Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
2. Каким образом совершенно беспорядочные случайные конформа-ционные флуктуации белковой цепи (вращение вокруг ординарных связей) спонтанно и безошибочно приводят к созданию всегда одной и той же у данной последовательности определенной трехмерной структуры белка?
3. Почему столь мала продолжительность сборки нативной конформации белка, осуществляемой по беспорядочно-поисковому механизму, казалось бы неизбежно связанному с перебором практически бесконечного массива конформационных флуктуаций?
Начиная с исследований М. Ансона и А. Мирского 1930-х годов и по сегодняшний день, т.е. в течение более 60 лет, предпринималось множество попыток ответить на поставленные вопросы. Для оценки полученных результатов приведу совсем недавние высказывания ряда известных специалистов. Так, Е. Лэттман и Г. Раузе в работе 1993 г. следующим образом характеризуют состояние проблемы свертывания белка: "Несмотря на интенсивные исследования, обобщенное физическое понимание процесса свертывания остается туманным, а сама проблема свертывания белка, т.е. понимание того, как аминокислотная последовательность определяет трехмерную структуру, еще ждет своего решения... Эта проблема предстает как один из наиболее значимых научных вызовов XX века" [9. С. 439]. Аналогичные мнения имеют такие авторитеты в этой области, как Т. Крейтон и А. Фершт. Первый полагает, что наука по существу еще не приблизилась к решению проблемы свертывания белка [10], а второй, отмечая сложность проблемы и называя ее даже "устрашающей задачей" ("daunting task"), в 1993 г. писал: "Выявление принципов, управляющих свертыванием, предполагает громадную нерешенную проблему, поскольку еще невозможно рассчитать de novo путь свертывания белка или даже выяснить, является ли известная структура стабильной" [11, С. 5].
Отсутствие серьезного прогресса вплоть до начала 1980-х годов можно было объяснить неразработанностью теоретических основ изучения процессов структурообразования, протекающих в открытых системах вдали от положения равновесия; речь идет о целой области естественнонаучных знаний - нелинейной неравновесной термодинамики или физики статистико-детерминистических процессов. Немалую роль, по-видимому, играл и психологический барьер, возникающий всякий раз при встрече с уникальным, не имеющим аналогий и, следовательно, требующим нетрадиционного подхода, явлением, каким, безусловно, является спонтанное возникновение трехмерной структуры белка. Подход, до последнего времени используемый в изучении механизма свертывания, имеет следующие характерные черты принципиального порядка.
1. В разработанных моделях процесс структурной самоорганизации белков принимается термодинамически обратимым двухфазным переходом первого рода. Его описание основывается на равновесной термодинамике (статистической физике) и формальной кинетике, конкретно, на термодинамической теории двух состояний Дж. Брандтса [12, 13]. Свертывание белковой цепи представляется (что неизбежно при чисто статистической трактовке) равновесным процессом последовательного увеличения содержания микросостояний трехмерной нативной структуры белка при одновременном точно таком же уменьшении содержания микросостояний альтернативной исходной структуры - флуктуирующего клубка. Полагают, что все промежуточные макросостояния наделены только чертами начального и конечного равновесных состояний, непосредственно и быстро переходящих друг в друга в соответствии с направленностью процесса и при отсутствии заметных количеств промежуточных метастабильных продуктов. Однако, поскольку рассмотрение всех явлений спонтанного зарождения порядка из беспорядка находится вне компетенции равновесной термодинамики и статистической физики, то любая трактовка на этой основе свертывания белковой цепи в принципе не может вскрыть побудительных мотивов возникновения и развития процесса самоорганизации высокоупорядоченной структуры из хаотического состояния, его направленности, высокой скорости и обратимости. Такое описание противоречит также многим известным опытным фактам, касающимся строения промежуточных продуктов самосборки белка и кинетики реальных процессов ренатурации.
2. Во всех предложенных равновесных термодинамических моделях важнейшей характеристикой упорядоченного состояния белка считается глобулярность его нативной конформации с внутренним гидрофобным ядром и внешней гидрофильной оболочкой. Такое укоренившееся представление имеет, как уже отмечалось, мало общего с действительными трехмерными структурами белков в отношении как пространственной формы, так и характера распределения в глобуле аминокислотных остатков, в значительной мере искусственно подразделяемых на полярные и неполярные. Чтобы избежать рассмотрения неподдающихся учету при данном подходе гетерогенности белковой цепи и неравномерности упаковки аминокислотных остатков в нативной конформации, глобула предполагается структурно гомогенной, что не отвечает реальной ситуации.
3. Предложенные модельные описания механизма свертывания белка неполны, непоследовательны и противоречивы. Они, по существу, не отвечают ни на один из принципиальных вопросов, возникающих при изучении уникального в природе молекулярного явления самопроизвольного зарождения и развития порядка из хаоса. Для приближения конечных результатов теоретического рассмотрения процессов сборки к наблюдаемым экспериментальным данным в расчеты привносятся (без объяснения причин и механизма возникновения) никак не следующие из статистической физики и равновесной термодинамики представления об эмбрионах, ядрах и нуклеациях или вводятся известные из опыта структурные элементы нативных конформаций белков, как правило, СХ-спирали и р-складчатые листы.
