопоисковый механизм сборки белка осуществлялся за короткое время. На первый взгляд данное условие выглядит нереальным, так как число возможных комбинаций случайных и в значительной мере беспорядочных конформационных флуктуаций полипептидной цепи велико, а возможность появления среди них бифуркационных флуктуаций ничтожно мала. Так, перебор всех микроскопических состояний даже у самого низкомолекулярного белка занял бы не менее 1030 лет.
Противоречие между характером процесса и его продолжительностью снимается, если предположить, что актуальные на первом этапе сборки белка бифуркационные флуктуации могут возникать независимо на разных участках аминокислотной последовательности. Это предположение равносильно постулированию возможности образования при определенном сочетании согласованных флуктуаций конфор-мационно жестких фрагментов только за счет невалентных взаимодействий входящих в него остатков. Время, необходимое для локальной структурной самоорганизации при беспорядочно-поисковом механизме ориентировочно равно, согласно Д. Уетлауферу, 10п“14 с (п -число остатков; 10п - число возможных конформационных состояний белковой цепи; 10~14 с - время возникновения одного конформационного состояния) [326]. Следовательно, для пептидных фрагментов белковой цепи, например, с п=12 время сборки составляет всего 10~2 с. Процессы 464
структурирования разных олигопептидных участков последовательности могут идти параллельно с разными скоростями. Их независимость друг от друга предполагает чередование в белковой цепи конфор-мационно жестких и лабильных фрагментов.
