Белки самоорганизация

Прежде всего, белки уникальны в отношении химического строения. Это гетерогенные нерегулярные полипептидные последовательности 20 а-аминокислот и их производных, включающих самые разнообразные по своим химическим и физическим свойствам, т.е. валентным и невалентным взаимодействиям, атомные группы. В химическом построении белковых молекул уже можно усмотреть огромные потенциальные возможности к вариации физико-химических свойств. И в то же время белки представляют собой фактически единственный класс соединений, химические свойства которых нельзя непосредственно соотнести с химическим строением молекул. Поведение белков всецело определяется исключительной, присущей только им пространственной структурной организацией. Лишаясь ее, белки теряют все свои биологические свойства. За редким исключением, лишь белковые цепи способны самопроизвольно свертываться в строго детерминированные структуры, геометрия и конформационная динамика которых в физиологических (нативных) условиях полностью определяются аминокислотной последовательностью. Трехмерные структуры белков индивидуализированы, очень сложны и имеют строгий порядок, не сводящийся, однако, к периодичности. Способность природной полипептидной цепи к пространственной самоорганизации и обретению определенной молекулярной структуры - самая яркая особенность белков, отсутствующая у молекул искусственных полимеров, в том числе у полученных человеком поли-а-аминокислот. В растворе синтетический полимер находится в состоянии статистического клубка, флуктуации которого могут приводить к появлению в цепи регулярных участков лишь ближнего порядка. При этом, однако, ни при каких условиях не образуются стабильные трехмерные структуры, тем более идентичные для всех молекул данного полимера. В твердом виде синтетический полимер пребывает в аморфном состоянии, которое может включать частично кристаллическую фазу из беспорядочно ориентированных друг относительно друга зародышевых микрокристаллических областей. Искусственные полимеры отличаются качественно и по своим химическим свойствам, которые в той или иной мере воспроизводят свойства соответствующего мономера и могут быть описаны ограниченным набором реакций, специфичных для повторяющегося звена в свободном состоянии. [c.51]

Изучение структурной самоорганизации позволило сформулировать фундаментальное положение о том, что конформация белковой молекулы отвечает термодинамически равновесному состоянию и, как таковое, не зависит от конкретных внешних условий свертывания белковой цепи (in vivo, in vitro или с помощью шаперонов) и от ее предыстории, т.е. способа получения (биосинтез или химический синтез). Конечная пространственная структура определяется исключительно составом и порядком расположения аминокислот в последовательности. Было доказано, что все необходимые сведения о физиологически активной форме белка заключены в его химическом строении. Трансляция линейной информации в трехмерную структуру возможна, однако только при вполне определенных физиологических условиях (температура, давление, pH, ионная сила, присутствие простетических групп, ионов металла). При их соблюдении сборка осуществляется спонтанно в том смысле, что принятие белком своей равновесной нативной конформации не требует специального [c.81]

Одной из самых интригующих и перспективных задач современной науки является изучение механизма и движущих сил процессов, происходящих в живом организме. Решение этих проблем позволит перейти на качественно новый уровень развития фундаментальных и прикладных наук, таких как медицина, биотехнология и фармакология. В области химических наук толчком к началу исследования процессов молекулярного узнавания в биосистемах послужило открытие в конце бО-х годов искусственных молекул (краун-эфиров), способных к специфическому распознаванию других химических частиц. В последующие годы бурное развитие получил синтез соединений, способных к самоорганизации. На рубеже 80-90-х годов сформировалась новая область знаний, получившая название "супрамолекулярная химия". У ее истоков стоят работы трех нобелевских лауреатов 1987 года -Ч. Педерсена, Д. Крама и Ж.-М. Лена [1-3]. По определению Лена [4], супрамолекулярная химия - это химия межмолекулярных связей, изучающая ассоциацию двух и более химических частиц, а также структуру подобных ассоциатов. Она лежит за пределами классической химии, исследующей структуру, свойства и превращения отдельных молекул. Если последняя имеет дело главным образом с реакциями, в которых происходит разрыв и образование валентных связей, то объектами изучения супрамолекулярной химии служат нековалентные взаимодействия водородная связь, электростатические взаимодействия, гидрофобные силы, структуры "без связи". Как известно, энергия невалентных взаимодействий на 1-2 порядка ниже энергии валентных связей, однако, если их много, они приводят к образованию прочных, но вместе с тем гибко изменяющих свою структуру ассоциатов. Именно сочетание прочности и способности к быстрым и обратимым изменениям - характерное свойство всех биологических молекулярных структур нуклеиновых кислот, белков, ферментов. [c.184]

Собственно, этим определением можно было бы и завершить выяснение смысла понятия самоорганизация , если бы был совершенно ясен вопрос о том, как оценивать уровни упорядоченности материальных систем, т. е. высоту их организации. Как было уже сказано, в биологии применительно к живым системам этот вопрос представляется более ясным, чем в химии, хотя при этом нельзя не вспомнить замечания Ч. Дарвина о том, что почти безнадежной является попытка сравнивать высоту организации особей разных типов, например пчелы и каракатицы. Еще более безнадежными оказались попытки биохимиков найти мерило высоты организации химических соединений в их отношениях к белкам и другим биополимерам путем построения гипотетической лестницы, ведущей вниз вплоть до метана. [c.192]

В связи с этим представляются перспективными подходи, учитывающие процесс самоорганизации белка структуры, образующиеся на ранних стадиях сворачивания, предполагаются достаточно консервативными, а более сложная структура формируется из них, как из готовых, блоков. В настоящей серии работ рассмотрена разработанная нами компьютерная система для исследования закономерностей строения и расчета вторичной и третичной структур глобулярных белков, реализующая этот подход. [c.111]

Для расчета пространственной структуры белковой молекулы с учетом процесса самоорганизации недостаточно знания е6 вторичной структуры. Уникальность и быстрота сборки третичной структуры белков обеспечивается некоторыми механизмами, точное знание которых в настоящее время отсутствует. [c.131]

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]

Настоящий том, третий из намеченных монографий по проблеме белка, посвящен вопросам взаимосвязи между аминокислотной последовательностью, с одной стороны, и пространственным строением, динамическими конформационными свойствами и механизмом процесса свертывания беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в нативную конформацию, с другой, т.е. - теоретическим аспектам структурной самоорганизации белка. Он является продолжением первых двух томов издания в которых были рассмотрены экспериментальные и концептуальные исследования химического и пространственного строения белковых молекул с момента возникновения работ в этих областях и по сегодняшний день. Автор подробно анализирует существующие представления о природе взаимоотношений между первичной и пространственной структурой белков, уделяя, естественно, особое внимание развиваемой им теории. [c.5]

Существенно различны между собой не только конечные результаты процесса структурной самоорганизации белковых молекул и обычных кристаллов, но и механизмы этого процесса, о чем подробно рассказывается в главе 1. Отметим лишь, что образование кристаллов низкомолекулярных соединений в насыщенных растворах может быть представлено непрерывной совокупностью равновесных состояний при бесконечно малом изменении внешних условий (например, температуры), и поэтому относится к равновесному процессу. Образование трехмерной структуры белка -процесс сугубо неравновесный, протекающий вдали от положения равновесия в этом его суть. Если в первом случае малый сигнал на входе вызывает всегда малый эффект на выходе, то во втором случае небольшие изменения в окружении могут сопровождаться радикальными качественными изменениями в состоянии белковой цепи. [c.52]

Сопоставление свойств соединений органического и неорганического мира позволяет, как мне кажется, сделать вывод, что особое качество живой материи прежде всего обусловлено белками Они в той же мере являются носителями активного начала всего живого, в какой ДНК -носителями потенциального начала Исключительная роль природных аминокислотных последовательностей в процессах жизнедеятельности и структурировании макромолекулярных комплексов, органелл, клеток, тканей, органов и целых организмов заключается в присущей только им способности к структурной самоорганизации собственных молекул В зависимости от внешнего окружения белковые цепи могут находиться в двух равновесных состояниях в виде флуктуирующего статистического клубка и в форме компактной трехмерной структуры Первое состояние лишено специфических черт живого и своим поведением мало отличается от синтетических полимеров в растворе Аминокислотные последовательности обретают свои исключительные свойства - становятся белками - лишь во втором равновесном состоянии, когда цепи свертываются и принимают фиксированные формы, обладающие биологической активностью [c.56]

Присущая белкам способность к структурной самоорганизации представляет собой элементарное фундаментальное качество живой материи, обусловливающее специфические особенности биологических систем всех последующих ступеней иерархической лестницы живого Каков же механизм молекулярной структурной организации белка, этой аристотелевской энтелехии живой материи, и можно ли понять его на основе существующего уровня естественнонаучных знаний Рассмотрению этого вопроса посвящена большая часть настоящей книги [c.57]

Главный вывод, который можно сделать как из общих соображений,так и анализа теоретических разработок, заключается в принципиальной несовместимости спонтанного, быстрого и безошибочного свертывания беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в строго детерминированную трехмерную структуру, с одной стороны, и используемого для изучения этого явления аппарата классической равновесной термодинамики и формальной кинетики, с другой. Ни в одной работе по моделированию процесса структурной самоорганизации белка не обращено внимание на "противоестественность", с точки зрения этого аппарата, самого феномена спонтанного возникновения высокоупорядоченной структуры из беспорядка. [c.84]

Бифуркационная теория свертывания белка, в рамках которой нашли трактовку важнейшие особенности структурной самоорганизации белковой цепи беспорядочно-поисковый и статистико-детерминистический механизм сборки аминокислотной последовательности, самопроизвольный характер возникновения и протекания всех стадий образования высокоупорядоченной трехмерной структуры, высокая скорость свертывания цепи и безошибочность процесса [40]. [c.89]

Далее, будем считать, что на протяжении всего процесса структурной самоорганизации белка наша система не обменивается с окружающим пространством ни энергией, ни веществом, т.е. принадлежит к замкнутому типу систем. Исходим из того, что в начальный момент белковая молекула находится в состоянии флуктуирующего клубка. Аттрактором спонтанно возникающего изотермо-изобарического процесса свертывания белковой цепи является равновесное состояние, в котором белок приобретает [c.94]

Знание направленности изменений энтропии и энтальпии при структурировании белковой цепи и понимание физического смысла причин этих изменений, безусловно, необходимы, но недостаточны для трактовки важнейших особенностей процесса структурной самоорганизации белка. Изменения параметров Д5 и ДЯ, являющихся функциями состояния системы, в принципе ничего не могут сказать о конкретном механизме перехода флуктуирующего клубка в детерминированную трехмерную структуру, его обратимости и необратимости, побудительных мотивах и кинетике. При использовании функции состояния путь, проходимый белковой цепью [c.95]

Необратимые флуктуации и механизм самоорганизации белка. Предполагают, что в начальный период все флуктуации - периодические вращения атомных групп вокруг ординарных связей - являются беспорядочными и несинхронизированными друг с другом. В равновесных системах все флуктуации обратимы и согласно основной теории вероятности (так называемого закона больших чисел) составляют пренебрежимо малые поправки к средним значениям. За редким исключением (например, рассеяние света гомогенной средой и броуновское движение, вызываемые обратимыми флуктуациями плотности) они не коррелируют со свойствами системы и не оказывают влияние на ее переход в равновесное состояние В неравновесных системах среди множества обратимых, неустойчивых флуктуаций возникают необратимые флуктуации, оказывающие радикальное воздействие на эволюцию системы. Они не остаются малыми поправками к средним значениям, а существенно меняют сами эти значения, стирая различие между случайным отклонением и макроскопическим проявлением системы. При свертывании белка подавляющее большинство флуктуаций также обратимо и неустойчиво. Но некоторые из них приводят к сближению определенных аминокислотных остатков, и тогда те могут эффективно взаимодействовать между собой. По своим последствиям образующиеся контакты между валентно-несвязанными атомами могут быть подразделены на близко-, средне- и дальнодействующие. Флуктуации, приводящие к образованию первого вида, изменяют взаимное расположение атомных групп в пределах одного аминокислотного остатка второго вида - расположение остатка относительно соседних в последовательности третьего - относительно удаленных по цепи остатков. В зависимости от конформационного состояния белковой цепи по ходу ее сборки одни и те же флуктуации могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Последними, т.е. бифуркационными, флуктуации становятся только в том случае, если каждая из них возникает в строго определенном месте последовательности бифуркаций между флуктуирующим клубком и трехмерной структурой. Обратимые флуктуации бесследно исчезают, а необратимые, стабилизированные специфическими невалентными взаимодействиями остатков, остаются в виде гигантских "застывших флуктуаций". [c.96]

Итак, благодаря избирательности бифуркационных флуктуаций и их строгой согласованности структурная самоорганизация белковой молекулы приобретает детерминистические черты (случайность порождает необходимость). Из конформационно жестких и взаимодействующих с ними лабильных фрагментов возникают нуклеации, которые через ряд чисто случайных, но тем не менее неизбежных и строго последовательных событий входят в домены или в нативную трехмерную структуру белка. Весь процесс самосборки пространственной структуры не требует времени больше, чем затрачивается на рибосомный синтез белковой цепи. Уникальность бифуркаций, порядок их возникновения и устойчивый конструктивный характер обусловлены конкретной, отобранной в ходе эволюции аминокислотной последовательностью. В то же время рассматриваемая модель свертывания не исключает образование "неправильных" промежуточных состояний, содержащих структурные элементы, отсутствующие в конечной конформации. Более того, поскольку в основу модели положен беспорядочно-поисковый механизм, осуществляющий сборку белка методом "проб и ошибок", то возникновение непродуктивных состояний белковой цепи становится неизбежным. Однако они нестабильны, так как продуктивные состояния, появляющиеся в результате бифуркационных флуктуаций, всегда более предпочтительны по энергии. К обсуждению этого вопроса вернемся в главе 17 при количественном описании механизма ренатурации панкреатического трипсинового ингибитора. [c.98]

На первый взгляд может показаться, что рассмотренный механизм структурирования белковой цепи принципиально не отличается от кристаллизации низкомолекулярных соединений и образования у некоторых синтетических полимеров линейных регулярных форм. Это, однако, не так, хотя в обоих случаях процессы осуществляются посредством случайных флуктуаций и взаимодействий валентно-несвязанных атомов. Существенное различие состоит в том, что кристаллизацию малых молекул в насыщенном растворе и формирование ближнего порядка (одномерного кристалла) у искусственного полимера можно представить равновесными процессами, т.е. путем обратимых флуктуаций и непрерывных последовательностей равновесных состояний. Сборку же белковой цепи в трехмерную структуру нельзя даже мысленно провести только через равновесные положения системы и без привлечения бифуркационных флуктуаций. Механизм пространственной самоорганизации белка имеет статистико-детерминистическую природу и поэтому является принципиально неравновесным. Его реализация невозможна без необратимых флуктуаций, а его описание - без установления связи между свойствами макроскопической системы и внутренним строением ее микроскопических составляющих. С позиции равновесной термодинамики подобные явления просто не могут существовать. [c.99]

В настоящее время известно много нелинейных неравновесных процессов в неорганическом мире, протекающих в физических и химических открытых системах с фазовым диспропорционированием энтропии. Некоторые из них обсуждены в главе 15 предшествующего тома [2. Раздел 15.3] и во введении настоящей книги. Поэтому саму по себе истинную неравновесность процесса самосборки белка нельзя еще считать бесспорным отличительным признаком живой материи. Однако во всех известных нелинейных неравновесных процессах, кроме структурной самоорганизации белка, поддержание возникшего из хаоса порядка в стационарном режиме оказывается возможным только при постоянном потреблении энергии извне и увеличении энтропии окружающей среды. Ячейки Бекара будут сохраняться лишь при подогреве, лазер испускать когерентное [c.99]

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]

В рассмотренной конформационной теории белка не постулируется образование в процессе структурной самоорганизации вторичных, регулярных структур. а-Спирали и р-складчатые листы должны автоматически появляться по ходу расчета на тех участках последовательности, где они оказываются самыми предпочтительными по энергии. Не привлекаются также данные рентгеноструктурного анализа белков и результаты их статистической обработки. Физическая теория и соответствующий расчетный метод исходят только из отмеченных выше четырех принципов, знания аминокислотной последовательности и валентной схемы белковой молекулы. Таким образом, в отношении пространственного строения белка теория является априорной. Предсказание трехмерной структуры строится на количественной оценке взаимодействий между всеми валентно-несвязанными атомами. При этом, однако, не требуется делать специальных предположений о роли в пространственной организации белковой молекулы водородных связей, ионных пар, дисульфидных мостиков и других видов взаимодействий. Так называемые гидрофобные [c.106]

Белки составляют основу биомембран, важнейшей составной части клетки и клеточных компонентов. Они играют ключевую роль в жизни клетки, составляя как бы материальную основу ее химической деятельности. Исключительное свойство белка — самоорганизация структуры, т. е. его способность самопроизвольно создавать определенную, свойственную только данному белку пространственную структуру. По существу, вся деятельность организма (развитие, движение, выполнение им его функций и миигие другое) связано с белковыми веществами. Без белков невозможно представить себе жизнь. [c.9]

Анализ вопроса этот автор начинает с рассмотрения возможных путей образования высокомолекулярных последовательностей — носителей информации . Роль последовательностей могут выполнять, например, остатки аминокислот, соединенные в полипептидные цепи. И белки и нуклеиновые кислоты — носители кода самоорганизация и эволюция должна начаться на уровне са-мовоспроизводящегося кода. Обсуждая вопрос о процессах сборки и распада поли.меров, протекающих в ящике конечного объема, через стенки которого могут втекать и вытекать мономерные единицы (высоко- и низкоэнергетические), Эйген приходит к выводу, что при oт yт твии самоинструктирования ожидаемое значение числа цепей с любой данной последовательностью практически равно нулю. Необходимо придать динамические свойства носителям информации , а в теории отбора должен фигурировать параметр, выражающий селективное преимущество через молекулярные свойства. [c.383]

В естественной для белков среде, водном окружении, полярное" расположение а-спиралей должно быть энергетически аевыгодным, поскольку обширная гидрофобная поверхность оказывается в контакте с водой. Поэтому, несмотря на то. что первоначальная автономная попарная укладка является привлекательным подходом для теоретического расчета [5,12-141, по-видимому, она яе соответствует реальному пути процесса самоорганизации. [c.142]

Бифуркационная теория сборки впервые смогла дать принципиальную и непротиворечивую трактовку важнейшим особенностям структурной самоорганизации белка самопроизвольному характеру возникновения и протекания всех стадий образования трехмерной структуры, большой скорости и безошибочности процесса при беспорядочно-поисковом механизме сборки. Теория указала направление и содержание дальнейшего изучения проблемы, которые привели к разработке физической конформационной теории и созданию априорного метода расчета. Теоретическое и практическое значение имело то обстоятельство, что бифуркационная модель сборки впервые позволила представить свертывание белковой цепи как спонтанно протекающий и строго детерминированный процесс, не требующий обязательного перебора всех возможных конформационных состояний и в то же время не ставящий под сомнение беспорядочность и случайность возникновения флуктуаций. Вызванная неравновесностью процесса автоселекция флуктуаций выявила призрачность проблемы множественности локальных минимумов на потенциальной поверхности белка. Она оказалась псевдопроблемой, возникающей исключительно благодаря привлечению К описанию процесса аппарата равновесной термодинамики и статистической физики. [c.7]

Решающую роль в создании количественного метода сыграли положения о гармонии всех внутриостаточных и межостаточных взаимодействий и их преобладающем энергетическом влиянии над взаимодействиями белковой цепи с молекулами и ионами окружающей среды. Одно из этих положений позволило разделить проблему структурной организации белка на три менее громоздкие и поддающиеся последовательному решению частные проблемы ближних, средних и дальних взаимодействий. В результате специально разработанной классификации пептидных структур на конформации, формы и шейпы стало возможным получение достоверных количественных данных о конфор-мационных состояниях целых наборов структурных вариантов различных таксономических групп, ограничившись детальным анализом их отдельных представителей. Классификация настолько сократила объем вычислительных работ, что сделала реальным расчет трехмерных структур бе лков, на первых порах низкомолекулярных. Изложенные в книге результаты априорных расчетов структур трипсинового ингибитора, сложного фрагмента нейротоксина II и большого числа олигопептидов, состоящих из десятков аминокислотных остатков, свидетельствуют об адекватном отражении предложенными теориями (бифуркационной и физической) структурной самоорганизации белков и пептидов и реальности предсказания их нативных конформаций. [c.8]

Гидрофобная модель основывается на предположении, что по ходу свертывания белковой цепи в центре флуктуирующего клубка возрастает концентрация гидрофобных остатков [16-18]. В рамках этих представлений наиболее популярной трактовкой механизма самоорганизации белка является в настоящее время гипотеза так называемой расплавленной глобулы (molten globule) [19-21]. Ее основные положения сводятся к следующим [c.84]

А. Ферштом еще одного варианта эмпирического подхода [11], который после необходимой коррекции может обрести значительный научный потенциал [2]. Подход универсален в изучении структуры и стабильности конечных и промежуточных состояний белковой цепи вне зависимости от присутствия остатков Суз. Он включает целый комплекс различных экспериментальных методов, но своим появлением обязан становлению в начале 1980-х годов генной инженерии, сделавшей доступными практически любые полипептидные последовательности стандартных аминокислот. В результате появилась возможность иметь сколь угодно представительный набор искусственных белковых аналогов, отличающихся от природного объекта числом и местом аминокислотных замен. Такие сайт-специфические белковые мутанты могут служить инструментами или зондами, позволяющими получать тонкую структурную информацию о процессе самоорганизации белка, недоступную никаким другим путем. Появление вместо одного объекта исследования набора целенаправленно модифицированных аналогов повышает интерпретационные возможности многих экспериментальных методов (ЯМР- и КД-спектроскопии, методов остановленной струи, изотопного обмена и др.), особенно при их комплексном использовании. [c.87]

Исследование процесса ренатурации барназы Ферштом и соавт. [31-33] (как и панкреатического трипсинового и ингибитора Крейтоном [29, 30]) подробно изложено во втором томе издания "Проблема белка" [2. Ч. III]. Анализ результатов привел к заключению, что первая попытка воссоздать на уровне отдельных аминокислотных остатков количественную картину всего пути свертывания белка, не содержащего дисульфидные связи, не достигла желаемой цели. Декларированный Ферштом порядок ренатурации не является неизбежным следствием объективного рассмотрения, а представляет собой один из многих правдоподобных вариантов. Принципиальное возражение заключается в несоответствии равновесной термодинамики и формальной кинетики - теоретической основы эмпирического подхода Фершта - сугубо неравновесному характеру процесса структурной самоорганизации белка. [c.88]

Неравновесная модель свертывания. Начнем обсуждение модели с определения минимального фазового и компонентного состава системы, обеспечивающей спонтанное протекание процесса в изолированных условиях. Не нарушая общности модели свертывания, во всяком случае, применительно к условиям in vitro, будем считать, что объектом рассмотрения является мономерный белок. Имеющиеся опытные данные о структурной самоорганизации белков позволяют представить укладку линейной аминокислотной последовательности в трехмерную структуру как внутримолекулярный процесс, который полностью определяется проявляющимися в соответствующих условиях свойствами единичной полипептидной цепи. Иными словами, свертывание не зависит от концентрации белка, и поэтому модель может включать лишь одну белковую молекулу. В систему должна входить также водная фаза. Для предварительного феноменологического описания процесса не требуется учет конкретных специфических свойств среды, обусловливающих реализацию заложенной в белковой цепи потенции к самоорганизации. Пока будем считать водное окружение гомогенным, обладающим необходимыми для сборки белка свойствами. [c.93]

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]

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 сфуктурной 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 2]. [c.100]

Рассматриваемая здесь задача является качественно иной, имеющей смысл только для избранных, главным образом, природных аминокислотных последовательностей. Поэтому ее решение может быть вьпюлнено лишь на основе самостоятельной теории, учитывающей выработанную эволюцией конформационную специфику белков, а именно статистикодетерминистический механизм структурной самоорганизации и детерминистическую (в отношении как статических, так и динамических свойств) природу нативных конформаций белковых молекул. Стремление описать сборку белка с чисто статистических позиций, не учитывающих гетерогенности цепи и взаимообусловленности поведения макроскопической системы от внутреннего строения микроскопических составляющих, объясняется иллюзорным представлением о том, что в этом случае можно идти по уже проторенному для синтетических полимеров пути и тем самым избежать разработки несравненно более сложного статистико-детерминистического подхода. Однако традиционный поиск решения не отвечает самой сущности рассматриваемого явления, и, следовательно, все попытки дать чисто статистическую трактовку структурной самоорганизации белка следует признать, как отмечалось, обреченными на неудачу (см. разд. 1.3). [c.101]

Таким образом, предполагается, что механизм структурной самоорганизации белка включает бифуркационные флуктуации трех ступеней. Флуктуации первой ступени отвечают низкоэнсргетическим конформа- [c.109]

Перед рассмотрением результатов, полученных здесь за последние годы, по-видимому, целесообразно обратить внимание на заведомую Обреченность исследований такого плана. Она обусловлена отсутствием у Проблемы множественности естественной основы и ее принадлежностью к нерешаемым в принципе псевдопроблемам. Столь неутешительный вывод Неизбежно следует из соображений общего порядка о невозможности ни по ходу биосинтеза белковой цепи, ни в процессе ее ренатурации, ни, тем более, при компьютерном поиске всех мыслимых конформационных вариантов. Сдерживает разработку подхода к априорному расчету механизма свертывания белка и его нативной структуры отнюдь не громоздкость задачи, ее математические и алгоритмические сложности. Проблема свертывания белка десятилетиями остается нерешенной исключительно из-за отсутствия понимания того, каким образом флуктуирующей белковой цепи при спонтанно протекающем случайно-поисковом Механизме удается избегать перебора всех конформационных состояний и ввертываться за считанные секунды. Выход из этой ситуации дает бифуркационная теория самоорганизации белка (см. разд. 2.1 и 16.3). А теперь обратимся к анализу литературы. [c.239]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология