Проблема сворачивания белка


А. БЕН-НАИМ





                ПРОБЛЕМА СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКА




Перевод с английского под редакцией В.А. Яворского







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2015

  А. Бен-Наим
   Проблема сворачивания белка. Пер. с англ.: Учебное пособие / А. Бен-Наим — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2015. — 256 с.
   ISBN 978-5-91559-202-4

   Проблема сворачивания (фолдинга) белка еще не имеет общепризнанного окончательного решения. В связи с этим данная проблема вызывает интерес исследователей по всему миру.
   В своей работе автор проводит подробный обзор идей и теорий относительно сворачивания белков и взаимодействий, обуславливающих направление и скорость этого процесса. На конкретных примерах он показывает несостоятельность распространенной теории «преобладания гидрофобных взаимодействий» при сворачивании белка. Вместе с тем он выдвигает новую идею о «преобладании гидрофильных взаимодействий».
   Также в книге рассмотрены методологические вопросы о том, что такое сворачивание белка, как можно сформулировать проблему сворачивания белка и каким может быть общее решение этой проблемы.
   Учебное пособие представляет интерес для студентов и преподавателей биофизических, биохимических и медицинских специальностей, а также для специалистов в области протеомики и органических функциональных материалов.











  ISBN 978-5-91559-202-4
  ISBN 978-9814436359 (англ.)

                            © 2013 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
                            © 2015, ООО «Издательский Дом «Интеллект», перевод, оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ











Предисловие редактора перевода.......................6
Предисловие автора...................................8

Глава 1
В ЧЕМ СОСТОИТ ПРОБЛЕМА СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКА?......... 11
   1.1. Проблема (1): Можно ли предсказать трехмерную структуру белка по последовательности аминокислот?. 16
   1.2. Проблема (2): Каковы основные факторы, определяющие скорость и направление сворачивания белков?.........21
   1.3. Проблема (3): Каковы основные факторы, стабилизирующие нативную структуру белка?.........23
   1.4. Основные уравнения, связанные с процессами сворачивания и разворачивания белков..............25

Глава 2
ПОЧЕМУ РЕШЕНИЕ ПСБ ТАК ДОЛГО БЫЛО
НЕУЛОВИМЫМ?.........................................31
   2.1. Сравнение целевого и причинно-следственного подходов............................................31
   2.2. Поиск абсолютного минимума на энергетическом профиле Гиббса......................................39
   2.3. Миф о преобладании гидрофобности............60

Глава 3
КАКОВЫ ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ НАТИВНУЮ СТРУКТУРУ БЕЛКА?
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ (3)...................64
   3.1. Изменение энергии Гиббса при сворачивании белка.65
   3.2. Прямые и косвенные взаимодействия...........69
   3.3. Анализ влияния растворителя на изменение энергии Гиббса..............................................72
   3.4. Обобщение факторов, влияющих на устойчивость нативного состояния белка...........................77

—I Оглавление

Глава 4

КАКОВЫ ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НАПРАВЛЕНИЕ И СКОРОСТЬ СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКА?
ОТВЕТ НА МЕХАНИЗМ ПРОБЛЕМЫ (2).....................80
   4.1. Уточнение проблемы (2)................................81
   4.2. Происхождение сил, действующих на белок, прямых и косвенных.....................................84
   4.3. Силы, действующие на группы белков.........93
   4.4. Силы, действующие на белок и определяющие движение белка................................ 101
   4.5. Теоретические модели, показывающие, как мощные силы могут определять направление и скорость сворачивания белка............................ 106
   4.6. Заключение............................... 109

Глава 5
СУЩЕСТВУЕТ ЛИ КОД СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКА? ОТВЕТ НА ПРЕДСКАЗУЕМУЮ ПРОБЛЕМУ (1).............. 111
   5.1. Можно ли «прочитать» структуру белка в аминокислотной последовательности? ......... 113
   5.2. Можно ли вычислить структуру белка, задаваемую произвольной последовательностью аминокислот?.... 120
   5.3. Заключение............................... 124

Главаб
ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКА ПОД ВЛИЯНИЕМ ХОЛОДА, ДАВЛЕНИЯ И РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ.................. 125
   6.1. Холодовая денатурация белка.............. 125
      6.1.1. Качественные причины холодовой денатурации белка. 133
       6.1.2. Простая модель, демонстрирующая тепловую и холодовую денатурацию белка............. 136
      6.1.3. Заключение, касающееся холодовой денатурации белка.... 147
   6.2. Денатурация белка под влиянием давления.. 149
   6.3. Денатурация белка под влиянием растворенных веществ....................................... 156

Приложение А
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ ГИББСА ДЛЯ БЕЛКА......................... 160

Приложение 1
УСЛОВИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ....................................... 167

Оглавление -!\r      5

Приложение 2
МОЖЕТ ЛИ ОБЕЗЬЯНА ДОКИНГА ОБЪЯСНИТЬ ЭВОЛЮЦИЮ?............................... 168

Приложение 3
ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ
ПРОФИЛЕМ ГИББСА, ПОТЕНЦИАЛОМ СРЕДНЕЙ СИЛЫ И ФУНКЦИЕЙ ПАРНОЙ КОРРЕЛЯЦИИ....... 171

Приложение 4
НЕАДДИТИВНОСТЬ ФУНКЦИИ ЭНЕРГИИ ГИББСА..... 175

Приложение 5
СОЛЬВАТАЦИЯ И УСЛОВНАЯ СОЛЬВАТАЦИЯ ГИДРОФОБНЫХ И ГИДРОФИЛЬНЫХ ГРУПП........ 186

Приложение 6
ГИДРОФОБНЫЕ И ГИДРОФИЛЬНЫЕ ПАРНЫЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ВЛИЯНИЕМ РАСТВОРИТЕЛЯ............................ 207

Приложение 7
ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВО ВНУТРЕННЕЙ ОБЛАСТИ БЕЛКА............................220

Приложение 8
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАСТВОРИТЕЛЯ НА СВОРАЧИВАНИЕ
БЕЛКА....................................223

Приложение 9
ЧТО МЫ ПОДРАЗУМЕВАЕМ ПОД НАТИВНОЙ
СТРУКТУРОЙ И ДЕНАТУРИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ БЕЛКА?...................................226

Приложение 10
ПРОСТАЯ КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ, ПОКАЗЫВАЮЩАЯ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИДРОФИЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
И ИХ НЕАДДИТИВНОСТЬ..................... 230

Приложение 11
ПРОСТАЯ МОДЕЛЬ МАРКОВСКОЙ ЦЕПИ ДЛЯ ПРОЦЕССА СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКА...................... 242

Список литературы.........................248

            ПРЕДИСЛОВИЕ
            РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА









           Белки — это универсальные биополимеры, которые выполняют весь спектр биологических функций. Конечно, другие классы молекул также важны — нуклеиновые кислоты являются основой для хранения и передачи наследственной информации, липиды берут на себя структурную и формообразующую функции, но именно белки играют максимум ролей в биологическом мире.
   Разработка новых белков-ферментов, способных послужить на благо общества, выпуск новых поколений лекарственных молекул требует умения проектировать новые трехмерные структуры, обеспечивающие новые функции в белках, ранее выполнявших какую-то другую работу. Белки представляют собой живые функциональные материалы, изменяющие свои структуру и свойства при различных условиях окружающей среды (температуры, давления, свойств растворителя). Изучение пространственной структуры белков, в значительной мере определяющей их механизм функционирования при различных внешних условиях, является важным как в фундаментальных исследованиях, так и в медицине, фармацевтике, химической и пищевой промышленности, в перспективе — в энергетике.
   Отметим, что проблема сворачивания (фолдинга) белка еще не имеет общепризнанного окончательного решения. В связи с этим данная проблема вызывает интерес исследователей по всему миру.
   В своей работе автор проводит подробный обзор идей и теорий относительно сворачивания белков и взаимодействий, обуславливающих направление и скорость этого процесса. На конкретных примерах он показывает несостоятельность распространенной теории «преобладания гидрофобных взаимодействий» при сворачивании белка. Вместе с тем он выдвигает новую идею о «преобладании гидрофильных взаимодействий». Вместо энергии энергетического профиля предлагается использовать энергетичес

Предисловие редактора перевода

Л

7

кий профиль Гиббса, причем белку может быть доступна только часть пространства конформационных состояний, к которому может не принадлежать глобальный минимум.
   Также в книге рассмотрены методологические вопросы о том, что такое сворачивание белка, как можно сформулировать проблему сворачивания белка и каким может быть общее решение этой проблемы. Однако здесь вы не найдете практического, технического или справочного пособия по сворачиванию конкретных белков, использованию специализированных программ, баз данных или методик расчета трехмерной структуры белков «для чайников».
   Хотя работы автора, по его словам, получили много негативных отзывов, вспомним, что научные истины не устанавливаются голосованием и не принимаются простым большинством. В любом случае, многим будет интересно узнать взгляд «со стороны» на, казалось бы, известные идеи и мнения.
   Изучение материала, представленного в данной книге, может быть дополнено чтением дополнительной литературы, как российских авторов, так и переводных изданий:
   •    Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. — Изд-во КДУ, 2012.
   •    Андрианов А.М. Конформационный анализ белков. Теория и приложения. — Изд-во «Беларуская Навука», 2013.
   •     Хельтье Х.-Д., Зиппль В., РоньянД., Фолькерс Г. Молекулярное моделирование. Теория и практика. — Изд-во «Бином. Лаборатория знаний», 2013.
   •    Мюльберг А.А. Фолдинг белка. — Изд-во Санкт-Петербургского университета, 2004.
   •    Попов Е.М. Проблемы белка. Т. 3: Структурная организация белка. — Изд-во «Наука», 1997.
   Также рекомендуем читателям ознакомиться с классическими учебниками таких выдающихся российских ученых, как Волькен-штейн М.В., Степанов В.М., Чернавский Д.С., РубинА.Б., посвященных структурной организации белков.
   Надеюсь, что читатели, увлекающиеся и физикой, и биологией, с удовольствием ознакомятся с данной книгой. Она, несомненно, представляет интерес для студентов и преподавателей биофизических, биохимических и медицинских специальностей, а также для специалистов в области протеомики и органических функциональных материалов.

            ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА










           В июле 2011 г. я читал лекцию в Университете Торонто, в Канаде. На этой лекции, среди всего прочего, я сказал, что гидрофильные взаимодействия наиболее близки к тому, в чем мы надеемся увидеть решение проблемы сворачивания белка (ПСБ).
   После лекции парень, который занимался расчетами сворачивания белков, подошел ко мне и спросил: «Вы действительно можете свернуть белок с помощью гидрофильных взаимодействий?»
   «Да, конечно, — отрывисто ответил я. — Фактически, я делаю это каждую секунду и в каждой клетке своего тела». Мы оба улыбнулись. Он, очевидно, ожидал совершенно другого ответа.
   Эта шутливая история не была единичным случаем, когда я испытывал что-то подобное этому. Через достаточно длительное время я понял, что у разных людей разные взгляды на то, что такое проблема сворачивания белка (ПСБ). Эта книга представляет мой взгляд на основные вопросы, связанные со сворачиванием белка, также как и на возможные ответы. Прежде чем приступить к написанию этой книги, я опросил моих друзей и коллег об их точке зрения на основную проблему, связанную с явлением сворачивания белка. Я буду обсуждать результат этого опроса в гл. 1. Консенсусный вид «средней» ПСБ состоит, по существу, из трех проблем:
   1.    Какова взаимосвязь между последовательностью аминокислот и нативной структурой белка?
   2.    Каковы основные факторы, ускоряющие сворачивание белков?
   3.    Каковы основные факторы, обеспечивающие устойчивость нативной структуры белка?
   Как мы увидим из обсуждения в гл. 1, проблема (1) не имеет общего ответа. Другими словами, не существует общего «кода»,

Предисловие автора

Л

9

переводящего аминокислотную последовательность в трехмерную структуру. Относительно второй и третьей проблем действительно есть общие ответы.
    Читатель, знакомый с литературой по биохимии, вполне может быть поражен, прочитав предыдущий абзац. Откройте любой учебник, обзорные статьи или конкретную статью о сворачивании белка, и вы, вероятно, найдете утверждение, описывающее ПСБ как наиболее запутанную проблему в области молекулярной биологии.
    Цель этой книги — доказать утверждение, что проблемы (2) и (3) имеют общее решение, тогда как проблема (1) такового не имеет. Я надеюсь, что эта книга будет способствовать прояснению рассматриваемой проблемы в целом.
    Читатель может задаться вопросом: почему, несмотря на свою простоту, ПСБ по-прежнему считается наиболее заманчивой, трудной, сложной, грозной, а также имеет множество других устрашающих описаний?
    Ответ на этот вопрос является весьма длинным и подробно обсуждается в гл. 2. Здесь я кратко расскажу о том, что ПСБ напоминает мне историю или, скорее, шутку о человеке, который потерял ключи во время прогулки по темной улице. Вместо того чтобы искать ключи в том месте, где они скорее всего потерялись, он идет к ближайшему фонарному столбу и ищет там. Это именно то, что случилось с проблемами (2) и (3). Люди ищут решение («ключ» к пониманию ПСБ) в неправильных местах, где найти его практически невозможно, таким образом, делая поиск наиболее заманчивым, сложным, грозным, а также бесполезным занятием. Что еще более парадоксально, так это даже тогда, когда свет уже ярко осветил решение, люди продолжают искать там, где оно не может быть найдено. Некоторые утверждали, что они нашли ключ, но, увы, это был неправильный ключ...
    Что касается проблемы (1), люди искали не только там, где ключ не может быть найден, но что более важно, они искали «ключ», которого вообще не существует.
    Я отдаю себе отчет в загадочности сказанного выше. Я также уверен, что некоторые из читателей приподнимут бровь и, возможно, прекратят читать книгу на этом месте. Я точно знаю, что такие люди существуют, получив так много презрительных комментариев от рецензентов статей, которые посылал для публикации.

¹⁰ -V

Предисловие автора

   Я предлагаю эту книгу для тех читателей, которые свободно мыслят и не зациклены на старых парадигмах, таких как преобладание гидрофобных эффектов. Я надеюсь, что эта книга не только прояснит суть ПСБ, но и откроет глаза читателя на другие приложения богатого и мощного репертуара гидрофильных эффектов.
   Эта книга организована таким образом, что ее может прочитать любой, кто знает, что такое белки, и обладает некоторыми знаниями основ термодинамики. Чтобы сохранить поток изложения идей плавным и не увязнуть в технических вопросах, я собрал их в разделе «Примечания» и в приложениях в конце книги.
   В отличие от многих заявлений, сделанных в литературе, понимание ПСБ и его решения не зависит от знания статистической физики. С одной стороны, статистическая физика важна для понимания взаимодействий и сил, вызванных влиянием растворителя. Однако после того, как вы ознакомились с этим фактом, нет необходимости применять методы статистической физики для «решения» ПСБ.

ГЛАВА

1



            В ЧЕМ СОСТОИТ ПРОБЛЕМА СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКА?












           Если проанализировать литературу по проблеме сворачивания белка (ПСБ), то, скорее всего, обнаружится много различных ее формулировок. В этой главе «обобщено», как именно может выглядеть «усредненная» формулировка ПСБ. По существу, есть три разных проблемы, которые вместе и составляют ПСБ. К ним относятся следующие¹ * * * * * * В.

    ¹ Существуют другие, не менее интересные и не менее сложные пробле-

мы, связанные с белками, такие как явление холодовой денатурации, денатурации под влиянием давления или добавлении растворенных веществ. Они будут кратко рассмотрены вгл.б.

    Есть много различных формулировок ПСБ. Дилл (Dill) и др. (2007) выделяют три разных задачи:

    1. Определение термодинамического кода сворачивания белка.

    2. Вычислительная задача по предсказанию нативной структуры белка по его

аминокислотной последовательности.

    3. Скорость сворачивания белка (парадокс Левинталя) — кинетической вопрос о том, каким образом сворачивание белка может происходить так быстро.

    В целом я согласен с такой постановкой задач. Однако я не согласен с ответами или с решениями, описанными в этой статье.
    Во-первых, в задаче (1) мне не нравятся ссылки на «термодинамический код сворачивания белка». Во-вторых, что еще более важно, я не согласен с утверждением:
        «При использовании статистического механического моделирования в конце 1980-х гг. появилась иная точка зрения — а именно, что существует преобладающий компонент кода сворачивания (гидрофобное взаимодействие), что код сворачивания распределен как локально, так и не локально в последовательности, и что нативные вторичные структуры являются скорее следствием, чем причиной сил сворачивания».
    На мой взгляд, никакое «статистическое механическое моделирование» в принципе не может показать, что существует преобладающий компонент в коде сворачивания (гидрофобное взаимодействие)...

¹² Д.

Глава 1

    1.    Можно ли предсказать трехмерную структуру белка на основе последовательности аминокислот?
    2.    Каковы основные факторы, влияющие на «скорость» и «направление» сворачивания белка в уникальную трехмерную структуру за относительно короткий промежуток времени?
    3.    Каковы основные факторы, которые придают устойчивость трехмерной структуре белка?
    Первая проблема, вероятно, происходит из термодинамической гипотезы Анфинсена². На основе своих исследований ренатуриро-вания рибонуклеазы in vitro Анфинсен делает вывод: «...нативную конформацию белка определяет совокупность межатомных взаимодействий и, следовательно, аминокислотная последовательность в данной среде».
    Это утверждение равносильно тому, что информация о нативной структуре белка уже содержится в последовательности аминокислот. Оно остается верным даже тогда, когда не определен тип «информации», содержащейся в последовательности. Третьим утверждением, встречающимся в литературе, но которое, на


    То, что получается из моделей, зависит от того, что было заложено в модель. «Преобладающий компонент» не мог возникнуть из статистического механического моделирования, но был введен в статистическую механическую модель. Поэтому такие заявления могут ввести в заблуждение неискушенного читателя, который не знаком со статистической механикой, и заставить его поверить, что преобладающий компонент, то есть гидрофобное взаимодействие, является общепризнанным фактом (основанным на статистической механике). К сожалению, многие авторы учебников по биохимии попали в эту ловушку.
    Кроме того, что означает «код сворачивания распространяется как локально, так и не локально в последовательности»? Если слово «код» используется в общепринятом значении, то бессмысленно говорить, что код распространяется «как локально, так и не локально». С другой стороны, если фраза «код сворачивания» используется как смутный и недостаточно определенный термин «термодинамический код сворачивания», то его «распределение» в последовательности также бессмысленно.
    Наконец, эти авторы приходят к выводу:
    Даже неразрешимая головоломка Левинталя теперь, по-видимому, имеет очень простой ответ: белок может быстро сворачиваться и решать большую головоломку глобальной оптимизации просто через решение кусочков головоломок меньших размеров.
    Никогда не было «неразрешимой головоломки Левинталя», и белок не может «решать большую головоломку глобальную оптимизации ...» (см. также гл. 2 и 5).
    ² Anfinsen (1973).

Глава 1

Дг ¹³

мой взгляд, не равносильно гипотезе Анфинсена, является предположение о существовании своего рода «кода», преобразующего линейную последовательность в трехмерную структуру. Этот код называют «вторым переводом генетического сообщения»³, «второй половиной генетического кода»⁴, или просто «второй четвертью» генетического кода⁵. Таким образом, центр внимания был перенесен от «предсказания» трехмерной структуры к расшифровке кода, с помощью которого происходит переход от последовательности к трехмерной структуре⁶. В 1991 г. в журнале «Scientific American» Ричардс опубликовал отличную обзорную статью на тему «Проблема сворачивания белка»⁷. Вот цитата из вступительного параграфа:


      «В конце 1950-х гг. Кристиан Б. Анфинсен и его коллеги из Национального института здравоохранения сделали замечательное открытие. Они изучали давнюю загадку в биологии: что заставляет новоиспеченные белки, похожие на свободно свернутые нити и являющиеся неактивными, сматываться в клубки особой формы, способные выполнять важные задачи в живой клетке? В ходе исследований ученые обнаружили, что ответ проще, чем можно было подумать.
      Как оказалось, аминокислотная последовательность белка, одномерная по своей сути, полностью определяет конечную трехмерную форму молекулы и ее биологическую активность. (Белки построены из набора всего 20 аминокислот, собранные в цепочку в соответствии с инструкциями, заложенными в генах.) Внешние факторы, такие как ферменты, могут катализировать сворачивание, но не являются обязательными участниками этого процесса».

    Ричардс правильно определил главные проблемы: «Что заставляет новоиспеченные белки... сматываться в клубки особой формы?..».


    ³ Goldberg (1985).

    ⁴ Kolata (1986).

    ⁵ Wolynes (2005).

    ⁶ Есть много авторов, считающих, что расшифровка «кода сворачивания» является наиболее важной задачей — King (1989), Go (1984).

     ⁷ Richards (1991).