Предыдущий раздел

F. Richards. The Protein Folding Problem
(Scientific American. 1991. N 1)

Из числа этих молекул построение молекулы тахиплезина заняло всего несколько минут, а построение молекул металлотионеина человека (61 аминокислотный остаток) и ингибитора трипсина и химотрипсина Боумана-Бирка (71 аминокислотный остаток) - несколько дней. Хорошо известно, что на построение модели трехмерной молекулы каждого из таких же биополимеров по результатам РСА его кристалла или ЯМР-анализа его концентрированного раствора даже коллективом самых высоких профессионалов, работающих на самой совершенной аппаратуре и суперкомпьютерах, уходит, как минимум, год. И результат всех этих титанических усилий, стоящих миллионы долларов, тем не менее выявляет лишь заключительную конформацию этого биополимера, - компонента его кристалла, т. е. его П-К-конформацию, как сейчас уже осознано, мало что говорящую о ее функции до тех пор, пока не будет построена модель той же трехмерной молекулы, находящейся в А-А-конформации. Ибо функция любого биополимера, как демонстрируют результаты анализа этой проблемы с позиций данной теории, в конечном счете - результат его А-А « П-К-конформационного перехода - фазового перехода первого рода. Именно этот фазовый переход - основа всей биомеханики, но несколько детальнее об этом  - ниже.

Модели, построение которых приводится в данной статье, - тахиплезина, полипептида SH3 и репрессора cro фага l, построены нами именно с выполнением этого условия. Результаты построения моделей гистоноподобного белка бактерий (90 аминокислотных остатков), модели репрессора cro фага l (66 аминокислотных остатка) и рубредоксина бактерий (54 аминокислотных остатка) мы опубликовали на русском языке еще в 1989 г., а построение А-А- и П-К-моделей репрессора cro и схему узнавания им и связывания согласно А-Н-коду с оператором кодирующего его гена опубликовали и на английском языке в 1990 г.⁴¹.

Первый вариант модели трехмерной молекулы репрессора cro фага l мы построили еще в 1980 г., направив соответствующую статью в печать за 4 мес. до публикации У. Андерсоном и др. результатов построения ими модели этого репрессора согласно РСА его кристалла⁴². В то время мы строили такие модели по приближенному алгоритму, не учитывающему многих нюансов поведения самоорганизующихся полипептидных цепей, выявленных нами позднее, по ходу дальнейшего развития данной теории; более того, за отсутствием в то время у нас финансовой и иной возможности приобрести СРК-модели аминокислот мы не могли построить стереохимические СРК-модели А-А-связей, и поэтому могли лишь очень грубо судить о стерической совместимости тех или иных комбинаций А-А-связей, встречающихся при построении трехмерных моделей конкретных белков. Тем не менее построенная нами уже тогда модель этого репрессора оказалась топологически адекватной его модели, построенной Андерсоном (см. рис. 6), вероятность случайности чего, по самой грубой оценке, не превышает 10^-5.

Однако границы b-структуры П-К-модели и b-структуры РСА-модели сдвинуты друг относительно друга на 1-2 аминокислотных остатка. Небольшие отличия имеют место и в отношении границ всех трех a-спиралей этих моделей (см. табл. 3).

На вопрос, какая из этих моделей ближе к реальной структуре трехмерной молекулы репрессора его, ответ дают результаты сравнения этих его моделей с его моделью, построенной впоследствии по результатам ЯМР-анализа концентрированного раствора этого репрессора⁴³.

Мы полагаем, что эти результаты свидетельствуют о том, что модели трехмерных молекул биологических полипептидови белков, строящиеся согласно данной теории, не только более содержательны в функциональном плане, но и более точны, чем модели тех же биополимеров, построенные по результатам РСА их кристаллов с разрешением, по крайней мере не меньшим 2,8 А. По крайней мере не меньшим, а в действительности большим, потому что согласно результатам интерпретации с позиций данной теории результатов РСА кристаллов одних и тех же белков, например семейства гемоглобинов, проводившегося со ступенчато возраставшим разрешением до 2 А включительно, согласно данной теории строятся модели трехмерных молекул этих биополимеров более точные, чем их модели, строящиеся согласно РСА их кристаллов с разрешением, меньшим 2 А⁴⁴, доказательство справедливости этого приведено в нашей статье "Анализ методами математической статистики строения ковалентной, вторичной, третичной и четвертичной структур белков с позиций теории самоорганизации трехмерных молекул биологических полипептидов и нуклеопротеидов и их функционирования согласно общему стереохимическому генетическому коду⁴⁵.

Еще одна из таких моделей - А-А-модель трехмерной молекулы полипептида SH3 (Src-homology 3 domain), по контуру напоминающая парящий НЛО (см. 1-ю стр. обложки). Предсказание трехмерной структуры этого полипептида, исходя только из его аминокислотной последовательности, было избрано в качестве экзамена на степень предсказательной способности алгоритмов формирования трехмерных молекул биологических полипептидов и белков по их аминокислотной последовательности, организованного специальным жюри, созданным при Европейской лаборатории молекулярной биологии (Гейдельберг, Германия)⁴⁶. В нем по заданию этого жюри участвовали три зарубежных коллектива исследователей. Все модели, построенные этими тремя коллективами, судя по заключению жюри, оказались ошибочными. О том, насколько выдержала этот экзамен данная теория, читатель может судить сам (см. рис. 7). Соответствующие материалы немедленно были направлены нами этому жюри.

Выше мы упоминали, что модели биополимеров, строящиеся согласно данной теории, в отличие от их моделей, строящихся по результатам РСА их кристаллов или ЯМР их концентрированных растворов, позволяют судить и о функциональной активности этих биополимеров. Хорошо, однако, известно, что функции биополимеров реализуются в их движении. Поэтому сам по себе напрашивается вопрос: а как же модели этих биологических микромашин, строящиеся согласно данной теории, позволяют увидеть это движение? Ответ на этот вопрос мы в буквальном смысле этого слова увидели по ходу построения уже первой из них - модели репрессора cro фага l.

Приступив к этой работе, мы тут же столкнулись с тем фактом, что в ряде случаев один и тот же аминокислотный остаток может образовать А-А-связь не с одним, а с любым из двух или более одинаковых аминокислотных остатков. Так, при построении модели репрессора cro фага l мы столкнулись с ситуацией, в которой Phe41 может с равным успехом образовать А-А-связь и с Glu53, и с Glu54, Gly37 и с Рго57, и с Pro59, Phe58 - и с Lys62, и с Lys63, а Ser60 - и с Thr64, и с Thr65.

Итак, основа движения узлов-блоков биологических микромашин - альтернативное образование Н-Н- или А-А-связей. Следовательно, элементарные подвижные детали микромашин-белков - это короткие сегменты их полипептидных цепей, в каждом из которых концы этих сегментов образуют альтернативную А-А-связь, в результате чего данный сегмент приобретает форму греческой большой буквы "омега" W (см. рис. 8).

Именно W-петли - элементарные подвижные структуры любых биополимеров, в свою очередь элементарных структур любых живых клеток и многоклеточных организмов, реализуют их взаимное узнавание и связывание друг с другом. Именно этими маятникообразно движущимися структурами и являются их антигенные детерминанты структуры биополимеров, узнаваемые иммунологической системой организма, и активные центры антител и соответствующих лимфоцитов - солдат армии иммунологической системы организма, связывающих - в буквальном смысле слова - их мишени и затем уничтожающие их, и активные центры ферментов, и гибкие "пальцы-руки" репрессоров, которыми они перехватывают двойную спираль ДНК в соответствующих участках, тем самым препятствуя считыванию с ДНК соответствующей информации. Такой рукой-щупом является, например, упомянутый выше подвижный СООН-концевой сегмент репрессора cro, три перекрывающиеся W-петли которого формируют спираль переменного шага, которая поворачивается вокруг своей оси, то скручиваясь в спираль с шагом 4, то раскручиваясь, превращаясь в спираль с шагом 5. Из таких же W-петель построены и узнающие участки поверхностей любых живых клеток, так называемые "рецепторы", которыми они воспринимают все сигналы, идущие к ним из среды их окружения.

Обращаем внимание читателей, что для того чтобы не только обнаружить все W-петли, запроектированные Природой в составе данной микромашины-полипептида, но и абсолютно точно (с точностью до одного аминокислотного остатка) установить их границы, вовсе не нужно строить модель его трехмерной молекулы. Достаточно знать саму его аминокислотную последовательность. Чтобы убедиться в справедливости этого утверждения, читатель может обратиться к аминокислотной последовательности любого биологического полипептида и отыскать в этой аминокислотной последовательности одинаковые аминокислотные остатки, стоящие рядом друг с другом или через один, а затем, двигаясь к NH₂-концу этого полипептида и к его СООН-концу, искать в рамках сегментов длиной до 14 аминокислотных остатков включительно аминокислотный остаток, стереокомплементарный этим одинаковым аминокислотным остаткам. Обнаруженные сегменты и представляют собой потенциальные W-петли данной микромашины-полипептида. Потенциальные - потому, что в трехмерной молекуле этого полипептида фигурировать в качестве W-петель будут лишь немногие из этих сегментов - только те, которые запроектированы Природой в качестве рабочих - подвижных узлов данной микромашины.

Правомерен, конечно, вопрос: а зачем тогда Природа запроектировала остальные W-петли? Ответ получаем, проследив за тем, как клетки разбирают на части отработавшие такие микромашины. Оказывается, они разрезаются на части сначала именно таким образом, чтобы из этих микромашин были вырезаны именно W-петли, ибо узнают соответствующие ферменты - протеазы именно W-петли. Принципиально важно, что именно таким образом разбирает на части элементарные узнаваемые ею сегменты любые полипептиды и белки, и свои, и чужеродные, иммунологическая система любого организма. И именно эти W-петли выводят на свою поверхность эти клетки иммунологической системы, так называемые макрофаги, с тем чтобы дать команду другим клеткам иммунологической системы лимфоцитам - синтезировать антитела, активные центры которых будут представлять собой тоже W-петли, но такие W-петли, аминокислотные остатки которых будут стереокомплементарны аминокислотным остаткам индуктора согласно А-А-коду ОСГК.

Впервые W-петли мы обнаружили при построении упомянутой выше модели репрессора cro фага l. Через шесть лет американские исследователи Ж. Лещинская и Дж. Роуз тоже обнаружили эти W-петли, но в результате анализа ими моделей более 60 различных белков, построенных по результатам РСА их кристаллов⁴⁷. Конечно, тема W-петель, их стереохимии, термодинамики и функциональной значимости заслуживают специальной большой статьи, которую, если читатели того пожелают, мы опубликуем в этом журнале. Несколько более подробно об W-петлях мы рассказали в статье, опубликованной ранее⁴⁸.

Здесь же, имея в виду цель данной статьи, необходимо упомянуть о том, что установление границ Q-петель - необходимое, но недостаточное (!) условие проектирования вакцин, вызывающих иммунитет, столь же эффективный и часто пожизненный, какой возникает в естественных условиях после соответствующего заболевания. Необходимое - потому, что именно W-петли иммунологическая система вырезает из любого инфекционного агента или чужеродного биополимера, проникающего тем или иным способом в организм. Справедливость этого утверждения буквально на днях подтвердили Западные исследователи⁴⁹. И именно к W-петлям индуцируется иммунологический ответ организма⁵⁰ (рис. 8). Однако это лишь первая стадия проектирования безвредных эффективных вакцин, а также и соответствующих фармакологических препаратов. Ибо любые лекарства, воздействуя на соответствующие рецепторы клеток-мишеней, эффективны лишь постольку, поскольку они имитируют воздействие на эти мишени естественных W-петель, управляющих функционированием этих рецепторов. Недостаточное - потому, что таким образом обеспечивается только "пришвартовка" данного фармакологического препарата к рецептору-мишени, но не выполнение рецептором команды "Сезам, откройся!", равнозначной индукции соответствующего физиологического эффекта. Решение этой задачи - содержание соответствующих "ноу-хау" и патентов.

И сам процесс построения модели каждой очередной молекулы биологического олигопептида, пептида, полипептида или белка, и полученный результат неизменно доставляли и нам, и членам упомянутой выше экзаменационной комиссии настоящее эстетическое наслаждение. Ибо каждая из этих природных биологических микромашин очень красива, красива и в статике, но в несравненно большей мере - в динамике ее работы. И эта их красота открывается именно тогда, когда эти модели строятся не из моделей атомов, а из простых бумажных лент, расчерченных квадратиками, каждый из которых символизирует очередной аминокислотный остаток, а обычная безопасная английская булавка, скалывающая два соответствующих квадратика - аминокислотных остатка, символизирует образование между ними соответствующей связи, детерминированной А-А-кодом общего стереохимического - генетического - кода, либо его П-К-кодом (см. рисунки).

Именно частные коды общего стереохимического генетического кода, реализуясь каждый на соответствующей стадии самоорганизации и работы биологических микромашин, и задают квантованное, ступенчатое, дискретное движение друг относительно друга их деталей - подвижных W-петель, что уровень за уровнем реализуется в работе биополимеров, субклеточных структур, клеток, тканей, органов, целостных организмов, их популяций и социальных обществ всего того, что мы называем Жизнью!

Оглавление

41 Meклер Л. Б., Идлис Р. Г. // НТР: проблемы и решения. 1989. № 4 (91), 5 (92), 12(99); Меклер Л. Б., Идлис Р. Г. // Приложение к вестнику АПН "Новости науки и техники". 1990. № 26 (241); МеkIеr L. В., Idlis R. G. Poster announcement, "Life and the Universe. The General Stereochemical Genetic Code as the basis of the origin, work and evolution of living cells and multicellular organisms. Theory of the self-organization and functioning of biopolymers". The poster presents the basic statements of the theory, the book's contents and the project THE ROAD TO THE SURVIVAL AND DEVELOPMENT OF MANKIND // Supplement to the Novosti Agency's bulletin "Advances in Science and Technology". 1990. N 26 (241).

42 Anderson W. F., Ohlendorf D. H., Tekeda V., Matthews B. W. // Nature. 1981. V. 290. P. 754-758.

43 Weber P. L, Drobny G., Reid B. R. // Biochemistry. 1985. V. 24. P. 4549-4552.

44 Perutz M. F. et al. // Nature. 1968. V. 219. P. 131-139; Fermi G. // J. Mol. Biol. 1975. V. 97. P. 237-256; Ladner R. С., Heidner E. J., Реrutz М. F. // J. Mol. Biol. 1977. V. 144. Р. 385-414.

45 Статья направлена нами в печать в журнал "Биофизика" еще в 1985 г., но не опубликована до сих пор несмотря на три положительные рецензии, данные ведущими профессионалами этой области знания, сотрудниками профильных институтов Академии наук СССР.

46 Rost В., Sander С. // Nature. 1992. V. 360. Р. 540; Benner S. A. // Nature. 1992. V. 359. P. 781; Мusacchio A. et al. // Nature. 1992. V. 359. P. 851-855.

47 Leszciynski J. F., Rose G. D. // Science. 1986.V. 234. P. 849.

48 См. сноску 41.

49 Parham P.// Nature. 1992. V. 360. Р. 300-301.

50 Суровой А. Ю., Вольпина О. М., Иванов В. Т., Чепуркин А. В., Иванющенков В. Н., Бурдов А. Н., Дрягалин Н. Н. Биоорганическая химия, 1987. Т. 13. № 8. С. 1132-1135 ("Согласно полученным результатам, наибольшую активность проявляет пептид последовательности 136-152: высокий титр вируснейтрализующих антител и 100 % защиту животных (только соответствующих инбредных линий! - Л. Б. М.) от заражения вирусом. Причем протективный эффект достигался иммунизацией свободным пептидом без белка-носителя"); Масhidа et al. Hepatitis В Vaccine // United States Patent N 5, 019, 386; Date of Patent: May 28, 1991; Кemр В. Е. et al. Diagnosticand antiviral applications of synthetic HIV-1 peptides // Peptides: Chemistry, Structure and Biology. Proceedings of the Eleventh American Peptide Symposium. July 9-14,1989, La Jolla, California, U. S. A. Edited by J. E. Rivier and G. R. Marshall. ESCOM, Leiden, 1990. P. 821-824; Bell S. J. D. et al. // Clin. exp. Immunol., 1992. V. 87. P. 37-45.

Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер