Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотренные исследования сверхупрощенных и плоских решетчатых моделей, а также чисто умозрительные описания процесса сборки белков отражают ситуацию в теоретическом конформационном анализе, сложив-
доуюся к середине 1980-х годов. Общей идейной основой всех высказанных соображений служила теория двухфазного равновесного механизма свертывания белковой цепи, предложенная Брандтсом [62], Проследим теперь за развитием работ в этой области в последнее десятилетие. Первые теоретические модели сборки белков, по-видимому, из-за их абстрактного характера, вначале не вызвали заметного резонанса. Однако начиная со второй половины 1980-х годов интерес к ним, особенно решетчатым моделям, стал расти. К. Дилл и соавт. [69-78], Дж. Сколник и соавт. [79, 80] увидели в этом подходе новые возможности в изучении общих закономерностей процесса ренатурации. Исследования начались с более детальных разработок плоской решетчатой модели Гё с двумя типами аминокислотных остатков. Простота этой модели позволила Диллу и сотрудникам проанализировать все возможные конформационные состояния белковой цепи и выявить ее типичные реакции на изменение внешних условий. Г. Шерага и соавт. [28] считают, что один из наиболее интересных результатов такого расчета состоит в утверждении, не идущим вразрез с общепринятым мнением, что образование локальных регулярных структур, т.е. а-спиралей и р-складчатых листов, является следствием плотнейшей упаковки и энергетической предпочтительности этих форм. При вариации положений аминокислотных остатков двух типов — полярных и неполярных - была обнаружена избирательность последовательности в отношении образования уникальных конформационных состояний. Показано также, что мутация может быть как нейтральной, так и влияющей на конформацию в зависимости от положения заменяемого остатка в цепи [77, 78]. Расчеты решетчатой модели Дилла связаны с анализом представительного набора всех возможных комбинаций аминокислотных остатков и поэтому могут быть выполнены только для сравнительно коротких целей (< 30 остатков). Распространение модели на более длинные последовательности сопряжено с отказом от исчерпывающего рассмотрения вариантов и обращением к процедуре Монте Карло [81, 82] и генетическим алгоритмам [83]. Развивая двумерную решетчатую модель, Дилл и соавт. [75, 76] разработали эвристический алгоритм сборки белка, основанный на гипотезе о гидрофобном кооперативном механизме свертывания полипептидной цепи, подобном действию "застежки-молнии" (зиппера). Похожая идея впервые была высказана Р. Мэтесоном и Г. Шерагой, предположившими гидрофобное происхождение нуклеационных ядер [84]. Алгоритм Дилла моделирует односторонний процесс ренатурации и предназначен не для изучения физических аспектов этого явления, а для поиска глобальной конформации в сугубо специфическом ее решетчатом воплощении.
В потоке работ по упрощенному абстрактному моделированию самоорганизации пространственного строения белковых молекул выделяются исследования Е. Шахновича, М. Карплюса и соавт. [85] и П. Леопольда и соавт. [86], расширивших решетчатую модель с плоской до объемной и увеличивших длину рассчитываемой последовательности, оставив неизменным ее предельно простой алфавит из двух букв (типов остатков). Исследовав кинетику процесса свертывания такой цепи в кубическом конформационном пространстве (критерием служило время появления
глобальной конформации при использовании процедуры Монте Карло) авторы работы [85] пришли к выводу о том, что в белковой последовательности помимо геометрии термодинамически самой предпочтительной структуры закодирован и кратчайший путь ее образования. П. Леопольд и Е. Шахнович [87] сформулировали кинетическую гипотезу свертывания белка как альтернативную традиционной термодинамической гипотезе. Против такой точки зрения и, конкретно, против заключения, сделанного в работе [85], выступили Сколник и соавт. [56], посчитав их недостаточно обоснованными. Грубость модели, случайность и неполнота рассчитанных вариантов, а также полученные результаты не позволяют делать обобщенные выводы принципиального порядка. Позднее М. Карплюс и соавт. [88] воспроизвели на кубической решетчатой модели свертывание последовательности из 27 остатков двух типов, рассмотрев полный набор возможных конформационных состояний и идентифицировав в нем состояние, глобальное по энергии. Затем, начиная с флуктуирующего клубка процесс сборки был неоднократно повторен, но при использовании прежней процедуры Монте Карло [85]. Были выяснены частота и скорость появления глобальной ("нативной") конформации при выборочном случайном поиске. Авторы [88] отметили легкость, с которой данная последовательность приходит к этой форме и большой отрыв ее энергии от энергии следующей за ней формы.
Е. Шахнович и А.Гутин предприняли попытку на трехмерной решетке белка из 27 остатков двух типов оценить влияние гетерогенности белковой последовательности на образование уникальной "нативной" конформации [89, 90]. Они также пытались выяснить, варьируя последовательность, условия возникновения компактной глобулярной формы [91, 92]. Авторы отметили определенное сходство модельной системы с реальными белками и сделали вывод, что данная белковая решетка может послужить исходной для последующей детальной разработки. Позже, однако, исследуя свертывание условной цепи из 80 звеньев, Шахнович заключил, что последовательность из 27 звеньев двух типов недостаточно специфична для моделирования реального процесса белкового свертывания в уникальную нативную конформацию [93]. В этой работе автор шел в обратном направлении - от заранее выбранной целевой структуры к конструированию последовательности, следуя ранее развитой процедуре. В конечном счете, он пришел к выводу, что природная белковая цепь оптимальна как в термодинамическом, так и кинетическом отношении.
