Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Охватывающей все возможные состояния. Поэтому каждая конформация рассчитывается вне связи с другими структурными вариантами, количество которых часто составляет десятки, а то и сотни тысяч. Если нет классификации столь больших массивов данных, то не может быть и детального анализа получаемых результатов и, следовательно, выявления факторов, ответственных за стабилизацию пространственного строения Исследуемых аминокислотных последовательностей. Велика также в этом случае вероятность случайных пропусков актуальных конформаций.
* * *
В разделах 7.1 и 7.2 изложен метод, на сегодняшний день единственный, в котором предпринята попытка обойти проблему множественности энергетических минимумов (не решаемую для белка ни человеком, ни природой) и в то же время сохранить априорность расчета, т.е. использовать только знание аминокислотной последовательности [14, 106, 247]. Доказательству справедливости исходных положений метода и выяснению его возможностей в расчете оптимальных конформационных состояний пептидов и белков посвящена большая часть глав этой книги. Настоящий раздел завершается описанием тех, наиболее характерных для него и отсутствующих у других методов особенностей, которые позволили предпринять строго теоретическое исследование пространственного строения сложных олигопептидов и низкомолекулярных белков.
Теоретической основой метода априорного расчета глобальных конформаций являются представление о механизме свертывания белковой цепи как о нелинейном неравновесном процессе, обусловленном и направляемом необратимыми флуктуациями (бифуркационная теория самосборки белка) (см. разд. 2.1) и представление о нативной конформации белка как о плотно упакованной структуре, обладающей минимальной внутренней энергией и согласованной в отношении всех внутриостаточных В межостаточных взаимодействий валентно-несвязанных атомов белковой Молекулы (физическая теория структурной организации белка) (см. разд. 2.2).
Согласно теории бифуркаций, переход цепи из состояния статистического клубка в строго детерминированную трехмерную структуру Начинается с практически одновременного появления на разных участках цоследовательности независимых друг от друга необратимых флуктуаций. Первый этап структурирования таким образом включает немногочисленный ряд параллельно идущих независимых процессов формообразования как бы несвязанных друг с другом отдельных фрагментов. Чтобы Процессы могли совершаться действительно независимо, необходимо предположить конформационную гетерогенность природных аминокислотных Последовательностей - чередование в белковой цепи структурно жестких У лабильных участков. Первые обладают способностью под действием флижних и средних взаимодействий входящих в них остатков свертываться
¦ определенные структуры, которые существенно не изменяются на Доследующих этапах сборки, а вторые - промежуточные участки, пока Остаются подвижными, хотя и их конформационная свобода ограничивается ближними и средними взаимодействиями. Чтобы свертывание
локальных участков наверняка имело бы место и происходило при беспорядочно-поисковом механизме за короткое время (КГ^-КП1 с), их размер не должен превышать 10-12 остатков.
Дифференциация свертывающейся цепи на конформационно жесткие и лабильные фрагменты является поворотным моментом, определяющим направленность и характер дальнейшего развития процесса. Впоследствии также за счет случайно возникших флуктуаций в специфические взаимодействия вовлекаются удаленные по цепи остатки из разных ее участков, и белок переходит во второе промежуточное состояние. Структурирование, вызванное новым набором согласованных необратимых флуктуаций, осуществляется за счет сближенности комплементарных и избирательно взаимодействующих конформационно жестких и лабильных фрагментов, т.е. за счет дальних взаимодействий. Быстрое появление соответствующих необратимых флуктуаций здесь также неизбежно, поскольку увеличение количества взаимодействующих между собой остатков сопровождается уменьшением конформационных степеней свободы
Таким образом, согласно бифуркационной теории, ни один из этапов механизма спонтанного свертывания белка, включая окончательное построение его биологически активной трехмерной структуры, не содержит селекции практически бесконечного множества мыслимых конформационных состояний аминокислотной последовательности. Следовательно, если описанный механизм адекватен реальному процессу, т.е. если бифуркационная теория верна, то разработанный на ее основе метод расчета вообще не встречается с проблемой поиска глобального минимума энергии на многомерной потенциальной поверхности. Содержание конформационного анализа в этом случае распадается на две также непростые задачи. Одна из них заключается в оптимизации составляющих белковую цепь олигопептидных участков в их свободном состоянии при вариации всех возможных комбинаций значений двугранных углов вращения каждого отдельного фрагмента. Цель решения этой задачи состоит в идентификации конформационно жестких и лабильных участков аминокислотной поверхности. Вторая задача включает анализ невалентных взаимодействий тех и других и многоступенчатую минимизацию энергии с постепенным увеличением длины цепи и раскрепощением конформационных параметров жестких участков. В конечном счете будет получена количественная оценка конформационных возможностей всей белковой молекулы и выявлена ее глобальная нативная трехмерная структура. Этот вывод справедлив, однако, лишь в принципе, а реально ни та, ни другая задача не поддаются решению без введения дополнительных положений о структурной организации нативной конформации белка. Предоставленная бифуркационной теорией возможность перехода от расчета целой белковой цепи к расчету отдельных фрагментов и далее анализу комбинаций их пространственных форм в огромной степени упростила проблему, но не сделала ее практически разрешимой. Причина та же - множественность локальных минимумов энергии на потенциальной поверхности, правда, теперь уже не всей белковой цепи, а ее конформационно жестких и лабильных участков, которые могут состоять из 10-12 аминокислотных остатков. Как известно, независимому и строгому анализу поддаются
