Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Первая задача заключается в изучении структурной организации и создании теории, устанавливающей логическую и количественную взаимосвязь между аминокислотной последовательностью и пространственной структурой белка, предсказывающей его конформационные и электронные свойства. Цель следующей задачи состоит в изучении физико-химических свойств белка и, основываясь на знании не только геометрии, но и структурной организации белковой молекулы, выявлении принципов ее функционирования, иными словами, разработке теории структурно-функциональной организации белка. Третья задача направлена на создание общей теории рассматриваемой функции (здесь биокатали-тической), учитывающей решения предшествующих задач, особенности ферментативного катализа, физико-химические основы этого явления и возможности современного естествознания.
Работа по установлению структурной организации белка проводится обычно с помощью двух эмпирических подходов, дополняющих друг друга и имеющих единую цель. В рамках одного из них задачу стремятся решить, пытясь предсказать нативную конформацию белка по известной аминокислотной последовательности, в рамках другого - воспроизвести механизм формирования этой конформации по ходу рибосомного синтеза в условиях in vivo или исходя из состояния флуктуирующего статистического клубка в условиях in vitro. Практически во всех исследованиях, отвечающих первому подходу, предпринимались (и продолжают предприниматься) попытки найти достаточно простые эмпирические корреляции между природой и последовательностью аминокислот, с одной стороны, и конформационными состояниями остатков в известных кристаллических структурах белков, с другой. В подавляющем большинстве работ эмпирические правила были выведены путем статистического анализа белков, изученных рентгеноструктурно. В ряде исследований привлечены термодинамические функции перехода спираль-клубок синтетических полипептидов, использованы атомные модели, стереохимические правила и экспериментальные данные физико-химических методов; есть исследования, в которых эмпирический подход сочетался с расчетом сверхупрощенных моделей пептидной цепи.
Исследования механизма свертывания, отвечающие второму подходу к установлению структурной организации белка, базируются на многочисленных физических, химических и биологических методах исследования, которые дают прямую или косвенную информацию о геометрических, термодинамических и кинетических аспектах процессов денатурации и ренатурации, механизме клеточного синтеза аминокислотной последовательности и взаимодействия белковых цепей с шаперона-ми. В исследованиях этого плана, как и предшествующего, надежда возлагается на то, что в результате анализа экспериментальных данных в конечном счете удастся разработать эмпирические правила, позволяющие предсказывать по известному химическому строению белка основные этапы свертывания, в первом случае, и нативную пространственную структуру, во втором. Далее, предполагается, если эти цели будут достигнуты, то станет ясно не только как возникает физиологически активная конформация, но и почему она возникает, т.е. бу-
дут поняты принципы структурной организации белковой молекулы.
Алгоритм предсказания трехмерных структур белка. Обзор основных работ, направленных на поиск эмпирических зависимостей между аминокислотными последовательностями и трехмерными структурами белков, был дан в предшествующем томе [2. Ч. II] и будет продолжен в гл. 17 этого тома. Анализ имеющегося материала привел к следующим выводам, относящимся ко всему циклу исследований этого направления.
1. В основе всех поисков предсказательных алгоритмов лежит конфор-мационная концепция Полинга, согласно которой трехмерная структура белка представляет собой ансамбль регулярных вторичных структур. Позднее, развивая идею Полинга и Кори о взаимодействии вторичных структур, в конформационный ансамбль были включены супервторичные структуры. Единство всех исследований по отношению к этой концепции неизбежно, поскольку в противном случае очевидна бесперспективность поиска эмпирических корреляций и предсказательных алгоритмов, базирующихся на статистической обработке известных кристаллографических данных. Если основу пространственного строения сложных белковых макромолекул образуют не только отдельные немногочисленные стандартные блоки, но и практически неограниченное количество разнообразных нерегулярных структурных сегментов, то, очевидно, нельзя рассчитывать на его описание с помощью простых правил, выведенных путем статистической обработки всегда ограниченного экспериментального материала. Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что общее содержание вторичных форм полипептидной цепи в белках сравнительно невелико, во всяком случае его доверительное значение не превышает 50%. Реализующиеся в нативных конформациях белковых молекул а-спирали и p-структуры в действительности не являются, более того, у гетерогенных аминокислотных последовательностей никогда не могут являться, строго регулярными (отклонения соответствующих двугранных углов (ф, у) от их значений в гомогенной цепи составляют, как правило, десятки градусов, а иногда достигают 100-120°). Анализ также показал, что все стандартные аминокислотные остатки (за исключением Pro) имеют практически одинаковые возможности для встраивания в ос-спираль, p-структуру и неупорядоченные участки. Выбор определяется не индивидуальными свойствами остатков, а их комбинацией в последовательности.
