Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Одним из наиболее интересных и обнадеживающих результатов априорного расчета двух низкомолекулярных белков явилось совпадение почти с экспериментальной точностью значений двугранных углов ср, у, й и % (или координат атомов), рассчитанных и найденных опытным путем Безусловно, это достойный и эффективный финал длительного исследования. Допуская достаточность и справедливость всех положений использованной структурной теории, применимость для белков механической модели и эффективность разработанного для пептидов расчетного метода, трудно было все-таки надеяться на количественную близость теоретических и экспериментальных данных. Предполагалось, что на окончательных результатах существенным образом скажется ряд условностей в описании невалентных взаимодействий, в учете влияния среды и, по-видимому, главное, параметризации эмпирических функций. Неизбежным, особенно вначале, представлялось быстро прогрессирующее с увеличением длины цепи накопление ошибок, которое в конечном счете должно было сделать расчет природных полипептидов (даже при правильности всех исходных теоретических посылок) малоперспективным, подобно тому, как пока еще оказывается малоэффективным синтез белков на основе методов органической химии по сравнению с биосинтезом и методами генной инженерии. Почему же этого не произошло в расчете пространственных структур двух рассмотренных белков? Случайно ли получено
iiiiee совпадение теории и опыта или высказанное опасение не неоправданным и пример с искусственным синтезом белков к данному деяаю не имеет никакого отношения?
^Сомнение в увеличении погрешности расчета по мере усложнения ^декта, особенно до размеров белковой макромолекулы, противоречит не уддько общепринятому мнению, но, казалось бы, здравому смыслу. Зфрпшо известен факт, что использованные в расчете белков потенциалы ^иближенны и могут приводить к заметным отклонениям в конфор-цриионном анализе даже малых органических молекул. Однако, как и во цдогих других отношениях, белок и здесь неповторим. Ниже будет по-роаяо. что точность расчета пространственной структуры природного по-утептида. как это ни парадоксально звучит, практически не определяется «гной аминокислотной последовательности. Это обусловлено механизмом |1руктурной самоорганизации белков. Для молекулы БПТИ он подробно Просматривается в следующем разделе, а сейчас отметим лишь некоторые щро особенности общего характера, помогающие ответить на постав-жнный вопрос о точности расчета.
Формирование нативной конформации белка из неструктурированной флуктуирующей формы неизбежно начинается с выяснения взаимоотношений между соседними по цепи остатками. Конформационные возможности остатков определяются ближними взаимодействиями, т.е их природой, а конформационные возможности фрагмента - средними взаимодействиями, т.е. конкретной аминокислотной последовательностью. Дальние взаимодействия возникают только на определенной стадии структурирования цепи, уже после того, как средние взаимодействия в основном рыполнили свою функцию. Таким образом, самоорганизация белковой глобулы в условиях in vitro и in vivo - это прежде всего процесс последовательной "минимизации" энергии через выбор конформационных состояний, наиболее предпочтительных сначала для простых, а затем для ¦се более усложняющихся участков вплоть до всей молекулы белка. Сборка белковой цепи по ходу ее рибосомного синтеза и участие шапе-ронов влияют на скорость процесса, но не затрагивают его статистикодетерминистической природы и специфики бифуркационных флуктуаций, а поэтому не ставят под сомнение зависимость нативной конформации исключительно от аминокислотной последовательности. Ограниченное число возможных для остатков конформационных состояний, образование микро-гдобул и их ассоциация без существенных изменений конформации при наличии согласованности ближних, средних и дальних взаимодействий значительно упрощают механизм сборки белковой структуры, делают его Острым и безошибочным. Иерархический, многоступенчатый характер самопроизвольного процесса свертывания полипептидной цепи, в той или ¦вой мере улавливаемый и воспроизводимый расчетом, является главной причиной того, что точность определения конформационных параметров Становится малочувствительной к размеру белковой молекулы.
Априорный расчет белка ни на одном из своих этапов, по существу, не сталкивается с независимым определением структуры сложного фрагмента, тем более всей молекулы, из отдельных аминокислотных остатков. Решение всегда ищется через установление пространственных структур
нуклеаций и определение конформационных возможностей промежуточных участков, более лабильных по средним взаимодействиям. Помимо таких учитываемых в расчете свойств нативной конформации, как плотнейшая упаковка белковой глобулы и согласованность всех внутри- и межостаточных взаимодействий, на точность теоретического анализа оказывают положительное воздействие еще по крайней мере четыре фактора. Во-первых, сравнительно небольшие размеры первичных ну-клеационных и конформационно лабильных участков (как правило, 5-10 аминокислотных остатков). Анализ многочисленных олигопептидов, фрагмента 1-23 нейротоксина и молекулы трипсинового ингибитора свидетельствует о том, что погрешности априорного расчета пентадекапептидов отвечают точности рентгеноструктурного анализа белков достаточно высокого разрешения (-2,0 А). Во-вторых, жесткие по средним взаимодействиям нуклеации свободных фрагментов не претерпевают заметных изменений при их включении в состав более сложных участков или всей молекулы. Если при установлении в процессе сборки многочисленных дополнительных контактов с удаленными по цепи остатками структуры нуклеаций сохраняются, то точность расчета геометрии более сложного фрагмента, включающего нуклеации, остается на том же уровне. Этому способствует также третий фактор - высокая чувствительность конформационной энергии к взаимному расположению комплементарных друг другу нуклеаций и промежуточных лабильных фрагментов. В результате расчет нативной трехмерной структуры белка, по существу, сводится к решению блочной задачи - поиску плотнейшей упаковки не отдельных остатков, а жестких фрагментов (блоков) со сложным профилем потенциальной поверхности при вариации известных из анализа ближних и средних взаимодействий конформационных состояний лабильных участков пептидной цепи. Число последних, как правило, невелико. Каждый из них становится также конформационно жестким только при определенной, единственной ориентации относительно комплементарно взаимодействующих между собой нуклеаций. Наконец, в-четвертых, малые погрешности расчета сложных пептидов обусловлены не только согласованностью ближних, средних и дальних взаимодействий, но и согласованностью между собой различных видов взаимодействий - дисперсионных, электростатических, торсионных и водородных связей. Иными словами, самые предпочтительные конформации полипептидов обладают минимальными величинами энергии всех учитываемых в расчете видов невалентных взаимодействий.
