Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Термодинамика и кинетика свертывания полипептидной цепи
Термодинамические аспекты
Переход между двумя термодинамическими состояниями цепи

В предыдущих разделах рассматривались изолированные полные структуры белков. Обсудим теперь спонтанное образование этих структур в процессе или после синтеза полипептидных цепей. Хотя некоторые аспекты процесса свертывания можно описать с помощью равновесной термодинамики, такое описание не исчерпывает всех сторон этой сложной проблемы. Для установления корреляций между аминокислотной последовательностью и трехмерной структурой необходимо понимание также и кинетики свертывания. В этой главе обсуждаются экспериментальные и теоретические данные, касающиеся термодинамического и кинетического аспектов образования белковых структур.

Процесс свертывания может быть описан с помощью обычных понятий физической химии. В процессе синтеза на рибосоме или после его завершения полипептидная цепь свертывается в свою нативную глобулярную структуру. Как правило, процесс свертывания происходит самопроизвольно в том смысле, что для его осуществления не требуется действия дополнительных факторов, например ферментов или присутствия рибосом. Наиболее убедительное подтверждение именно такого характера свертывания было получено после полного химического синтеза фермента рибонуклеазы [410, 411].

Принцип спонтанности был первоначально сформулирован на основе экспериментов по ренатурации, которые свидетельствовали о том, что после денатурации нативного белка и последующего удаления денатурирующего агента цепь повторно и самопроизвольно свертывается в исходную конформацию [94, 412]. Однако обоснованность такого заключения подвергалась определенным сомнениям вследствие того, что денатурация белка могла быть неполной.

Поведение синтетической рибонуклеази и денатурированных белков показывает, что самопроизвольно свертываются не только образующиеся, но уже полностью синтезированные цепи. В связи с этим процесс свертывания можно рассматривать как переход системы «цепь плюс растворитель» из состояния с более высокой свободной энергией (R, случайная конформация) в состояние с более низкой свободной энергией (N, нативная конформация). Для описания этого процесса достаточно обычных понятий физической химии.

При образовании нативной структуры в вакууме изменение связывающей энергии превосходит изменение энтропии. Переход из состояния R в состояние N описывается уравнением (3.2), приведенным в разд. 3.5. Рассмотрим вначале соотношение между энтропией цепи и связывающей энергией цепи, ∆S_цепь и ∆H_цепь (уравнение (3.2)). Возьмем полипептидную цепь из 100 остатков, образующую а-спираль. Энтропия цепи S_цепь = R ∙ ln W, где W — вероятность возникновения данной конформации, a R — газовая постоянная. Следовательно, различие энтропии между состояниями N и R связано с вероятностями конформаций, реализующихся в этих системах:

Для сравнения случайного и а-спирального состояний требуется оценить отношение WN/WR. В R-состоянии двугранные углы при данном С_а-атоме могут принимать любые значения в разрешенных областях карты (φ, ψ) (рис. 2.3, б), тогда как в N-состоянии возможны лишь значения (φ, ψ) в узкой области (—60°, —60°). Конформации боковых цепей не учитываются, т. е. полагают, что в обоих состояниях они имеют близкие значения энтропии. Если оценить а-спиральную область как 10% общей разрешенной области (рис. 2.3, б), то вероятность реализации у данного остатка а-спиральных углов составит 10%. Для всей цепи, состоящей из 100 остатков, вероятность будет равна приблизительно (0,1)¹⁰⁰, что дает

Если пренебречь величиной ∆Gрастворитель т. е* рассматривать полипептидную цепь в вакууме, то получим

Поэтому образование спирали индуцируется (величина ∆G_цeпь становится отрицательной) в том случае, когда приходящаяся на остаток связывающая энергия превышает 1,43 ккал/моль, т. е. энергию, легко получаемую при образовании водородной связи. В этом примере изменение температуры на 1°С отвечает изменению константы равновесия К между нативной и случайной конформациями в 2,1 раза, что следует из уравнения (3.1). Таким образом, даже малые изменения температуры оказывают сильное воздействие на положение равновесия в том смысле, что при высоких температурах цепи легче компенсируется связывающая энергия и принимается случайная конформация. Такое положение свойственно системе с большими, но хорошо сбалансированными вкладами энтропии и связывающей энергии.

Высокоподвижные цепи не могут образовывать определенные структуры. Предшествующие замечания позволяют нам обсудить роль ß-аминокислот при образовании белковых структур (разд. 1.2). В ß-аминокислотах возможно свободное вращение вокруг связи С_а—С_β (рис. 1.4). Поэтому для одного остатка вероятность принятия им вполне определенного строения в основной цепи составляет не 0,1, а только около 0,003 (если рассматривать поворот на приблизительно каждые 10° вокруг связи С_а—С_β как отдельную структуру), и величина ΔS_цепь для 100 остатков становится равной около—1,2 ккал ∙ град^-1∙ моль^-1, что в 2,5 раза больше, чем для а-аминокислот в уравнении (8.1). Компенсировать такую большую энтропию цепи почти невозможно как одной величиной невалентной связывающей энергии в вакууме, так и в совокупности с энтропией растворителя.

Таким образом, цепь ß-аминокислот, по-видимому, не способна самопроизвольно принимать определенную структуру. Эти же соображения применимы и ко всем другим типам цепных молекул; высокая подвижность препятствует образованию определенной структуры.