Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
^ М. Канехиса и Т. Тсонг [65] разработали теорию так называемой |щастерной модели равновесного свертывания белковой цепи, которая, в ^тличие от однодоменной глобулярной модели Гё, допускает существование в рамках двухфазного процесса Брандтса различных путей формирования локальных структур (кластеров). Полипептидную цепь Канехиса и Тсонг рассматривают в виде последовательности чередующихся беспорядочных и упорядоченных областей. К последним отнесены вторичные структуры, повороты цепи и гидрофобные ядра. Предположено, что их рбразование происходит на ранней стадии структурирования белка и обусловлено главным образом взаимодействием с окружением, которое вызывает, как и поверхностно-активные вещества, уменьшение свободной энергии поверхностного слоя, т.е. ослабление поверхностного натяжения. Статистический вклад беспорядочной области независимо от ее размера цолагается равным единице, а вклад упорядоченной области из т остатков определяется произведением SmVn (обозначения авторов), где п считается равным ш2/3. Логарифм первого множителя (S) представляет собой разницу ббъемной свободной энергии двух состояний (Ае), образующуюся в основном за счет вкладов энтальпии невалентных связей в одном из них и конформационной энтропии в другом. Логарифм второго множителя (V) определяет разность поверхностной свободной энергии (Да), которая уменьшается при коагуляции упорядоченных областей (т.е. при образовании кластеров) и отделении их от неупорядоченных областей.
В модели Канехиса и Тсонга состояние полипептидной цепи может передаваться набором многих микроскопических конфигураций, отличающихся друг от друга размером кластеров и положением их вдоль цепи. Важнейшими характеристиками состояния являются количества кластеров в последовательности (к) и остатков в кластере (т). Значения к и т ограничены лишь протяженностью цепи. Кластерная модель описывает равновесный двухфазный процесс свертывания, т.е. предполагается существование только двух термодинамических стабильных состояний белковой цепи, отвечающих двум минимумам свободной энергии. Переход между ними сводится к тому, что все микроскопические состояния должны входить в распределение одного оптимального макроскопического состояния или другого. Динамика кластерной модели трактуется как беспорядочный, стохастический процесс, характеризующийся вероятностью переходов промежуточных состояний. Свертывание белка включает стадии зарождения, роста и миграции локальных структур. Случайность процесса означает, что свертывание молекул одного белка при одинаковых исходных состояниях и внешнем окружении может происходить различными путями без соблюдения последовательности соответствующих конкретных событий, но при условии статистической идентичности путем свертывания.
М. Канехиса и Т. Тсонг показали, что динамический процесс свертыва-
ния белка делится на две стадии - медленную и быструю, очередность и продолжительность которых зависят от кооперативности внутримолекулярных взаимодействий макросистемы и от внешних условий. В одних случаях фактором, ограничивающим скорость перехода, является быстрый рост кластера критического размера. Здесь динамика свертывания подобна переходу спираль - клубок гомополипептида. В других случаях скорость процесса определяется более поздней стадией, когда происходит ассоциация образовавшихся ранее мелких кластеров в крупные. Авторы отмечают, что наиболее важная особенность кластерной модели заключается в том, что она демонстрирует возможность сосуществования локальных структур в условиях денатурации в зависимости от свободной энергии поверхностного слоя. Число локальных структур возрастает с ослаблением поверхностного натяжения. Это имеет место в экспериментах с денатурацией белка in vitro при высоких концентрациях денатуранта или низких значениях pH. В естественных, физиологических условиях свертывания белковой цепи in vivo энергия поверхностного натяжения выше и количество локальных структур меньше.
Н. Гё, рассматривая возможные пути достижения промежуточного, активированного состояния, предполагает, что этой стадии предшествует образование зародышевых, эмбриональных структур [66]. В предложенной им модели, названной эмбрионуклеационной, возникновение эмбрионов происходит за счет ближних взаимодействий, которые могут быть как согласованными, так и не согласованными с дальними взаимодействиями, актуальными для отдельных нуклеаций и белковой глобулы в целом. В первом случае будет иметь место дальнейший рост эмбриона и переход его в стабильную локальную структуру (нуклеацию), а во втором -распад, При согласовании ближних и дальних взаимодействий Гё допускает два механизма свертывания цепи [18]. По одному из них, механизму миграционного развития, эмбрион развивается путем поверхностной сорбции остатков неупорядоченной области и слияния с соседними по цепи эмбрионами. По другому, диффузионно-коллизионному, предложенному М.Карплюсом и Д. Уивером [67], эмбриональный рост происходит в результате столкновения и последующей коагуляции двух (или более) эмбрионов, принадлежащих разным, далеко отстоящим участкам последовательности. Оба механизма не противоречат друг другу и, по-видимому, отражают разные стадии процесса сборки. Первый требует меньшей потери энтропии и поэтому предпочтителен в начальной фазе структурирования. Второй сопряжен со значительным ограничением конформационной свободы и может быть выгоден после создания стабильных эмбрионов, переходящих в нуклеации. Впрочем, П. Ким и Р. Болдвин усматривают в диффузионно-коллизионном механизме еще одну возможность объединения зародышевых форм [68]. Они предполагают, что соударения эмбрионов приводят к конформационным перестройкам, благоприятным для их объединения.
