Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Эволюционно отобранные полимерные аминокислотные последовательности, как отмечалось, наделены исключительной, только им присущей, способностью принимать в водной среде при определенных внешних условиях достаточно строго детерминированные трехмерные структуры.
Уникальные для каждой последовательности, они обладают специфическими динамическими конформационными свойствами, необходимыми для осуществления соответствующих функций. В этом отношении белки принципиально отличаются от синтетических полимеров, в том числе родственных по химическому типу гомополипептидов и гетерополипеп-тидов со случайным порядком аминокислот в цепи. В растворе они существуют в виде множества близких по энергии и непрерывно флуктуирующих конформационных состояний, а в твердом виде представляют собой аморфную смесь разных пространственных форм, среди которых могут быть и одномерные регулярные формы. Поэтому здесь не возникает самой проблемы поиска геометрии и конформационных возможностей молекулярных трехмерных структур.
Пространственное строение и другие свойства синтетических полимеров в растворе отвечают состоянию статистического клубка и описываются усредненными параметрами. Молекулярная поворотно-изомерная теория синтетических полимеров, являющаяся составной частью статистической физики, была разработана в 1950-е годы М.В. Волькенштей-ном [47] и позднее развита Т.М. Бирштейном и О.Б. Птицыным [48] и П. Флори [49]. Основы теории фазовых переходов полимеров были заложены в 1968 г. И.М. Лифшицем [50]. Хотя белки являются полимерами и их пространственное строение также определяется поворотной изомерией, тем не менее механизм структурной организации и особенности нативных конформаций белковых молекул не могут быть рассмотрены в рамках отмеченных теорий, базирующихся на равновесной термодинамике и конфигурационной статистике полимерных цепей.
Рассматриваемая здесь задача является качественно иной, имеющей смысл только для избранных, главным образом, природных аминокислотных последовательностей. Поэтому ее решение может быть выполнено лишь на основе самостоятельной теории, учитывающей выработанную эволюцией конформационную специфику белков, а именно статистикодетерминистический механизм структурной самоорганизации и детерминистическую (в отношении как статических, так и динамических свойств) природу нативных конформаций белковых молекул. Стремление описать сборку белка с чисто статистических позиций, не учитывающих гетерогенности цепи и взаимообусловленности поведения макроскопической системы от внутреннего строения микроскопических составляющих, объясняется иллюзорным представлением о том, что в этом случае можно идти по уже проторенному для синтетических полимеров пути и тем самым избежать разработки несравненно более сложного статистико-детерминистического подхода. Однако традиционный поиск решения не отвечает самой сущности рассматриваемого явления, и, следовательно, все попытки дать чисто статистическую трактовку структурной самоорганизации белка следует признать, как отмечалось, обреченными на неудачу (см. разд. 1.3).
Основные положения физической теории. Ни одному из известных опытных фактов не противоречит сформулированное Р. Ламри и Г. Эй-рингом в 1954 г. положение о том, что нативная конформация белковой Молекулы отвечает термодинамически равновесному состоянию [51]. Это с°стояние обладает минимальной свободной энергией Гиббса, т.е. являет-
ся глобальным, не зависящим от предыстории. Оно определяется при соответствующих внешних условиях только составом и порядком расположения аминокислот в полипептидной цепи. Положение Ламри и Эйринга согласуется с бифуркационной теорией свертывания белковой цепи, более того, является неизбежным следствием данной теории. Поэтому включим его в физическую конформационную теорию белка в качестве ее первого основного принципа, внеся одно уточнение, имеющее важное методологическое значение. Поскольку процесс структурной самоорганизации белка сопровождается диспропорционированием энтропии (уменьшением энтропии у свертывающейся аминокислотной последовательности и увеличением у окружающей водной среды), для соблюдения второго начала термодинамики высокоупорядоченная трехмерная структура должна быть, согласно изотермо-изобарическому потенциалу Гиббса, самой предпочтительной не только по свободной энергии, но и по энтальпии и, тем более, по внутренней конформационной энергии - потенциальной энергии взаимодействий валентно-несвязанных атомов белковой молекулы. Таким образом, предполагается, что нативная конформация белка в физиологических условиях является глобальной в отношении внутренней энергии.
Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что трехмерные структуры белков характеризуются плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициенты упаковки белковых молекул в нативном состоянии имеют значения от 68 до 82%. Для сравнения напомним, что у правильных сферических тел этот коэффициент равен 74%, а у молекул воды и циклогексана - 58 и 44% соответственно. По плотности упаковки атомов белковые молекулы близки кристаллам малых органических молекул (70-78%). Нативные структуры белков имеют также незначительные коэффициенты сжимаемости, близкие, например, коэффициентам сжимаемости олова и каменной соли. Высокая компактность глобулярных белков подтверждается большой плотностью, малой вязкостью и малыми молекулярными объемами нативных белков в растворе. Так, наблюдаемые у них величины плотности (1,3-1,5 г/см3) выше, чем у сухих белков и близки величинам плотности кристаллов низкомолекулярных органических соединений. Это свойство пространственных структур белковых молекул безупречно с физической точки зрения и очень образно передает определение их как "апериодические кристаллы" - термин, использованный Э. Шре-дингером для характеристики состояния хромосом [52]. Таким образом, есть все основания заключить, что нативная конформация белка представляет собой плотно упакованную структуру с максимальным числом внутримолекулярных контактов между валентно-несвязанными атомами.
