Белки принципы сборки

Известно, что бактериальная клетка не допускает избыточной продукции рибосомных белков. Практически их синтезируется столько, сколько требуется для сборки рибосом, в соответствии с количеством образующейся рибосомной РНК, и сколько-нибудь серьезного избытка свободных рибосомных белков в нормальной клетке не бывает. Поразительно одинаковый и координированный уровень продукции всех 52 рибосомных белков достигается несмотря на то, что их гены вовсе не организованы в единый регулируемый блок, а представлены независимыми приблизительно 16 оперонами, распределенными по геному клетки. Оказалось, что координированно одинаковая продукция практически всех рибосомных белков и отсутствие их избыточной продукции поддерживаются регуляторным механизмом, обеспечивающим репрессию трансляции избытком белка (трансляционная регуляция по принципу обратной связи). [c.237]

Существующие представления о принципах структурной организации белка и путях многостадийного процесса самосборки полипептидной цепи можно отнести к трем альтернативным точкам зрения. Каждой из них отвечает свой специфический набор экспериментальных и теоретических методов, свой особый подход к изучению этого уникального природного явления и своя возможность в достижении конечной цели - количественного описания механизма сборки и расчета координат атомов нативной трехмерной структуры и динамических конформационных свойств белковой молекулы по известной аминокислотной последовательности. Обсуждению современного состояния и перспектив развития трех направлений исследований структурной самоорганизации белка, условно названных эмпирическим, теоретическим (аЬ initio) и генетическим, уделено в этой книге основное внимание. [c.6]

Ничто лучше не иллюстрирует принципов сборки белков в ансамбли, чем строение мышц и организация цитоскелета. Молекулы белка, участок связывания которого комплементарен другому участку его собственной поверхности, могут самопроизвольно собираться в комплексы. Образующаяся структура в зависимости от геометрии и взаимного расположения комплементарных участков может быть либо кольцевой (простейший случай-димер), либо спиральной. Эти простые комплексы в свою очередь могут взаимодействовать друг с другом за счет все того же принципа комплементарного связывания, образуя более сложные структуры. Возникшие таким путем комплексы обладают свойством геометрической симметрии, которая вытекает из способа их построения. Вообще биологическая симметрия довольно проста для понимания, хотя многие и считают ее необъяснимой и даже несколько пугающей. Как бы то ни было, отмеченные принципы симметрии позволяют создать концептуальную основу для анализа биологических структур. [c.195]

Пытаясь мысленно соединить два конца, вы, несомненно, обнаружили, что это непростая задача. Однако можно легко продемонстрировать это на модели уложите шесть карандашей вокруг седьмого (центрального) и скрепите их резинкой затем сдвигайте карандаши по очереди на некоторое расстояние так, чтобы их концы расположились по спирали вокруг продольной оси. Если взять два таких пучка, то их легко плотно соединить друг с другом. Для понимания геометрических принципов сборки белков в ансамбли весьма полезно поиграть с реальными предметами, моделирующими белковые молекулы так гораздо легче зрительно представить процесс сборки. [c.435]

Свертывание белковой цепи не может быть объектом рассмотрения классической равновесной термодинамики, поскольку последняя оперирует только усредненными характеристиками стохастических систем, обратимыми флуктуациями и функциями состояния, а поэтому ограничена изучением макроскопических систем с чисто статистическим, полностью неупорядоченным движением микроскопических частиц, взаимодействующих неспецифическим образом только в момент упругих соударений. Равновесная термодинамика в состоянии анализировать коллективное поведение множества частиц, не вдаваясь при этом в детали их внутреннего строения и не конкретизируя механизм равновесного процесса. Особенно важно отметить то обстоятельство, что для классической термодинамики все случайные флуктуации системы неустойчивы, обратимы и, следовательно, не могут оказывать заметного, а тем более конструктивного, воздействия на протекающие процессы. Все явления, самопроизвольно протекающие в изолированной системе, направлены, согласно термодинамике равновесных процессов, на достижение однородной системы во всех возможных отношениях. Сборка белка не отвечает основным положениям классической статистической физики эргодической гипотезе и Н-теореме Больцмана, принципу Больцмана о мультипликативности термодинамической вероятности и закону о равномерном распределении энергии по всем степеням свободы. Следование системой больцмановскому распределению вероятностей и больцмановскому принципу порядка, не содержащих механизма структурообразования из беспорядка, исключает саму возможность спонтанной сборки трехмерной структуры белка. Кроме того, невозможен перебор всех равноценных с точки зрения равновесной термодинамики и статистической физики конформационных вариантов. Даже у низкомолекулярных белков (менее 100 аминокислотных остатков в цепи) он занял бы не менее лет. В действительности же продолжительность процесса исчисляется секундами. Величина порядка 10 ° лет может служить своеобразной количественной мерой удаленности предложенных в литературе равновесных термодинамических моделей от реального механизма свертывания природной аминокислотной последовательности. [c.90]

Физическая теория пространственной организации белка, определяемая сформулированными выше принципами, является дальнейшим развитием рассмотренной ранее термодинамической теории. В нее привнесены отсутствующие у последней конкретные, детерминистические признаки структуры белка, связывающие конформационное поведение макроскопической системы со свойствами ее микроскопических составляющих. Термодинамическая теория является феноменологической. Она была призвана установить природу самоорганизации белка (и, действительно, установила, что сборка полипептидной цепи представляет собой статистико-детерминистический процесс), отнести рассматриваемое явление к адекватной его природе области естественнонаучных знаний (нелинейной неравновесной термодинамике) и дать качественно непротиворечивую трактовку всем важнейшим особенностям этого явления (спонтанному характеру, беспорядочно-поисковому механизму, высокой скорости и безошибочности). Физическая теория, в отличие от термодинамической, является не качественной, а количественной теорией, и должна послужить основой метода численного решения конформационной проблемы белка. Метод, опираясь на физическую модель, строится на поэтапном подходе и анализе конкретной белковой молекулы, нативная конформация которой предполагается самой предпочтительной по энергии, наиболее компактной и согласованной в отношении всех внутри- и межостаточных взаимодействий структурой. [c.106]

Иногда денатурированный белок в подходящих условиях вновь спонтанно приобретает свою нативную структуру. Этот процесс называется ренатурацией. Ренатурация убедительно показывает, что третичная структура белка полностью определяется его первичной структурой и что сборка биологических объектов может осуществляться на основе немногих общих принципов. [c.139]

Существование количественного соотношения между теплотой и упорядоченностью, открытое в конце XIX столетия, в принципе дает нам возможность рассчитать какое количество теплоты должна выделить клетка, чтобы компенсировать определенную степень упорядоченности внутри нее (такой, как сборка белков из аминокислот), причем суммарный процесс должен увеличивать степень неупорядоченности всей Вселенной. Такое соотношение можно получить, рассмотрев характер изменения движения молекул в результате перехода определенного количества тепловой энергии от горячего тела к холодному. Здесь нет необходимости представлять детальный расчет подобного процесса, отметим только, что химические реакции, которые протекают с выделением тепла, должны быть тесно связаны на молекулярном уровне именно с процессами, приводящими к упорядочению. Такие связанные между собой реакции, называются сопряженными мы их рассмотрим позднее Неразрывная связь между образованием тепла и повышением степени упорядоченности и отличает метаболизм клетки от расточительного процесса сгорания топлива. [c.80]

Разработка общей теории свертывания белковой цепи, т.е. системы принципов, отражающих все важнейшие особенности структурной самоорганизации молекулы белка беспорядочно-поисковый механизм сборки природной аминокислотной последовательности, самопроизвольный характер возникновения и протекания всех стадий образования высокоупорядоченной трехмерной структуры, высокая скорость и безошибочность процесса. [c.384]

Рассмотренная в разделе 2.1 феноменологическая бифуркационная теория свертывания белковой цепи - лишь пролегомены, самый первый шаг к Созданию физической теории структурной организации белка и количественного расчетного метода. Неравновесная термодинамическая модель теории сформулирована в такой общей форме, которая еще не допускает прямой экспериментальной проверки. Значение предложенной теории состоит в том, что она, во-первых, дает принципиальную трактовку всем важнейшим особенностям структурной самоорганизации белка беспорядочно-поисковому механизму сборки аминокислотной последовательности, высокой скорости и безошибочности процесса образования трехмерной структуры и, во-вторых, указывает, как показано ниже, направление дальнейшего поиска и раскрывает его содержание. В частности, принципиальное значение имеет то обстоятельство, что бифуркационная теория впервые позволила представить процесс свертывания белка, не требующий при беспорядочно-поисковом механизме сборки рассмотрения всех мыслимых конформационных состояний белковой цепи. Однако сама по себе термодинамическая теория статистико-детерминистического явления не может привести к такому уровню понимания процесса свертывания белковой цепи, который необходим для количественной оценки всех логических связей между аминокислотной последовательностью, трехмерной структурой и окружающей средой, а следовательно, и для апробации лежащих в основе теории принципов. Задача может считаться решенной только после создания физической конформационной теории н расчетного метода, предсказывающих по известному расположению аминокислот в белковой цепи координаты всех атомов в нативной трехмерной структуре и количественно описывающих механизм сборки последней. Лишь при достижении цели, поставленной именно таким образом, физическая теория структурной организации белка сможет стать основой для решения следующих фундаментальных задач, связанных уже с установлением зависимости между строением и функцией. В этом разделе рассмотрены основные положения предложенной автором структурной теории белка [38-42]. [c.100]

Процесс упаковки фаговой ДНК в зрелые фаговые частицы осуществляется в смеси бесклеточных экстрактов двух штаммов Е. соИ, лизогенных по дефектным бактериофагам X. Обычно в одном штамме амбер-мутацией инактивирован один из белков фагового капсида (продукт гена Е), а в другом - ген А, продукт которого необходим для включения фаговой ДНК в головку бактериофага. Имеются и другие пары лизогенных штаммов Е. соН, позволяющие производить упаковку ДНК в фаговые частицы с использованием тех же общих принципов. Объединение бесклеточных лизатов обоих штаммов Е. соИ приводит к взаимной комплементации недостающих функций с помощью соответствующих белков дикого типа. Таким образом, в объединенных экстрактах имеются все компоненты, необходимые для сборки зрелых инфекционных фаговых частиц, в них происходит упаковка рекомбинантной ДНК с эффективностью образования [c.82]

Недавно Н. Н. Семенов [1] высказал сообра кение о том, что принцип химического штампа используется в природе не только при синтезе сложных, биологически важных молекул типа белков и ДНК. Не исключено, что и при синтезе менее сложных соединений также работает принцип сборки ira химической матрице. [c.149]

Участие посторонних белков в сборке, как оказалось, не соответствует традиционному представлению о наличии прямой аналогии между механизмами свертывания полипептидных цепей в искусственных условиях и клетке. Ставшие известными функции молекулярных шаперонов потребовали определенной коррекции давно сформулированного и многократно подтвержденного в опытах in vitro принципа не нуждающейся в каких-либо посредниках самосборки белка. Выяснилось, что это не совсем так. Более того, оказалось, что в сложных клеточных условиях нужны белки, ассистирующие не только котрансляционное и посттрансляционное свертывание полипептидных цепей, но и помогающие транспорту белковых молекул через мембраны, реорганизации, диссоциации и ассоциации белков в олигомерные комплексы, сборке олигомеров внутри органелл и ликвидации белковых повреждений, вызванных стрессовыми и иными внешними воздействиями. [c.420]

Описанная модель структурной самоорганизации белка непосредственно отвечает ренатурационному процессу, протекающему в условиях in vitro, когда исходное конформационное состояние молекулы максимально неупорядоченно. Сборка белка в процессе биосинтеза и при содействии шаперонов протекает в принципе по тому же беспорядочно-поисковому механизму и поэтому не требует разработки специальных моделей. Возможность свертывания аминокислотной последовательности до окончания синтеза и отхода от рибосомы в первом случае, и взаимодействие флуктуирующей цепи со специфическими белками во втором ограничивают конформационную свободу неструктурированного белка. В результате уменьшается количество обратимых, непродуктивных флуктуаций, увеличивается вероятность появления бифуркаций и, следовательно, сокращается время сборки. Иными словами, запрещая целый ряд обратимых флуктуаций, шапероны сближают друг с другом бифуркационные точки и тем самым делают процесс самоорганизации нативной конформации белка более эффективным. [c.99]

В представленном в этом разделе кратком описании расчетных методов нашли отражение основные тенденции развития конформационного анализа пептидов и белков в последнее время. Несмотря на многочисленность и видимое разнообразие новых теоретических разработок, их сближает ряд общих черт принципиального характера, причем тех же самых, что были присущи предшествующим теоретико-методологическим исследованиям. Отмечу лишь три таких особенности. Во-первых, практически все предложенные методы расчета исходят из предположения, что нативная трехмерная структура белка имеет самую низкую внутреннюю энергию. Поэтому конечная цель каждого метода состоит в установлении глобальной конформации молекулы по известной аминокислотной последовательности. Такое предположение, сформулированное более 40 лет назад, до сих пор не встретило каких-либо противоречий со стороны экспериментальных фактов и, следовательно, может считаться оправданным. Во-вторых, в последние годы, как и ранее, во всех случаях предпринимались попытки подойти к расчету глобальной конформации белка путем усовершенствования предсказательных алгоритмов, процедур минимизации и вычислительной техники. Надежды на решение структурной проблемы по-прежнему связываются не с более глубоким проникновением в молекулярную физику белка и разработкой соответствующих теорий, а главным образом с достижением в области методологии теоретического конформационного анализа и развитием компьютерной аппаратуры. Между тем такой подход в принципе не может привести к априорному расчету глобальной конформации белка. В разделе 2.1 уже указывалось, что перебор со скоростью вращательной флуктуации (10 с) всех мыслимых конформационных состояний даже у низкомолекулярной белковой цепи (< 100 остатков) занял бы не менее 10 лет. Следовательно, при беспорядочно-поисковом механизме сборка белка как в условиях in vivo в процессе рибосомного синтеза, так и в условиях in vitro в процессе ренатурации не может осуществляться через селекцию конформации всех локальных минимумов потенциальной поверхности. Реальные же возможности самых совершенных современных методов расчета ограничены независимым анализом тетра- и пентапептидов, рассчитанных четверть века назад. Ни один из существующих теоретических методов не в состоянии проводить конформационный анализ сложных олигопептидов, а тем более белков, без привлечения дополнительной информации - результатов прямого эксперимента, касающегося исследуемого объекта, или статистической обработки имеющихся структурных данных. В-третьих для всех предложенных методов расчета характерно отсутствие классификации пептидных структур, оправданной с физической точки зрения и [c.246]

Перед каждым делением клетка должна еинтезировать копии веех евоих хромоеом. Таким образом, делению клетки предшествует ее переход из состояния интерфазы (фазы 01) в фазу синтеза ДПК (8-фаза). В типичной клетке высших эукариот 8-фаза длится 8 часов. После ее окончания каждая хромосома представлена двумя копиями, которые продолжают оставаться соединенными в области центромер до наступления М-фазы. (см. рис 9-35). Для удвоения хромосомы необходима репликация ее ДПК и последующая сборка на этой молекуле хромосомных белков. образующих хроматин. В гл. 5 мы обсуждали ферменты, участвующие в репликации ДПК, и строение репликационной вилки, обеспечивающей синтез (см. рис. 5-39). Переход клетки в 8-фазу будет рассмотрен в гл. 13 как часть более общей проблемы контроля клеточного цикла. В данном разделе мы изложим принципы механизма репликации эукариотической хромосомы, укажем время, необходимое для этого, и, кроме того, проанализируем взаимосвязь процесса репликации и структуры хромосомы. [c.133]

Можно ли выводы Ли и Шераги в отношении найденной структуры Met-энкефалина считать объективными Является ли метод Монте Карло-Минимизации перспективным для расчета нативных конформаций белков и Механизмов их сборки Адекватен ли он в принципе реальному процессу свертывания белковой цепи У самих авторов на этот счет нет сомнений. Оценивая в заключении статьи возможности предложенной процедуры, они отмечают "Применение метода Монте Карло-минимизации к свертыванию олигопептидов не только способствует пониманию физической сущности процесса свертывания белковой цепи, но также может являться эффективным алгоритмом предсказания нативных структур белка.. ..Более того, поскольку метод Монте Карло-минимизации позволяет проводить исследования крупномасштабных изменений (и белковое свертывание является лишь одним таким примером), то он может быть весьма полез- [c.349]

Клеточный метаболизм основан на принципе максимальной экономии. Общая скорость катаболизма, обеспечивающего клетку энергией, определяется не просто наличием или концентрацией клеточного топлива она обусловлена потребностью клетки в энергии в форме АТР и NADPH. Клетка потребляет в каждый данный момент как раз такое количество питательных веществ, какое позволяет ей удовлетворять свои энергетические нужды. Точно так же обусловлена потребностями данного момента скорость синтеза строительных блоков и макромолекул клетки. В растущих клетках, например, все 20 видов аминокислот синтезируются как раз с такой скоростью и в таких соотношениях, какие необходимы для того, чтобы обеспечить сборку новых белков, требующихся в данный момент. Таким образом, ни одна из 20 аминокислот не вырабатывается в избытке и не остается без использования. У многих животных и растений в организме откладываются запасные питательные вещества, способные служить источником энергии и углерода. Такими запасными питательными веществами являются, в частности, жиры и углеводы. [c.388]

Так называемая четвертичная структура фибриллярных белков мало изучена, но если иметь в виду, что эти белхи представляют собой резко асимметричные образования жесткого типа (например, трехтяжные спирали коллагена), то можно полагать, что на различных стадиях синтеза и укладки этих белков важную роль в организации структуры должны играть именно те факторы, которые ответственны за самоупорядочение в растворах жесткоцепных полимеров. Конечно, образование дисульфидных связей, которые накладываются на упорядоченную структуру, значительно осложняет расшифровку стадий процесса, приводящих к конечному строению фибриллярных белков. Но это не является ограничением применимости основных принципов образования жидкокристаллических систем к случаю природной организации белковых тел. Интересные фактические данные о структуре фибриллярных белков, которые могут быть использованы при анализе рассматриваемой проблемы, приводятся в монографии Михайлова [3]. Общие представления о механизме сборки макромолекул были изложены Френкелем [4]. [c.222]

Кинетика индукции, изображенная на фиг. 237, указывает на то, что Р-галактозидаза образуется de novo, а не в результате вызванного субстратом превращения в активный фермент какого-то предсуществовавше-го внутриклеточного предшественника. Для доказательства этого предположения был разработан эксперимент с изотопной меткой принцип этого эксперимента был такой же, как и в случае, когда была опровергнута теория о превращении предшественников при развитии бактериофагов. Клетки Е. соН в течение нескольких поколений выращивали на среде, не содержащей галактозидных индукторов, в присутствии радиоактивной серы Радиоактивные бактерии переносили затем в нерадиоактивную среду без после чего вызывали в них синтез Р-галактозидазы путем добавления в среду индуктора. Когда из таких бактерий выделили и очистили р-галактозидазу, оказалось, что она не содержит Следовательно, этот фермент не мог возникнуть из белка, существовавшего в клетке до добавления индуктора, так как серусодержащие аминокислоты (цистеин и метионин) всех таких белков содержали радиоактивную метку. Очевидно, что индуктор не вызывает превращения в фермент готовых предшественников, а вместо этого заставляет клетку начинать сборку полипептидных цепей Р-галактозидазы непосредственно из аминокислот. Эти опыты показали, что выяснение механизмов влияния индуктора на клетку поможет понять, как контролируется синтез белков. [c.479]

Общепринятое представление о структурной организации молекул глобулярных белков передает схема Шульца и Ширмера [157]. В самой общей, краткой и подкупающе выразительной форме она отражает господствующее, едва ли не единственное, мнение о принципах пространственного строения белковых молекул, их иерархической (пирамидальной) структурной организации и даже механизма сборки нативной конформации из развернутой аминокислотной последовательности (рис. 11.4). Считается, что схема уровней структурной организации белков Шульца и Ширмера обобщает накопленный экспериментальный материал и отвечает современному уровню наших знаний о белке. Упрощенность этой схемы авторы видят только ... в предположении, 302 [c.302]

Рассмотренный пример не является исключением. Так, С-концевой полипептид папаина из ПО остатков, представляющий собой достаточно автономную область трехмерной структуры, был отнесен, как и а-химотрипсин, к -структурным белкам [157]. Следовательно, формирование его конформации должно проходить в принципе так же, как у рассмотренного фермента. Но С-концевой домен папаина содержит лишь восемь -структурных остатков и приходится описывать весь процесс укладки, не воспользовавшись другими 102 остатками, в том числе 11 а-спиральными. Еще один пример. Инсулин причислен к а-структурной группе [157]. Поэтому при сборке его структуры не замечается уже -структурный участок. Принципиальный недостаток схемы уровней структурной организации глобулярных белков Шульца и Ширмера заключается в том, что в ней не учитывается существование нерегулярных участков полипептидной цепи, иными словами, сборка третичной структуры представляется только путем ассоциации вторичных и супервторичных структур и состоящих из них доменов. И такое представление не претерпело каких-либо изменений и остается общепринятым и сегодня. В 1989 г., т.е. спустя десять лет после выхода в свет монографии Г. Шульца и Р. Ширмера, Г. Фасман писал ...стало очевидно, что третичное свертывание определяется главным образом упаковкой а-спиралей и/или -структур... Супервторичные структуры являются главными компонентами доменов, которые, будучи собранными, составляют трехмерные конформации белков [238. С. 236]. [c.313]

Для познания принципов структурной организации белковых молекул огромный интерес представляет явление денатурации. Переход нативной конформации белка в развернутую неструктурированную форму и обратный переход флуктуирующей полипептидной цепи в исходную компактную трехмерную структуру есть не что иное, как непосредственный процесс разрушения и формирования именно тех самых взаимодействий, которые и обусловливают структурную организацию белковой молекулы. Иными словами, при свертывании и развертывании полипептидной цепи проявляется прямая связь между химическим и пространственным строением белка. Изучение денатурации позволило сформулировать фундаментальное положение о том, что нативная конформация белковой молекулы отвечает термодинамически равновесному состоянию. Ее свободная энергия является функцией состояния и как таковая не зависит от конкретного пути свертывания белковой цени (in vivo или in vitro), т.е. от предыстории, а определяется только составом и порядком расположения аминокислот в последовательности. Трансляция линейной информации в трехмерную структуру возможна, однако только при определенных физиологических условиях (температура, давление, pH, ионная сила, наличие простетических групп, ионов металлов и т.д.). При соблюдении этих условий процесс свертывания полипептидной цепи осуществляется спонтанно принятие белком нативной конформации не требует какого-либо морфогенетического молекулярного аппарата. Самопроизвольный характер процесса, подчиняющегося второму началу термодинамики, свидетельствует о том, что сборка компактной структуры белка сопровождается понижением свободной энергии Гиббса системы, включающей свертываемую полипептидную цепь и среду. [c.338]

Кинетические аспекты. Трудно представить, что белки могут принимать нативную физиологически активную конформацию, сворачиваясь случайным образом по принципу "проб и ошибок". Даже в условиях in vitro самопроизвольная сборка трехмерной структуры белка, не содержащего дисульфидных мостиков, происходит настолько быстро, что дает основание допустить во много раз большую скорость этого же процесса в условиях in vivo по сравнению со скоростью рибосомального матричного синтеза аминокислотной последовательности. Создание за считанные секунды из развернутой полипептидной цепи трехмерной структуры макромолекулы возможно только при высокой степени кооперативности процесса. Естественно было ожидать, что кинетика этого процесса будет соответствовать такому механизму ренатурации белка, при котором происходящие на каждом участке последовательности события увеличивают вероятность и, следовательно, скорость последующей укладки всех отдельных участков цепи в направлении правильной нативной конформации. Данному условию удовлетворяет самый простой механизм самоорганизации белков, включающий единственный переход между двумя состояниями (N D). Согласно теории этого процесса, которая только что была рассмотрена, никакие другие состояния белковой цепи, кроме N и D, не присутствуют в экспериментально обнаруживаемых количествах в течение всего времени прямой (N -> D) и обратной (N D) реакций. Если развертывание и свертывание белковой цепи действительно следуют двухстадийному процессу, то изучение кинетики и выяснение деталей конкретного механизма денатурации и ренатурации сталкивается с особенно серьезными трудностями. Они вызваны большими скоростями реакции и малыми концентрациями промежуточных состояний, а это требует быстрореагирующей и высокочувствительной экспериментальной техники. Наиболее часто используются спектральные методы (ЯМР, КД, УФ), ферментативный гидролиз, иммунологические методы. Для быстрой остановки процесса применяются методы стоп-флоу. [c.352]

Качественное изменение ситуации в изучении механизмов свертывания белковых цепей наметилось в самом конце 1980-х годов. Оно вызвано открытием нового класса белковых молекул, существование которых мало кто предполагал, во всяком случае, оно представлялось маловероятным. Их функции в жизнедеятельности клеток заключаются в содействии правильной невалентной сборки других белков, не становясь, однако, компонентами их окончательных физиологически активных структур. Белки этого класса получили название молекулярных шаперонов . Открытие шаперонов вместе с известными ранее, но необобщенными и не привлекшими к себе должного внимания данными поколебало, особенно на первых порах, общепринятую точку зрения на принципы структурной организации белковых молекул. Новые факты неизбежно вели к заключению, что существовавшее представление о свертывании полипептидной цепи in vivo как о самосборке белка, по меньшей мере не совсем точно отражает реальный процесс. Необходимость пересмотра устоявшегося мнения о взаимосвязи между химическим и пространственным строением белковых молекул диктовалась новыми экспериментальными данными, число которых начинает возрастать лавинообразно. Все они свидетельствовали об уменьшении выхода, замедлении скорости и даже полном прекращении сборки трехмерных структур одних белков по мере снижения вблизи рибосом концентрации других белков. Стали известны две группы молекулярных посредников, функции которых в клеточной сборке белковых цепей оказались значительными и разнообразными. Они влияют на скорость свертывания цепи, целенаправленно ускоряя или замедляя созревание нативной конформации, определяют порядок формообразования сложных комплексов, стимулируя реорганизацию белок-белковых взаимодействий в олигомерных структурах, облегчают деградацию неправильно свернутых цепей, стабилизируют, транспортируют и соединяют в соответствующих клеточных компартментах [c.412]

Белки одной группы посредников — это ферменты, катализирующие сборку полипептидной цепи путем образования с ней ковалентных промежуточных комплексов, что сокращает продолжительность случайно-поискового механизма процессов пространственной организации белковых молекул. Белки второй группы — молекулярные шаперо-ны. В принципе они также подпадают под определение ферментов, поскольку влияют лишь на скорость структурной организации белковой цепи, предохраняя ее от неправильных внутримолекулярных и межмолекулярных контактов. Различие в том, что шапероны, во всяком случае уже известные, реализуют свои многочисленные функции только за счет невалентных контактов со свертывающимся белком, не вступая с ним в химические взаимодействия. [c.413]

Таким образом, если принцип структурной самоорганизации белковых молекул в условиях in vitro может восприниматься в буквальном смысле слова, то в ситуации in vivo он должен обрести более широкое толкование, принимающее во внимание временное участие в сборке белка ферментов (дисульфидных и цмс-транс-изомераз) и молекулярных шаперонов. Первые катализируют процесс за счет химических, ковалентных взаимодействий, а вторые — физических невалентных взаимодействий. И те, и другие не определяют геометрии и динамических свойств нативной конформации, и, следовательно, ее 420 [c.420]

Обсуждаемая модельная система свертывания белковой цепи не отвечает основным положениям классической статистической физики эргодической гипотезе и Н-теореме, принципу Больцмана о мультипликативности термодинамической вероятности, а также закону о равном распределении энергии по всем степеням свободы. Следование системой больцмановскому распределению вероятностей и больцма-новскому принципу порядка лишено механизма структурообразования из беспорядка, и поэтому исключает саму возможность спонтанной сборки трехмерной структуры белка. Кроме того, практически невозможен перебор всех равноценных с точки зрения статистической физики конформационных вариантов (микроскопических состояний). Даже для низкомолекулярных белков (< 100 аминокислотных остатков в цепи) он занял бы около 10 ° лет. В действительности же продолжительность процесса исчисляется долями секунд и секундами. Таким образом, величина порядка 10 лет может служеть своеобразной коли- [c.461]

В экспериментальных исследованиях все еще остаются непреодолец ными трудности контроля и управления процессами свертывания, выделения промежуточных метастабильных продуктов и идентификации их структур. В настоящее время лишь для бычьего панкреатического трипсинового ингибитора (БПТИ) достаточно полно и на высоком экспериментальном уровне изучен процесс свертывания белковой цепи в условиях in vitro. Исследование БПТИ, проведенное Т. Крейтоном [7], относится к самым значительным и глубоким разработкам проблемы ренатурации на фоне аналогичных по направленности экспериментальных исследований других белков. Однако интерпретация опытных данных и здесь носит противоречивый характер и базируется на равновесной термодинамике, в принципе исключающей раскрытие физической сущности ренатурации -явления сугубо неравновесного [25, 26]. Вопрос о движущих силах спонтанного механизма сборки белка даже не обсуждается. Тем не менее благодаря исследованию Крейтона возникла уникальная, качественно новая ситуация, при которой впервые появилась возможность всесторонне проанализировать огромный экспериментальный материал о свертывании белковой цепи БПТИ со строгих теоретических позиций бифуркационной термодинамической модели (см. разд. 2.1), физической теории структурной организации белка (см. разд. 2.2) и результатов априбрного расчета трехмерной структуры БПТИ (см. разд. 16.1 и 16.2). Цель такого совместного рассмотрения конкретных опытных и теоретических данных состоит в получении ответов на следующие вопросы. [c.472]

В предыдущих главах книги были рассмотрены возможности и перспективы развития двух альтернативных подходов (эмпирического и теоретического) к изучению свертывания белка и принципов его молекулярной труктурной организации. В настоящей главе изложен еще один подход, Отражающий принципиально иной взгляд на решение тех же проблем. Он исходит из предположения о наличии стереохимического генетического 1ода, ответственного за сборку белковой цепи в биологически активную ехмерную структуру. [c.527]

В разделе 1.2 мы отметили два общих принципа регуляции биологических систем во-первых, пространственную обособленность рабочих центров и центров управления и, во-вторых, то обстоятельство, что роль факторов контроля играют факторы, являющиеся внешними по отношению к регулируемой системе. Эти принципы должны быть справедливы и для метаболона. Метаболой как управляемая система должен иметь пространственно разделенные рабочие центры и центры управления. В роли рабочего центра метаболона выступает, очевидно, микрокомпартмент, в котором осуществляется химическая трансформация поступающих в него субстратов. Роль центра управления мы отводим якорному белку подложки, участвующему в сборке комплекса [10]. Например, в комплексе ферментов гликолиза, адсорбированном на мембране эритроцитов, роль центра управления принадлежит белку полосы 3. [c.189]