Случайность и необходимость

1. Так называемая первичная структура представляет собой топологически линейную последовательность аминокислотных остатков, соединенных ковалентными связями. Именно эти связи обеспечивают чрезвычайно гибкую фибриллярную структуру, теоретически способную принимать почти бесконечное разнообразие форм.

2. Так называемая нативная форма глобулярного белка дополнительно стабилизируется огромным числом нековалентных взаимодействий, связывающих аминокислотные остатки, распределенные вдоль топологически линейной ковалентной последовательности. В результате полипептидная фибрилла сворачивается в компактную псевдосферу. Способ свертывания определяет трехмерную структуру молекулы, включая расположение стереоспецифичных центров связывания, с помощью которых белок осуществляет функцию распознавания. Таким образом, именно сумма или, скорее, кооперация множества нековалентных внутримолекулярных взаимодействий придает устойчивость функциональной структуре белка, которая, в свою очередь, позволяет ему избирательно образовывать стереоспецифичные нековалентные комплексы с другими молекулами.

Вопрос, который интересует нас здесь, – это вопрос онтогенеза, происхождения и развития этой особой, уникальной конформации, с которой связана когнитивная функция белка. Долгое время считалось, что, в силу самой сложности этих структур и их стабилизации посредством нековалентных и индивидуально лабильных взаимодействий, любому полипептидному волокну доступно огромное количество самых разнообразных форм. Экспериментальные данные, однако, показывают, что при нормальных физиологических условиях одно и то же химическое соединение в нативной форме (определяемой его первичной структурой) существует только в одной конформации (или, самое большее, в нескольких дискретных состояниях, не сильно отличающихся друг от друга, как в случае с аллостерическими белками). Конформация определена с удивительной точностью, о чем свидетельствуют данные рентгеноструктурного анализа. Дифракционные изображения кристаллов белка подтверждают: расположение подавляющего большинства тысяч атомов, составляющих молекулу, определено с точностью до доли ангстрема. Мы можем добавить, что такое единообразие и точность структуры суть неотъемлемые условия специфического связывания – важнейшего биологического свойства глобулярных белков.

Образование глобулярных структур

Механизм формирования этих структур вполне ясен. Мы можем сказать, что:

а) генетический детерминизм белковых структур непосредственно определяет последовательность аминокислотных остатков, соответствующих данному белку; и

б) синтезируемая таким образом полипептидная фибрилла самопроизвольно и автономно сворачивается, приобретая псевдоглобулярную функциональную форму.

Таким образом, из тысяч различных способов, которыми полипептидная фибрилла теоретически могла бы свернуться, фактически используется только один. Здесь мы имеем явно эпигенетический процесс на самом простом возможном уровне – уровне изолированной макромолекулы. Для развернутой фибриллы доступно любое количество конформаций. Более того, до сворачивания она лишена какой-либо биологической активности – в частности, способности к стереоспецифическому распознаванию. Для свернутой формы, напротив, характерно только одно состояние, соответствующее гораздо более высокой степени упорядоченности. Именно с этим состоянием и связана функциональная активность белка.

Объяснение этого маленького чуда молекулярного эпигенеза, по крайней мере в принципе, относительно простое:

1. В физиологически нормальной среде, то есть в водной фазе, свернутое состояние белка термодинамически более стабильно, чем развернутое. Причина повышенной стабильности крайне интересна и заслуживает особого внимания. Около половины аминокислотных остатков, составляющих последовательность, являются «гидрофобными», то есть ведут себя как масло в воде: иными словами, они имеют тенденцию собираться вместе, высвобождая иммобилизованные ими молекулы воды. В результате белок приобретает компактную структуру, за счет взаимных контактов обездвиживая остатки, составляющие фибриллу. Отсюда более высокая степень упорядоченности (негэнтропии), компенсируемая внутри системы возрастанием хаоса (энтропии), вызванным примесью высвобожденных молекул воды.