Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Простейший пример - а-спираль, являющаяся структурой, оптимальной с точки зрения дисперсионных взаимодействий атомов основной цепи, пептидных водородных связей (5 —» 1), электростатических взаимодействий и энергии вращения вокруг всех одинарных связей. Только благодаря такой гармонии Полингу и Кори удалось правильно предсказать геометрию а-спирали, сделав в принципе ошибочное предположение о ее стабилизации исключительно за счет водородных связей. На самом же деле главным фактором, цементирующим а-спираль в полярной среде, являются дисперсионные взаимодействия атомов основной цепи, а не пептидные водородные связи. Однако из-за согласованности в этой струк-
«vpe всех видов взаимодействий ошибочное предположение не сказалось ца поиске самой выгодной для основной цепи спиральной структуры с ^целочисленным порядком винтовой оси, но надолго утвердило неправильное представление о природе сил, ее стабилизирующих. Водородные рвязи типа 5 —> 1 сыграли здесь роль геометрического признака а-спирали.
16.3. МЕХАНИЗМ СТРУКТУРНОЙ САМООРГАНИЗАЦИИ
В процессах денатурации и ренатурации аминокислотной последовательности проявляется прямая связь между химическим и пространст-венным строением молекулы белка. Переход беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в детерминированную трехмерную структуру и обратный процесс - переход нативной конформации белка в состояние статистического клубка есть не что иное, как формирование и разрушение тех самых внутриостаточных и межостаточных взаимодействий валентно-Яесвязанных атомов, теоретическому рассмотрению и априорному расчету которых были посвящены предшествующие главы книги. Очевидно, изучение механизмов денатурации и ренатурации представляется совершенно необходимым для познания принципов структурной организации белковых макромолекул. С другой стороны, любая теоретическая разработка проблемы пространственного строения белков не может считаться завершенной без описания и аргументированной трактовки особенностей уникального процесса свертывания аминокислотной последовательности в высокоорганизованную структуру.
Экспериментальное изучение многих белков, поддающихся ренатурации, выявило наиболее характерные черты этого явления: самопроизвольность протекания, высокую скорость и безошибочность процесса сборки белковой цепи в нативную конформацию. Было показано, что структурная организация белка, несмотря на случайно-поисковый механизм сборки, осуществляется не путем перебора всех возможных конформационных состояний статистического клубка, а по определенному механизму, чувствительному к внешним условиям. При этом не было обнаружено фактов, противоречащих представлению о нативной конформации белковой молекулы как об энергетически глобальном равновесном состоянии.
В результате изучения кинетики ренатурации целого ряда белков стали известны некоторые детали процесса свертывания-развертывания поли-пептидной цепи. Однако ни в одном случае эта работа не была доведена до логического конца, т.е. до установления конкретного механизма сборки и его количественного структурного, термодинамического и кинетического описания как многоступенчатого, взаимообусловленного на всех своих стадиях процесса. Не получили объяснения побудительные мотивы ренатурации, определяющие скорость процесса и его безошибочность, и, самое главное, возможность спонтанного перераспределения энтропии, т.е. самопроизвольного возникновения порядка из беспорядка. Уже десятки лет прогресс в этой области в теоретическом плане сдерживается из-за отсутствия количественной информации о состоянии и конформационных возможностях белковой цепи на разных стадиях ее самоорганизации и
ориентации при трактовке опытных фактов исключительно на равновес ную термодинамику и статистическую физику [16-24].
В экспериментальных исследованиях все еще остаются непреодолец. ными трудности контроля и управления процессами свертывания, выделения промежуточных метастабильных продуктов и идентификации и* структур. В настоящее время лишь для бычьего панкреатического трипсинового ингибитора (БПТИ) достаточно полно и на высоком экспериментальном уровне изучен процесс свертывания белковой цепи в условиях in vitro. Исследование БПТИ, проведенное Т. Крейтоном [7], относится к самым значительным и глубоким разработкам проблемы ренатурации на фоне аналогичных по направленности экспериментальных исследований других белков. Однако интерпретация опытных данных и здесь носит противоречивый характер и базируется на равновесной термодинамике, в принципе исключающей раскрытие физической сущности ренатурации -явления сугубо неравновесного [25, 26]. Вопрос о движущих силах спонтанного механизма сборки белка даже не обсуждается. Тем не менее благодаря исследованию Крейтона возникла уникальная, качественно новая ситуация, при которой впервые появилась возможность всесторонне проанализировать огромный экспериментальный материал о свертывании белковой цепи БПТИ со строгих теоретических позиций: бифуркационной термодинамической модели (см. разд. 2.1), физической теории структурной организации белка (см. разд. 2.2) и результатов априбрного расчета трехмерной структуры БПТИ (см. разд. 16.1 и 16.2). Цель такого совместного рассмотрения конкретных опытных и теоретических данных состоит в получении ответов на следующие вопросы.
