Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Главный вывод, который можно сделать как из общих соображений,так и анализа теоретических разработок, заключается в принципиальной несовместимости спонтанного, быстрого и безошибочного свертывания беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в строго детерминированную трехмерную структуру, с одной стороны, и используемого для изучения этого явления аппарата классической равновесной термодинамики и формальной кинетики, с другой. Ни в одной работе по моделированию процесса структурной самоорганизации белка не обращено внимание на "противоестественность", с точки зрения этого аппарата, самого феномена спонтанного возникновения высокоупорядоченной структуры из беспорядка.
Исследования денатурации (ренатурации) белков, проведенные в последние годы, не внесли качественных изменений в понимание самопроизвольного процесса свертывания белковой цепи и состояния структурной организации белковой молекулы. Поставленные выше вопросы так и остались без ответов, о чем говорят недавно опубликованные обзоры [9—11, 14, 15]. Развитие этой области в конце 1980 - начале 1990-х годов в теоретическом отношении свелось к некоторому обновлению научного словаря и появлению ряда гипотетических схем, мало что добавивших к уже существовавшим моделям. Особенно оживленно обсуждаются в литературе модель гидрофобного схлопывания (hydrophobic collapse) и каркасная модель (frameworkmodel).
Гидрофобная модель основывается на предположении, что по ходу свертывания белковой цепи в центре флуктуирующего клубка возрастает концентрация гидрофобных остатков [16-18]. В рамках этих представлений наиболее популярной трактовкой механизма самоорганизации белка является в настоящее время гипотеза так называемой расплавленной глобулы (molten globule) [19-21]. Ее основные положения сводятся к следующим:
а) самоорганизация белковых молекул проходит во времени через несколько стадий, так что на каждой последующей стадии формируется все более сложная и все менее флуктуирующая структура; б) флуктуирующие зародыши той или иной структуры, сформированные на каждой стадии, направляют формирование более сложной и более стабильной структуры на следующей стадии; в) результаты, полученные на каждой стадии, не переделываются, а лишь закрепляются на последующих стадиях. Выделяют, как правило, три стадии самоорганизации. На первой стадии в развернутой белковой цепи образуются за счет гидрофобных взаимодействий флуктуирующие зародыши вторичной структуры. Когда число их достигает критического значения, происходит переориентация боковых цепей, резкое снижение энергии невалентных взаимодействий и быстрый переход (схлопывание) белковой цепи в новое, более компактное конформационное состояние - расплавленную глобулу (вторая стадия сборки), которая по своим размерам и форме близка нативной структуре и отличается от нее главным образом лишь неспецифическими взаимодействиями аминокислотных остатков с окружающей средой. И, наконец, на третьей стадии формируется уникальная конечная конформация белковой молекулы путем подстройки промежуточной компактной структуры.
Определение ее как расплавленной глобулы, совпадающей с нативным состоянием по вторичной структуре и топологии укладки основной цепи, но отличающейся от него отсутствием плотной упаковки боковых групп, представляется неудачным и по своей форме, и по содержанию. Первое становится очевидным, если поставить вопрос, имеющий отношение не только к самому термину, но и ко всей гипотезе: можно ли вообразить свертывание белковой цепи вне процесса, вне прохождения через ряд промежуточных состояний, и может ли одно из них не быть близко к нативному состоянию? Очевидно, это очень трудно, так же трудно, как, например, представить отсутствие сходства между близким к завершению строящимся зданием и его окончательной архитектурой. Определение расплавленной глобулы неправильно также по существу, поскольку ее вторичные структуры и форма основной цепи молекулы не могут сколько-нибудь близко подойти к нативной структуре без предварительного установления строго детерминированных контактов между подавляющим большинством внутренних боковых цепей, ибо именно этот вид взаимодействий обусловливает структурные особенности каждой природной аминокислотной последовательности.
Имеется еще одно возражение против гипотезы о расплавленной глобуле, использующейся вместе с аппаратом равновесной термодинамики и формальной кинетики для объяснения экспериментальных фактов. Конкретной теоретической основой интерпретации данных о денатурации служит термодинамическая теория двух состояний Брандтса [12, 13]. Как уже отмечалось, белковая молекула в растворе, согласно этой теории, может быть представлена большим количеством микросостояний. Все они входят в состав либо распределения N (нативное макросостояние белка), либо D (денатурированное макросостояние). Теория Брандтса сделала возможным относительно простой термодинамический анализ конформа-ционного перехода N —> D в предположении, что реализующиеся микросостояния не являются чем-то вновь созданным, а присутствуют в распределении N и D. Это означает, что в теории постулируется отнюдь не очевидное положение об отсутствии новых промежуточных конформационных состояний в области перехода N —> D. Следовательно, главный критерий справедливости теории двух состояний Брандтса состоит в требовании отсутствия максимумов, минимумов и потенциальных ям в наблюдаемых изменениях энтальпии и энтропии при переходе от D к N (и наоборот). Иными словами, если образование трехмерной структуры белка происходит, как того требует теория двух состояний, путем постоянного усложнения и приближения к нативному состоянию, то изменения энтальпии, энтропии и свободной энергии по ходу ренатурации должны быть монотонными. Отсутствие экстремумов означает отсутствие между нативной структурой и статистическим клубком метастабильных промежуточных состояний. Механизм сборки белка проходит в этом случае в одну стадию. А теперь обратимся вновь к обсуждаемой гипотезе о расплавленной глобуле в которой постулируется образование на пути к нативной структуре близкое к ней промежуточное состояние. При существовании достаточно устойчивых обнаруживаемых экспериментально интермедиатов зависимости изменений энтальпии, энтропии и свободной
