Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Этот тезис, как и положение о том, что трехмерная белковая структура обладает минимальной внутренней энергией, не является, однако, достаточной основой для разработки расчетного метода физической теории, позволяющего по известной аминокислотной последовательности однозначно идентифицировать среди множества возможных конформационных вариантов единственную физиологически активную конформацию белка. Кроме того, нереально определение геометрических параметров этой конформации путем минимизации энергии всех внутримолекулярных невалентных взаимодействий по всем степеням свободы. Дости-
ясение цели мыслимо лишь при разделении конформационной проблемы белка на ряд связанных между собой менее громоздких проблем и их последовательного рассмотрения. Создание конформационной теории требует разработки поэтапного механизма структурной самоорганизации белка, раскрытия его физической сущности и на такой основе теоретического моделирования процесса сборки. Это главный, ключевой вопрос всей проблемы.
Перебор всех возможных состояний полимерной белковой цепи и нахождение среди них глобальной конформации, вообще говоря, невозможны не только для человека с его вычислительной техникой сегодняшнего дня и сколь угодно отдаленного будущего, но и для самой природы. Во всяком случае, природа избрала для этого совершенно иной механизм сборки белка, которому, возможно, отвечает бифуркационный процесс, постулируемый термодинамической теорией, рассмотренной в предыдущем разделе. Согласно теории свертывание белковой аминокислотной последовательности обладает двойственным характером. С одной стороны, весь процесс, начиная с состояния флуктуирующего статистического клубка и до конечной трехмерной структуры, осуществляется исключительно по беспорядочно-поисковому механизму. Иначе он не мог бы быть самопроизвольным. С другой стороны, структурная организация белка является детерминированным процессом, протекающим по определенному пути со строго последовательным рядом стадий. В противном случае сборка белковой цепи не совершалась бы столь быстро и безошибочно.
Совместить диаметрально противоположные статистические и детерминистические особенности процесса, выявить их взаимообусловленность и показать неизбежность спонтанного возникновения высокоупорядоченной структуры из флуктуирующего клубка оказалось возможным лишь с помощью нелинейной неравновесной термодинамики. В предложенной на этой основе теории сборки белка постулируется динамическая гетерогенность белковой цепи, которая заключается в альтернировании вдоль развернутой аминокислотной последовательности потенциально конформационно жестких и лабильных участков. Первые могут образовывать относительно стабильные пространственные формы за счет невалентных взаимодействий входящих в них остатков, а вторые - представительные наборы близких по энергии и, следовательно, равновероятных форм. При такой конформационной дифференциации белковой цепи начальный этап ее структурирования предстает в виде возникающих одновременно и идущих параллельно и практически независимо друг от друга процессов свертывания локальных участков. Если протяженность чередующихся конформационно жестких и лабильных фрагментов сравнительно невелика, то при чисто случайно-поисковом механизме становится гарантированным появление в течение короткого времени необратимых бифуркационных флуктуаций, являющихся причиной реализации потенции определенных участков белковой цепи к автономному структурированию.
Первые бифуркационные флуктуации, необратимо стабилизирующие пространственные формы некоторых участков белковой цепи, - это определяемые аминокислотной последовательностью сочетания конформа-
ционных состояний входящих в такие участки остатков. Они возникают спонтанно как неизбежный результат случайного и беспорядочного перебора всех возможных конформационных изменений. Можно полагать, что необратимость бифуркационных флуктуаций обусловлена согласованностью невалентных внутриостаточных и межостаточных взаимодействий атомов в пределах каждого жесткого фрагмента. Промежуточные, конформационно более лабильные участки белковой цепи также претерпевают в этот период сборки серьезные изменения. Из огромного массива состояний (> 10", п - число остатков в фрагменте) путем все того же беспорядочно-поискового механизма за время t ~ 10"'14 с создается несравненно более ограниченный набор флуктуирующих форм. Таким образом, начальный этап структурной организации полностью денатурированного белка фактически представляется независимым свертыванием отдельных олигопептидных молекул. В результате одни участки белковой цепи за счет согласованных невалентных взаимодействий составляющих их остатков обретают устойчивые пространственные структуры; другие же, промежуточные участки цепи, конформационные возможности которых не в полной мере ограничиваются взаимодействиями близко расположенных в цепи остатков, приобретают состояния, отвечающие совокупностям изо-энергетических структур.
На следующем этапе сборки проявляется взаимообусловленность конформационных состояний двух или большего числа жестких фрагментов и разделяющих их лабильных участков цепи. Рост длины цепи взаимодействующих остатков, однако, не сказывается существенным образом на продолжительности случайного поиска бифуркационных флуктуаций. Одновременно с увеличением размера автономно свертывающегося пептидного участка, включающего жесткие и лабильные фрагменты, резко сокращается число конформационных степеней свободы за счет их фиксации у первых и уменьшения конформационных возможностей вторых. Новая необратимая флуктуация возникает здесь на фоне более суженного базиса беспорядочных тепловых движений. Момент появления такой флуктуации случаен, но не случайны как сам факт ее появления, так и соответствующее ей стабильное конформационное состояние, определяемое лишь аминокислотной последовательностью данного участка белковой цепи. Энергетическая предпочтительность образовавшейся пространственной структуры обусловлена согласованностью невалентных взаимодействий не только между соседними остатками, что определило возникновение первой бифуркации, но и между далеко расположенными в цепи остатками.
