ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Сворачиваемость белка из "Биофизика Т.1" В нормальных условиях любая природная аминокислотная последовательность обладает уникальной структурой. Она характеризуется минимумом конформационной энергии, который является достаточно размытым по пространственным координатам и относительно небольшим по глубине (IX, 1). Он соответствует нескольким близким конформационным подсостоянием разделенными барьерами кТ, между которыми белок совершает спонтанные флуктуационные переходы, оставаясь однако все время в пределах нативной конформации. [c.244] Еще в работах Анфинсена (1973) было показано, что пространственная структура белка способна к спонтанной самоорганизации. Денатурированная белковая глобула после возвращения к нормальным температурным условиям и удаления денатуранта из раствора снова за несколько минут восстанавливает исходную первоначальную нативную структуру, в которой каждый атом занимает свое определенное место. [c.245] При огромном количестве конформационных подсостояний в нативном белке ( 10 для цепи из 100 остатков, если каждый из них имеет 10 конформаций) реальный процесс сворачивания должен носить в известной степени направленный характер. Он не может осуществляться путем последовательного перебора всех вариантов для нахождения минимума энергии, необходимого для стабилизации структуры. [c.245] Допустим, что поиск этого энергетического минимума происходит путем перебора разных типов укладки. Тогда цепь в процессе сворачивания должна в начале случайным образом приблизиться к нативной конформации, потеряв почти всю энтропию, и только затем в результате образования соответствующих контактов произойдет выигрыш в энергии. [c.245] Незначительная величина энергетического барьера на этом пути AG обусловлена тем, что уменьшение энтропии при фиксации одного звена компенсируется выигрышем энергии при установлении нужного контакта, который в дальнейшем не нарушается. Это резко снижает общее время последовательного сворачивания цепи. [c.245] Такой путь сворачивания белка обеспечивается в итоге тем, что глобулярная часть растущих зародышей белковой структуры не перестраивается по ходу сворачивания. Это предположение соответствует принципу согласования ближних и дальних взаимодействий в белке, лежащем в основе его кооперативных свойств (IX, 2). [c.245] Быстрое сворачивание белка без задержки в пути в промежуточных квазиста-бильных ловушках возможно, если нативная структура более стабильна, чем клубок, а все остальные конкурирующие (рис. IX.36) с ней структуры менее стабильны. [c.245] Моделирование сворачиваемости. В последние годы процесс сворачивания аминокислотных последовательностей интенсивно изучается методами компьютерного моделирования. Сворачиваемая цепь должна удовлетворять двум различным требованиям. [c.246] В термодинамическом отношении нативная конформация должна быть уникальной и обладать явно выраженным энергетическим минимумом (стабильностью) по сравнению с другими близкими конформациями. [c.246] В кинетическом отношении последовательность должна сворачиваться достаточно быстро и быть поэтому стабильной при не слишком низких температурах. [c.246] Иными словами, необходимы температуры достаточно высокие для обеспечения высокой скорости самого сворачивания и одновременно достаточно низкие, при которых достигнутое нативное состояние было бы стабилизировано. В этом случае процесс сворачивания будет очень медленным, так как на первом этапе потеря энтропии [-TAS) сопряжена с соответствуюш им ростом свободной энергии переходного состояния, образуюш егося по ходу сворачивания. От величины AG в свою очередь экспоненциально зависит и время протекания процесса т exp(AG /i T). Именно это обстоятельство (падение энтропии до начала выигрыша энергии) и лежит в основе парадокса Левинталя , согласно которому белковая цепь не может найти свою самую стабильную структуру за разумное время. [c.246] Время перехода одного звена из клубка в растуш ую глобулу т 1 не, а падение энтропии на один аминокислотный остаток имеюш ий 10 конформаций, порядка iilnlO. Тогда сворачивание в целом займет 10 не. По оценке Левинталя время достижения стабильной структуры для белка с iV = 58 остатками составит 10 НС 10 НС 10 1 лет. [c.246] Между тем природные аминокислотные последовательности за время 10 — 10 с спонтанно сворачиваются в нативную глобулу, которая лишь ненамного ( 0,1 ккал/моль в расчете на звено цепи) превосходит по стабильности развернутую форму (неглубокий энергетический минимум, гл. IX, 1). [c.247] С точки зрения термодинамики для сворачивания необходима компенсация падения энтропии падением энергии на каждом этапе сворачивания (Финкельштейн, 1996). [c.247] Последовательный процесс сворачивания белковой структуры начинается с фиксации одного звена сразу же в его финальной конформации, т. е. начинается с формирования зародышей вторичной структуры. Затем в финальной конформации фиксируются и соседние по цепи звенья, в которой устанавливаются стабилизиру-юш ие структуру взаимодействия. [c.247] Большое разнообразие природных последовательностей белков (10 ) и разброс значений параметров, характеризуюш их взаимодействие отдельных остатков, говорит о том, что статистические свойства глобулярных белков по суш еству совпадают со статистическими свойствами случайных последовательностей. Это позволяет использовать стохастический подход к моделированию сворачиваемости белка, а случайные последовательности могут служить объектом модельных исследований. [c.247] УП 2 мы видели, что при определенных температурах в полимерах возможны переходы между состояниями клубок глобула, зависяш ими от величины взаимодействия звеньев цепи. Исследование моделей полипептидных цепей показало, что гомополимерная последовательность может переходить в глобулярное компактное состояние с большей по сравнению с клубком плотностью звеньев. Однако только гетерогенные цепи, включаюш ие разные по своей природе звенья, способны не только переходить в более плотное глобулярное состояние, но и принимать в нем определенную свернутую конформацию, соответствуюшую нативному состоянию белка. [c.247] При Т = Те = Т( происходит замерзание расплавленной глобулы, что называют стеклованием по аналогии с переохлажденной жидкостью, которая фиксируется в одном из многих неравновесных состояний, не достигнув еш е своей равновесной кристалической структуры. [c.247] Па этом этапе уже может образоваться нативная структура, которая имеет только одну определенную конформацию. По именно здесь возникает противоречие между кинетическими и термодинамическими требованиями к процессу сворачивания. Если истинная температура сворачивания Т/ ниже точки замерзания Т/ Тс, то стабильность конечной конформации обеспечена, однако, время сворачивания будет очень большим. С другой стороны, при Т/ Т сворачивание будет быстрым, однако оно приведет к структуре не стабильной при этих температурах. [c.247] Вернуться к основной статье