Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
белков позволяет принципиально иным образом поставить проблему струк-турно-функциональной организации этих соединений, что приведет к получению ранее недоступной информации о механизмах процессов жизнедеятельности и сделает реальным становление теоретической молекулярной биологии, не уступающей по строгости своих подходов и предсказательным возможностям теоретической молекулярной физике. Однако я далек от мысли, что теоретическая разработка проблемы структурной организации белков уже завершена и предложенный метод расчета нативных конформаций белковых молекул не нуждается в совершенствовании. Представленные в книге разработки рассматриваются мною как введение, предваряющее и подготавливающее создание экспрессных методов анализа конформационных возможностей пептидов и белков.
Высоко оценивая значимость кристаллографических и иных опытных данных о белках, следует тем не менее иметь в виду их принципиальную недостаточность в решении ряда общих и многих конкретных вопросов структурной и структурно-функциональной организации. Поэтому теоретический конформационный анализ неизбежно должен стать неотъемлемой составной частью всех исследований морфологических и биологических свойств белковых молекул. Для этого необходимо, чтобы расчетный метод был бы менее трудоемким и более быстрым, чем изложенный в книге метод априорного расчета. Надежность существующего метода подтверждается хорошим совпадением результатов расчета с опытными данными. Точность рассчитанных априорно координат атомов нейротоксина II и панкреатического трипсинового ингибитора не уступает точности рентгеноструктурного анализа белков с разрешением -2,0 А. О его скоростных качествах можно судить по следующему примеру. Так, полный расчет трехмерной структуры белка, имеющего -100 аминокислотных остатков, проводится двумя-тремя сотрудниками, владеющими методом, с помощью двух современных персональных компьютеров за -4 месяца.
В настоящее время, когда эта цель достигнута, наступил период реализации приобретенного научного потенциала в изучении структурнофункциональной организации белков и в прикладных исследованиях. Сфера последних — почти все разделы молекулярной биологии и молекулярной генетики, а также фармакология, эндокринология и многие другие области научной медицины. Поэтому требуется разработка нового метода, который не уступал бы точности и надежности первого, но обладал бы большей эффективностью и автоматизмом.
Высказанные ниже соображения о направлении поиска подсказаны результатами проведенных исследований и опытом, приобретенным при расчете первых белков и многочисленных пептидов. Можно считать доказанным, что важнейшая особенность природных аминокислотных последовательностей, ответственная за спонтанное возникновение высокоорганизованной пространственной структуры из хаоса, заключена в химической гетерогенности полипептидной цепи. Гетерогенность аминокислотной последовательности, прошедшей через эволюционный отбор, порождает ее конформационную неоднородность и появление бифуркационных флуктуаций, структурирующих молекулу белка. Можно также считать бесспорным, что конформационная неоднородность природной аминокислот-
ной последовательности проявляется в чередовании жестких и лабильных олигопептидных участков. Геометрия первых практически полностью определяется взаимодействиями входящих в них остатков; вторые же обретают свою окончательную форму на завершающем этапе сборки под влиянием дальних взаимодействий, т.е. взаимодействий с остатками других участков. Чередование конформационно жестких и лабильных фрагментов превращает процесс свертывания белковой полимерной цепи в ряд параллельно идущих процессов самоорганизации жестких структур олигопептидных участков, которые сначала практически не контактируют друГ с другом. Затем происходит их взаимодействие между собой и с конформационно лабильными участками, что приводит в конечном счете к детерминации всей пространственной структуры белка. Основная идея нового метода заключается в приближении расчетной схемы к естественному механизму структурной самоорганизации белковой цепи. Конкретно это означает, что расчет трехмерной структуры белка должен начинаться с анализа конформационных возможностей всех свободных жестких и лабильных фрагментов. Сложность заключается в том, что для этого необходима предварительная идентификация тех и других по одной аминокислотной последовательности, т.е. выявление конформационной гетерогенности белковой цепи не в процессе расчета, как в существующем методе, а до детального анализа. Появление такой возможности сократило бы в десятки раз объем вычислительных работ, упростило бы саму процедуру счета и сделало бы метод конформационного анализа пептидов и белков доступным широкому кругу молекулярных биологов для решения множества прикладных задач.
Достичь этой цели, т.е. предсказания по аминокислотной последовательности конформационно-жестких и лабильных участков, можно тремя способами. Один из них универсален, а два других, хотя и имеют частный характер, представляют самостоятельный интерес и могут дополнять и контролировать друг друга. Первый способ требует распределения пространственного строения пептидных участков фиксированной длины по определенным таксономическим группам - шейпам, обобщенным структурным элементам цепи, отражающим потенцию соседних остатков к средним взаимодействиям. По ряду причин оптимальными являются пен-тапептидные участки. Их структурная селекция по шейпам может быть осуществлена с помощью "скользящей рамки" с шагом в один остаток для всех белков, нативные конформации которых известны. Максимально возможное число шейпов у фрагмента из п остатков равно 2"-1; при п = 5 оно составляет 16. Можно надеяться, что систематика белковых пента-пептидных участков, количество которых превышает 100 тыс., по 16 группам и последующий анализ каждой группы приведут к установлению корреляций между составом и порядком аминокислот в пентапептидах, с одной стороны, и шейпам основной цепи, с другой. Такие корреляции, очевидно, не будут однозначными, и для большинства пентапептидов приемлемыми окажутся три-четыре, а то и большее число шейпов. Специальные расчеты, однако, показали, что и в этом случае конформационно-жесткие участки смогут обнаружиться по тенденции к снятию энергетического вырождения шейпов фрагментов, перекрывающихся по 1^4 остат-
