3. Полярные и заряженные аминокислотные остатки преимущественно располагаются на поверхности белковой глобулы. Это объясняется во – первых резким повышением свободной энергии при введении заряда во внутрь глобулы (диэлектрическая постоянная белка на много меньше диэлектрической постоянной воды),
4. Во – вторых возможностью образованию связей с молекулами воды.
5. Это особенность связана с первичной структурой белковой цепи. Плотной и стабильной глобуле соответствует достаточно большое количество первичных структур. Конечно можно придумать первичные структуры, которым будут соответствовать очень стабильная структура ( стабильность выше, чем у других глобулярных структур), но их будет немного. То есть в природе заложена определённая вариативность первичной структуры. Важно, чтобы глобула была не только стабильной, но и ей соответствовало достаточное количество последовательностей цепи.
Отметим ещё некоторые особенности денатурации белковой молекулы.
Переход глобула - клубок описывается как фазовый переход первого рода, то есть сходен с плавлением кристалла. Это очень важный момент в физике белка. Так например клубок – глобула для гибкоцепных полимеров происходит плавно и описывается как фазовый переход второго рода.
Подобное поведение белка говорит о кооперативности перехода. Это значит, что разрушение части белковой молекулы ведёт к разрушению остальных связей, поддерживающих нативную структуру. Поэтому такой переход осуществляется в небольшом температурном интервале. Это отражается в резком повышении свободной энергии при повышении температуры, а также в узком пике зависимости теплоёмкости от температуры.
Затронем некоторые моменты строения мембранных белков. Эти белки встроены в мембрану клетки и выполняют функцию пропускания веществ через мембрану и могут участвовать в окислении органических веществ. Их включение в липидный бислой отражается в следующих мотивах строения.
1. Гидрофобные аминокислотные остатки расположены в середине белковой молекулы, подобно гамбургеру. То есть прослойка образована из неполярных остатков.
2. Гидрофильные и полярные остатки образуют полярные опушки с обеих сторон, взаимодействуя с полярной средой внутри и снаружи клетки.
Такая особенность строения мембранных белков позволяет максимально эффективно удерживаться в мембране клетки.
Понимание общих черт строения белков необходимо для создания адекватных моделей. Основные мотивы строения закладываются в математические модели и служат базой для построения структур белков.
В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что первичная структура белка определяет третичную. Поэтому возникает проблема предсказания пространственной структуры по аминокислотной последовательности. Основной метод – рентгенострруктурный анализ достаточно трудоёмок и поэтому с помощью него нельзя определить все пространственные структуры белка. Так при помощи этого метода определено всего несколько процентов пространственных структур белка. Поэтому для определения третичной структуры используют другие экспериментальные методы, а также мощный набор теоретических подходов. Рассмотрим некоторые математические подходы в решении этой задачи.
Разные программы по-разному оценивают, чего стоит совпадение остатков, чего — сходство, чего — несовпадение, чего — начало разрыва, чего — каждый дополнительный остаток в разрыве. Все эти оценки оптимизируются авторами так, чтобы удовлетворительно выделять белки, сходство которых уже известно из других данных, и потом "зашиваются" в программу. Поэтому конечный результат может варьироваться.
При установлении структуры "нового" белка по его гомологии с уже изученным надо ясно отдавать себе отчет, что сходство пространственных структур может не распространяться на районы, где последовательности сильно разошлись. В основном это районы петель, нерегулярных конформаций белковой цепи. Здесь, с весьма переменным пока успехом, приходится прибегать к конформационным расчетам и другим методам гомологического моделирования.
Зная вклады отдельных взаимодействий в стабильность a-спирали, мы можем рассчитать свободную энергию спирализации любого участка цепи, а следовательно — и Больцмановскую вероятность образования спирали в любом месте полипептидной цепи, еще не свернувшейся в глобулу. Суммируя и усредняя эти вероятности, мы можем рассчитать и среднюю спиральность такого "несвернутого" полипептида. Потом результат можно сравнить с опытными данными — например, с КД спектрами.
Переходя к расчету и предсказанию вторичной структуры белков, глобулярных белков, необходимо учесть, что здесь к взаимодействиям, существующим в несвернутых цепях, добавляется взаимодействие каждого участка цепи с глобулой, строения которой мы не знаем. Точнее, мы не знаем ее детального строения, но знаем, что участки цепи как-то примыкают к гидрофобному ядру белка. В простейшем приближении взаимодействие с ядром можно аппроксимировать взаимодействием с "гидрофобным озером", на котором плавает белковая цепь.
Зная из опыта силу гидрофобных взаимодействий, а из стереохимии a- и b-структуры — мотивы чередования в цепи боковых групп, глядящих в одну и ту же сторону и способных, следовательно, одновременно взаимодействовать с гидрофобной поверхностью, — мы можем сосчитать вероятность образования a-спирали и b-структуры в каждом месте белковой цепи. В этом направлении достигнуты определённые результаты. Степень предсказания может достигать до 72%.
Предсказывая структуру белка, не имеющего видимой гомологии с белками уже расшифрованными, можно попробовать взять, одну за другой, все пространственные структуры из Банка, наложить (возможно, с некоторыми выпетливаниями) цепь этого белка на каждую из них, и посмотреть, какая из этих пространственных структур даст — для нашей цепи — наибольший энергетический выигрыш. При этом мы должны разрешать цепи то идти по скелету структуры, то выпетливаться или "сокращать" имеющиеся в скелете выпетливания — если это увеличивает энергетический выигрыш.
Такой подход называют "методом протягивания" (threading method). Он был предложен Б.А.Ревой в 1990 г. и — независимо, в более простом и более удобном варианте — Д. Айзенбергом и его группой в 1991 г. Сейчас метод протягивания стал весьма популярным методом опознавания структур "новых" белков по их аналогии со "старыми".
В общем, работа по протягиванию напоминает поиск гомологии, — только на этот раз "выравниваются" не две первичные структуры, "новая" и "старая", а "новая" первичная структура со "старым" белковым скелетом.
Здесь возникают аналогичные проблемы, как в любом предсказательном методе.
Во первых, конформацию даже тех кусков цепи, что наложены на скелет, мы знаем с большой погрешностью: ведь мы не знаем конформации боковых групп, — а именно они, в основном, и взаимодействуют. Далее, мы не знаем конформации всех выпетливаний. Оценка показывает, что при протягивании мы знаем примерно половину взаимодействий в белковой цепи, а вторую — не знаем. Значит, опять мы вынуждены судить о структуре белка по части взаимодействий, действующих в его цепи. Значит, опять наши предсказания могут носить только вероятный характер.
Во-вторых, как перебрать все наложения и найти лучшие. Здесь приходит на помощь динамическое программирование и его вариант — статистическая механика одномерных систем (цепных молекул) — для расчета протягивания цепи через скелет; теория самосогласованного поля — для расчета действующего на цепь молекулярного поля в каждой точке скелета; стохастическая минимизация энергии методом Монте-Карло; а также — разные варианты метода ветвей и границ, и т.д.
Задача дизайна — обратная по отношению к задаче предсказания структуры. Если при предсказании мы должны найти пространственную структуру, наиболее пригодную для рассматриваемой последовательности — то при дизайне мы должны найти, сконструировать последовательность, годную для создания желаемой пространственной структуры.
В этом подходе используют как экспериментальные методы, так и методы компьютерного моделирования. Олигонуклеотидный синтез и техника рекомбинантных ДНК дали возможность получения генов белков, не существовавших в природе; рентген и ЯМР позволили увидеть трехмерные структуры белков; а мощные ЭВМ и компьютерная графика позволили вступить в интерактивный диалог с этими пространственными структурами, — менять в них что-то и оценить последствия этих изменений.