Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
К началу 1970-х годов феноменологическая стадия исследования функционирования мышц была в основном завершена; стали известны общая схема процесса, его основные участники и источник энергии [442—445]. Дальнейшее изучение заключалось в поиске ответов на вопросы о том, каков молекулярный механизм сокращения мышц, как на молекулярном уровне совершается трансформация химической энергии гидролиза АТР в механическую работу и каким образом нервный импульс приводит в движение мышечные волокна. Содержание процесса, спонтанно протекающего в клетке или организме и, следовательно, сопровождаемого понижением свободной энергии, есть не что иное, как реализация потенциальных возможностей участвующих в нем молекул. Поэтому, какой бы ни был выбран подход к решению вопросов, связанных с механизмом работы биосистемы, он непременно должен включать изучение структурной и структурно-функциональной организации взаимодействующих молекул; в случае молекулярного механизма сокращения мышц - организации прежде всего молекул актина и миозина, главных белковых компонентов миофибриллы, а также актино-миозиновых макромолекулярных комплексов. Изучение начинается с
121
экспериментальных структурных исследований методами электронной микроскопии, особенно криоэлектронной микроскопии, которая при благоприятных условиях может привести к разрешению на атомном уровне, рентгеновской дифракции ориентированных волокон и рентгеновской кристаллографии [446, 447]. В последнее время (1990-е годы) постепенно входит в практику комбинированный.подход, использующий результаты как электронной микроскопии, так и рентгеноструктурного анализа для построения согласующихся с данными двух методов атомных моделей трехмерных структур белковых молекул [448]. Подход уже нашел применение в исследованиях мышечных белков и сферических вирусов [449-451].
Для понимания молекулярного процесса знание трехмерных структур вступающих во взаимодействие белков, безусловно, является необходимым условием. Однако изучение процесса можно считать завершенным только в том случае, если он получает полностью априорную трактовку, опирающуюся исключительно на информацию о свойствах молекул в исходном (нативном) состоянии, т.е. трактовку, получаемую при использовании подхода "от структуры к функции". Конкретно это означает возможность строго количественного описания взаимодействий соответствующих белковых структур в виде самопроизвольно протекающего, взаимообусловленного на всех своих стадиях непрерывного процесса. Если попытаться кратко охарактеризовать сегодняшнее состояние исследований механизма мышечных сокращений, то, по-видимому, можно сказать, что они достигли уровня, необходимого для понимания общей схемы процесса, но еще далеки от уровня, достаточного для доказательного объяснения многих его деталей и побудительных мотивов.
Структура актиновых нитей. В состав тонких филаментов входят белки: актин, составляющий, как уже отмечалось, основу нитей, тро-помиозин и тропонин. Стандартная процедура выделения актина заключается в экстракции высушенной и измельченной мышечной ткани разбавленным солевым раствором. Такая обработка расщепляет актино-вые филаменты на глобулярные субъединицы, каждая из которых образована одной полипептидной цепью с молек. массой 41,8 кДа; это глобулярный актин или G-актин. С каждой молекулой G-актина связан один ион Са2+, стабилизирующий ее глобулярную конформацию. Кроме того, с G-актином невалентно ассоциирована одна молекула АТР. При невалентной полимеризации глобулярного актина концевой фосфат АТР отщепляется и образуется фибриллярный актин или F-актин. Полимеризацию можно вызвать повышением концентрации соли до уровня, близкого к физиологическому. Процесс не требует затраты энергии, хотя и сопровождается гидролизом АТР, который значительно повышает скорость полимеризации и оказывает влияние на его динамику. По данным электронной микроскопии актиновые филаменты состоят из двух цепей глобулярных молекул, длина которых равна ~ 65 А, а толщина в самой широкой части ~ 40 А. Цепи F-актина образуют двойную спираль, имеющую 13 молекул в шести витках, повторяющихся каждые 360 А [452].
122
После многолетних попыток удалось закристаллизовать молекулы G-актина, причем только вместе с молекулами ДНКазы I в соотношении 1:1. Поэтому трехмерная структура мономерного актина на атомном уровне стала известна из данных рентгеновской кристаллографии комплекса G-актин-ДНКаза I [453]. Одновременно была полечена диаграмма рентгеновского рассеяния F-актинового волокна с разрешением 6 А и найдена ориентация G-актинового мономера в двойной спирали полимера путем сравнения рассчитанных картин рентгеновской дифракции с наблюдаемой [452]. Оставшиеся неустра-ненными различия отражают тот факт, что полимеризация актина сопровождается незначительными конформационными изменениями. Но лишь отчасти, поскольку использование уточненной структурной модели G-актина в построении модели F-актиновой нити привело недавно к лучшему совпадению результатов расчета с экспериментальными данными [454]. Дальнейшее уточнение модели затруднено отсутствием для F-актина диаграммы рентгеновской дифракции более высокого, чем 6 А, разрешения. Выход может быть найден при обращении к теоретическому подходу и использованию методов конформационного анализа и молекулярной динамики [455,456]. Атомная модель F-актина, построенная путем согласования данных рентгеноструктурного анализа кристаллов G-актина и тонких филаментов F-актина, совпала с атомной моделью, реконструированной по снимкам криоэлектронной микроскопии актиновой нити [457,458].
