А.А. Замятнин, Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, г.Москва
Увидевв заголовке статьи термин «слабые взаимодействия», возможно, кто-то подумает, чторечь пойдет об элементарных частицах. Не знаю, разочарую я их или нет, но далееникакого упоминания об элементарных частицах не будет.
Делов том, что термин «слабые взаимодействия» (как, впрочем, и сильные) врезультате несоблюдения семантической гигиены (термин Н.В.Тимофеева-Ресовского) используется не только в физике элементарных частиц. Вчастности, эти взаимодействия характерны для огромного числа органическихвеществ, среди которых особое положение занимают вещества биологической природы– белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и многие другие. Их структураопределяется двумя факторами.
Атомыв молекулах этих веществ соединены ковалентными связями (сильныевзаимодействия), формирующими химическую структуру. Однако реальнаяконфигурация зависит от наличия у них разнообразных химических групп, которыевнутри молекулы на основании законов физики могут специфическивзаимодействовать друг с другом (слабые взаимодействия) и формироватьуникальную пространственную структуру. Более того, возникающая при этом системаслабых внутримолекулярных взаимодействий в силу ряда причин может изменяться, перестраиваться,в результате чего молекула приобретает разнообразные формы и наделяетсяспособностью участвовать еще и во множестве слабых межмолекулярныхвзаимодействий.
Межмолекулярныевзаимодействия являются первичным актом многоэтапного процесса, которыйзаканчивается макроскопическими изменениями живого организма. Сложность имногообразие системы слабых взаимодействий в живой природе требует отисследователя использования разнообразных методов и подходов, большинство изкоторых на сегодняшний день основаны на высоких технологиях.
/>
«Клеверный лист» молекулы транспортной РНК образуется за счет внутримолекулярных слабых взаимодействий (водородных связей) между азотистыми основаниями
Наиболееярко продемонстрировать слабые взаимодействия можно на примере белков, длякоторых из-за отсутствия теоретической базы до сих пор не решенафундаментальная задача формирования пространственной структуры и не яснымеханизмы их взаимодействия с многими другими молекулами.
Насегодняшний день известно около 2 млн белков с разной химической структурой, синтезируемыхособыми структурными элементами живой клетки – рибосомами. Молекулы всех белковобладают общим свойством: их характеризует линейная последовательностьповторяющихся трех химических групп, соединенных ковалентными связями, которыепредставляют собой остов белковой молекулы. Вокруг этих связей можетпроисходить вращение. К одной из трех групп (всегда одной и той же) присоединенспецифический боковой радикал (один из 20 возможных). Участок остова, состоящийиз трех химических групп с присоединенным боковым радикалом, представляет собойаминокислотный остаток. В процессе синтеза белка на рибосоме аминокислотныеостатки образуются из аминокислот и занимают свое положение в белке, соединяясьдруг с другом специфической ковалентной связью, называемой пептидной. Поэтомувсе соединения такого типа называются пептидами. Число аминокислотных остатковв одной молекуле может превышать 30 тыс.
/>
Слабыевзаимодействия, например водородные связи, между химическим группами остова во многихбелках приводят к образованию в них регулярных участков, представляющих собойспирали или слоистые структуры. Однако уникальная пространственная структураобразуется с участием и ряда других слабых взаимодействий между боковымирадикалами. Большое их число (несмотря на слабость) обусловливает то, чтобелковая молекула может обладать стабильной пространственной конфигурацией.
Среди20 видов боковых радикалов имеются заряженные (положительно или отрицательно), гидрофобные,гидрофильные, содержащие циклические группы и др. Их сближение характеризуетсяцелым спектром слабых взаимодействий: ионных, ион-дипольных, диполь-дипольных(разнообразных вандерваальсовских – совокупность ориентационных, индукционных идисперсионных сил), гидрофобных и др. Энергия U слабых взаимодействий в разнойстепени n зависит от расстояния r между взаимодействующими элементами:
U~ 1/rn.
Длясравнения в таблице представлены характеристики различных типов слабыхвзаимодействий и ковалентных связей (сильные взаимодействия) в белках.Тип взаимодействий n Энергия, кДж/моль Ковалентные связи – >300 Ионные взаимодействия 1 Диполь-дипольные взаимодействия
(вандерваальсовские) 4, 6 4–100 Водородные связи 2 10–30
Особоеместо в формировании структуры белка принадлежит гидрофобным взаимодействиям, которыевозникают из-за отталкивания молекул воды неполярными боковыми группами. Врезультате часто образуется гидрофобное ядро молекулы.
/>
Схематическоеизображение биологического устройства биологической мембраны.
Всеее компоненты связаны между собой слабыми взаимодействиями
Макроскопическийфизиологический процесс может проявиться в результате слабых взаимодействийдаже в одной (!) или нескольких парах сблизившихся молекул. Например, привзаимодействии пептидной молекулы с белковым рецептором нервной системыпроисходит сокращение мышцы. При этом осуществляются слабые взаимодействия внескольких контактах, т.е. в соответствии с таблицей энергия суммарноговзаимодействия, например 5 контактов, составит величину порядка 105 Дж/моль или(с учетом числа Авогадро) ~10–19 Дж на одну взаимодействующую пару молекул. Какже мала эта величина по сравнению с 10 Дж, характеризующими работу, совершаемуючеловеком при поднятии 1 кг груза на высоту 1 м!
Сегодняпри наличии сравнительно несложного и недорогого оборудования расшифровкахимических структур не представляет труда и за эту работу не присуждаютНобелевских премий, как это было всего полвека назад. Иначе обстоит дело спространственной структурой. Ее определяют, используя два мощных идорогостоящих физических метода – рентгеноструктурный анализ (РСА) и ядерныймагнитный резонанс (ЯМР). С помощью РСА впервые были определеныпространственные структуры достаточно больших белковых молекул – миоглобина игемоглобина, и за эту работу авторы были удостоены Нобелевской премии. Сейчас сприменением этого метода установлена пространственная структура уже несколькихтысяч белков. С помощью ЯМР ежегодно определяются десятки структур сравнительнонебольших молекул.
Несмотряна явный прогресс, расшифровка пространственных структур остается весьматрудоемким и дорогостоящим процессом. Так, определение структуры лишь одногобелка методом РСА требует работы большого коллектива в течение почти года истоит около 300 тыс. долларов. Можно себе представить, сколько времени и денегпонадобится для определения пространственных структур миллионов белков, еслиследовать этим путем.
Очевидно,возникает вопрос: если природа из множества возможных пространственных структурбелка однозначно формирует только одну, то, видимо, это определяется уникальнойпоследовательностью его аминокислотных остатков? А может быть, зная этупоследовательность, используя существующие на сегодняшний день высокиетехнологии, можно смоделировать процесс сворачивания и получитьпространственную структуру без огромных затрат времени и денег? Такой вопросвозник уже около 40 лет назад, и многие физики, осознав важность проблемы, занялисьее решением, потратив на это большую часть свого времени, а некоторые даже ивсю жизнь. Однако проблема так и остается нерешенной. Почему?
/>
Альфа-спирали в белках тоже образуются за счет внутримолекулярных водородных связей
Причинэтому несколько. Физики долгое время рассматривали молекулы белков какстатистический ансамбль, который может быть подвергнут анализу методамитеоретической физики. Они брали последовательность аминокислотных остатковбелка и, исходя из того, что данная система должна стремиться ктермодинамическому равновесию, методами молекулярного моделирования сворачивалилинейную молекулу белка, отыскивая конфигурацию с минимальной энергией, которуюполагали соответствующей пространственной структуре. В этом случаемоделирование начиналось с уже полностью приготовленной белковой молекулы.
Нодаже из энергетических соображений невозможно себе представить, чтобы большаямолекула белка сначала полностью образовалась в виде линейной структуры, атолько потом начала бы сворачиваться. Да и в природе все происходит иначе.Линейная последовательность аминокислотных остатков выходит из синтезирующегоаппарата рибосомы всегда одним и тем же (из двух возможных) концом и, шаг зашагом удлиняясь, приобретает определенную форму. Это сворачивание, сопровождающеетрансляцию, называется ко-трансляционным фолдингом.
Болеетого, рассматривавшиеся физиками белки обычно были только частью аминокислотнойпоследовательности, синтезированной на рибосоме. Полная последовательность всвоей начальной области может содержать короткие, так называемые пре- ипро-участки. Эти участки впоследствии отщепляются подобно ступеням космическихаппаратов (но в обратном порядке), и только тогда оставшаяся часть становитсяфункциональным белком. Поэтому возникает вопрос: идентична ли структура самогобелка структуре его предшественника? Как недавно выяснилось, белок можетприобрести совершенно другую конфигурацию после удаления даже единичныхконцевых аминокислотных остатков.
Существуюти другие причины, которые усугубляют трудности, связанные с теоретическимвыявлением пространственной структуры белка. К ним относится учет влияниямолекул воды, ионов и других низко- и высокомолекулярных соединений. Какоказалось, в сворачивании белка также принимают участие и специализированныемолекулы (шапероны), предотвращающие агрегацию.
Безуспешныепопытки решения проблемы фолдинга связаны, как ни странно, и с использованиемвысоких технологий, в частности с применением сложных компьютерных программ.Сразу же отметим, что программ, правильно моделирующих ко-трансляционныйфолдинг, на сегодняшний день просто не существует. Но даже в те из них, которыепозволяют оптимизировать структуру и сводить ее к минимальному энергетическомусостоянию, введены численные параметры разных взаимодействий, которыеопределены, разумеется, с некоторой ошибкой. При большом числе шаговоптимизации структуры (1000 и более) эта ошибка вырастает до таких величин, которыепозволяют усомниться в правильности полученного результата.
Длястимулирования прогресса в решении этой проблемы в г. Асиломар (США) уженесколько лет проводится конкурс на лучшее определение пространственнойструктуры белка по его аминокислотной последовательности. Для этогоорганизаторы конкурса выбирают еще неопубликованную работу, в которой методомРСА выявлена пространственная структура нового белка и, сообщив каждомужелающему лишь аминокислотную последовательность, предлагают предсказатьструктуру любым теоретическим методом. Желающих бывает до нескольких десятков, ониделают свои предсказания, которые организаторы сравнивают с имеющейся в ихраспоряжении структурой и выявляют победителей конкурса. Однако никто (в томчисле и победители) никогда не представил структуры, полностью соответствующейтой, что получена экспериментально.
Складываетсявпечатление, что выбранные пути непригодны для решения этой проблемы. Вероятно,нужны принципиально новые идеи для того, чтобы произошел прорыв в даннойобласти. Впрочем, одна такая идея существует и уже давно, хотя до настоящеговремени ее не признает большинство компетентных физиков и биологов. В чем жеона состоит?
Около30 лет назад у нас в стране Л.Б. Меклер и Р.Г. Идлис предложили механизмфолдинга, который основан на чисто формальном постулате. Он состоит в том, чтов формирующемся предшественнике белка пространственно сближаются парыаминокислотных остатков, которые в нуклеиновых кислотах кодируются кодоном исоответствующим антикодоном. Сразу заметим, что для этой идеи нет не тольконаучного обоснования, но в ней полностью отсутствует и какой-либо учетфизических взаимодействий (т.е. идея, которую вполне можно отнести к разрядусумасшедших). Однако авторы учитывают и однонаправленность синтеза, и то, чтовначале образуется предшественник, а не сам белок. В процессе такогоко-трансляционного фолдинга каждый новый присоединенный аминокислотный остатоксопоставляется с введенными ранее, и если в соответствии с постулатом оннаходит себе партнера, то располагается рядом с ним, образуя некиенеобъясненные связи.
Вместес квалифицированными специалистами-структурщиками в начале 1990-х гг. мнедовелось участвовать в проверке работоспособности этого механизма, и, чтоудивительно, попытки построения нескольких десятков структур каждый разприводили к точному результату. Более того, однажды была взята аминокислотнаяпоследовательность, в которой, как оказалось позднее, всего лишь один остатокошибочно не соответствовал правильному. В этом случае должной структуры неполучилось, но после исправления ошибки все стало на свое место.
Вскореавторы переехали в Израиль, где было намечено создать компьютерную программу, воспроизводящуюих процесс фолдинга. Однако из-за кончины Л.Б. Меклера и отсутствиясоответствующего финансирования эта работа приостановилась. А жаль!
Пространственныеструктуры некоторых белков, полученные по правилам Меклера и опубликованные наобложке журнала «Природа» в 1993 году
Подведемитог. На сегодняшний день мы немало знаем о слабых взаимодействиях в белках, ноэти знания не помогли нам раскрыть тайну фолдинга (возможно, существуют такиетипы взаимодействий, которые пока еще не выявлены). И хотя существует успешноприменяемый теоретический метод, но в нем отсутствует понимание природывозникновения взаимодействий, а оно, разумеется, должно быть. Наверное, истина,как всегда, находится где-то посередине, и современные высокие технологиидолжны ее выявить.
Можетбыть, понадобятся и новые идеи (включая сумасшедшие). Но в любом случае безвысоких технологий не обойтись, как бы дорого они ни стоили. Например, затратына создание компьютерной программы для изучения любого белка на основемеханизма Меклера–Идлис оцениваются примерно в 100 тыс. долл., но разве этомного по сравнению с затратами на выявление структуры всего лишь одного белкаметодом РСА? И как было бы замечательно, если бы успешное решение застарелойпроблемы осуществилось в нашей стране.
Список литературы
1.Замятнин А.А. Блистающий мир белков и пептидов / Биология. 2002. № 25–26. С.8–13.
2.Замятнин А.А. Протеомика / Биология. 2005. № 14. С. 2–11.
3.Меклер Л.Б., Идлис Р.Г. Общий стереохимический генетический код – путь кбиотехнологии и универсальной медицине XXI в. уже сегодня. Коммент. В.Т.Иванова, Д.Г. Кнорре, М.А. Мокульского, А.А. Замятнина /Природа. 1993. № 5. С.28–70.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru