Моделирование структуры белка в свете информационных технологий

Вопрос моделирования структуры белка по его аминокислотной последовательности является одним из ключевых в современной теоретической биологии. Решение этой проблемы позволит многократно увеличить отдачу от многочисленных проектов по секвенированию геномов различных организмов, включая относительно недавно завершенный проект секвенирования генома человека, и перевести исследования на уровень протеомов, т. е. совокупности всех белков организма.

Исторически появление вопроса моделирования пространственной структуры белка по его аминокислотной последовательности можно отнести к 1956 г. и работам К. Б. Анфинсена по денатурации/ренатурации фермента рибонуклеазы. Хотя в своей нобелевской лекции сам Анфинсен упоминает более ранние наблюдения ряда ученых об обратимости процесса денатурации белков при прекращении действия денатурирующего агента, сделанные еще в 1930;х (1950;х) гг., именно с цитирования принципов, предложенных Анфинсеном, начинаются многие научные работы, посвященные исследованию вопроса моделирования пространственной структуры белка по его аминокислотной последовательности.

В ходе своих исследований Анфинсен частично раскрутил цепь белка рибонуклеазы — денатурировал ее и химически разрушил содержащиеся в ней четыре дисульфидные связи. В результате денатурации получилась хаотически скрученная (и потому неактивная) цепочка аминокислот. Затем он обнаружил, что при переводе такой неупорядоченной структуры в химическую среду, близкую к физиологическим условиям, ее активная третичная структура постепенно восстанавливается. Отличие данного исследования от более ранних работ, по словам Анфинсена, заключалось в особенностях самого объекта (рибонуклеазы), поскольку из множества возможных комбинаций цистеинов в дисульфидные связи лишь одна обладает ферментативной активностью (рис. 3.36).

Рис. 336. Схематичное изображение бычьей панкреатической рибонуклеазы (черные прямоугольники — дисульфидные связи между аминокислотными остатками цистеина)

К 1962 г. Анфинсен завершил это физико-химическое исследование. В соответствии с его точкой зрения третичная структура активной рибонуклеазы формируется в результате реорганизации при физиологических условиях, причем активная конформация обладает наименьшей энергией и, следовательно, является наиболее стабильной. При этом сама аминокислотная последовательность определяет как третичную структуру фермента, так и его функциональную активность. Анфинсен показал, что необходимая информация заключена в линейной последовательности аминокислот пептидной цепочки и что никакой дополнительной генетической информации не требуется. Такое представление о структуре полипептидов получило название термодинамической теории.

Следует сразу оговориться, что к процессу моделирования структуры белка, как и к любой биологической задаче, неприменимы строгие формулировки, в частности, следует отметить ряд уточнений, которые были привнесены позже:

• 1) не все белки способны восстанавливать свою структуру после денатурации. Это может быть вызвано рядом факторов:
  • • слишком большие размеры белка или большое количество дисульфидных связей и (или) остатков пролина в аминокислотной последовательности. В этих случаях белку для принятия нативной конформации могут потребоваться белки-помощники (шапероны);
  • • изменения, внесенные в первичную структуру белка, после того как он уже принял нативную конформацию. Ярким примером подобной модификации может служить молекула инсулина, синтезируемая в клетке в виде единой цепи проинсулина, из которого после сворачивания вырезается пептид длиной в 32 аминокислоты. Получившиеся после этого Аи Б-цепи инсулина неспособны к рефолдингу;
• 2) глобальный энергетический минимум для белковой молекулы не всегда соответствует нативному состоянию. Связано это с тем, что сворачивание белков — кинетический процесс, в ходе которого происходит поиск наиболее выгодной конформации на «ландшафте сворачивания»^[1] (рис. 3.37), и глобальный минимум в данном случае может быть отделен непреодолимым «кинетическим барьером».

Рис. 3.37. Ландшафт сворачивания на примере модели мономера лактозного репрессора:

координаты Q и р^со показывают долю нативных контактов и средний порядок контактов в данной конформации. Нативное состояние обозначено буквой d. Процесс сворачивания идет из состояния а через промежуточное состояние с, при этом даже на начальном этапе сворачивания возможно формирование структур с большим числом дальних контактов и низким процентом нативных Ь. Примерно 1% симуляций сворачивания проходили не через основной интермедиат складывания с, а через альтернативный путь х

График представленный на рис. 3.37, отражает результаты множества симуляций сворачивания мономера репрессора лактозного оиерона.

По осям графика отложены Q — доля контактов, характерных для корректно сложенной молекулы в текущей конформации белка, и СО — средний порядок контактов в данной конформации, определяемый как.

где L — число аминокислотных остатков в белке; N — общее количество контактов в текущей конформации; A5,-j — расстояние между контактирующими остатками по цепи.

Третья координата — плотность распределения конформаций. Средний порядок контактов в данном случае отражает сложность пространственной структуры молекулы, так как данный показатель растет при увеличении числа контактирующих остатков, далеко отстоящих по цепи друг от друга, т. е. при формировании упорядоченной третичной структуры. Очевидно, что при сворачивании белок проходит через несколько энергетически невыгодных участков (с низкой плотностью конформаций) — это так называемые барьеры сворачивания. Также рисунок дает представление о том, что процесс сворачивания может происходить разными путями.

• [1] В большей степени это применимо к белкам длиннее 100 аминокислот, сворачивающимся через интермедиаты складывания (промежуточные метастабильные конформации).Короткие пептиды, как правило, сворачиваются в ходе двустадийного процесса.