Цивилизация
Изучение механизмов взаимодействия природных соединений, в первую очередь белков, все сильнее волнует ученых, и во многом такой интерес обусловлен желанием разрабатывать новые лекарственные препараты. Известно, что белок может в ходе реакции и образования комплекса с другим белком довольно сильно менять свою конформацию, причем конформация эта оказывается зависимой от структуры второй молекулы, вступающей в реакцию, – один и тот же белок в зависимости от условий реакции может вступать во взаимодействие с несколькими десятками типов молекул.
Как осуществляются такие метаморфозы, ученые до сих пор не знают наверняка. Наиболее общепринятой теорией, описывающей взаимодействие двух белковых молекул, является гипотеза так называемого «наведенного соответствия», когда конформация одной молекулы в ходе реакции подстраивается под конформацию другой. Эта теория доминировала в учебниках по химии природных соединений в течение полувека, однако в последнее время все большую силу набирают альтернативные точки зрения.
Экспериментальные факты, подкрепленные кинетическими и структурными данными, заставляют ученых все чаще обращаться к так называемой теории «конформационной селекции».
Согласно этой гипотезе, белок в водном растворе может существовать одновременно в виде молекул с разными конформациями. Некоторые из них энергетически более выгодны, но менее реакционноспособны, другие же более удобны для вступления в реакцию с другими молекулами, но менее устойчивы энергетически.
Поэтому в стационарном состоянии существует некоторое термодинамическое равновесие между различными конформациями одного и того же белка. В реакцию с другими белками вступают молекулы с термодинамически не самой выгодной конформацией, однако протекание этой реакции постепенно смещает кинетическое равновесие в сторону образования именно этого варианта. В результате очень скоро молекулярный комплекс двух белковых молекул становится доминирующей формой их существования.
Эта теория всем хороша и на бумаге выглядит довольно стройно, однако в мире науки ничто не принимается на веру. Так, теория «наведенного соответствия» родилась из простого наблюдения структуры белка в комплексе, отличной от его структуры в растворе. Чтобы же доказать теорию «конформационной селекции», необходимо увидеть все возможные конформации белка еще до образования им устойчивого комплекса с другими молекулами.
Об это препятствие и спотыкалась теория в последнее время. Дело в том, что основные структурные данные о белковых конформациях ученые получают из кристаллографических исследований не индивидуальных белков, а белковых комплексов, которые более склонны к образованию кристаллов.
«Пощупать» короткоживущие конформации белка можно только с помощью технологии ЯМР-релаксационной спектроскопии.
Этот метод позволяет увидеть белковые молекулы в динамике – при переходе от одной конформации к другой.
Однако до последнего времени его можно было применить только к очень быстрым переходам между короткоживущими конформациями в диапазоне наносекунд и к сравнительно медленным переходам в миллисекундном диапазоне. Превращения молекулы в наносекундном диапазоне можно наблюдать благодаря вращательным колебаниям связей в молекулах белков, которые проявляются в виде нескольких типов расчетных параметров ЯМР-спектра, а конформационная неоднородность в миллисекундном диапазоне проявляется напрямую в виде расщепления пиков в ЯМР-спектре.
Этих возможностей Микеле Вендрусколо оказалось достаточно, чтобы показать наличие нескольких конформаций белка убиквитина в растворе, находящихся в термодинамическом равновесии. Соответствующая статья вышла в журнале Nature ещё в 2005 году.
Убиквитин был выбран для проверки теории «конформационной селекции» не случайно. В настоящее время известно, что этот белок входит в состав нескольких сигнальных цепей и специфически взаимодействует с многими белковыми молекулами. Ученым известно 46 различных по структуре молекулярных комплексов убиквитина с другими молекулами! Часть из этих конформаций, свободно плавающих в растворе, и увидел Вендрусколо.
Однако для того, чтобы подтвердить справедливость теории «конформационной селекции», необходимо было зафиксировать переходы между всеми 46 конформациями, время жизни многих из которых находилось в недоступном для метода ЯМР-релаксации микросекундном диапазоне.
Впервые увидеть и описать их структуру удалось Кристиану Гризингеру и Берту де Гроту из Института биофизической химии имени Макса Планка в Гёттингене. Свою пионерскую работу, которая должна лечь в основу новой теории взаимодействия белковых молекул, ученые и их коллеги представили в журнале Science.
Ученым удалось расширить временные рамки метода с помощью так называемых остаточных дипольных взаимодействий (RDC, residual dipolar coupling).
Они проявляются в том случае, если молекулы белков помещаются в так называемый анизотропный раствор – сильно разбавленный раствор молекул, формирующих жидкие кристаллы, или полиакриламидный гель. В этом случае различные типы взаимной ориентации белков не являются равновероятными, а потому вращательные колебания связей между атомами в молекуле и молекулярном комплексе не усредняют измеряемую величину диполь-дипольного взаимодействия до нуля. Поэтому с помощью метода ЯМР-релаксации становятся видны медленные переходы между конформациями белковых молекул, так как в случае возникновения остаточного диполь-дипольного взаимодействия их, грубо говоря, «не скрывают» быстрые вращательные деформации молекулы.
Гризингеру и де Гроту удалось увидеть все 46 конформаций белковой молекулы убиквитина, находящихся в растворе в термодинамическом равновесии между собой.
Кроме того, расчет структурных параметров молекулы убиквитина во вновь обнаруженных конформациях показал некоторое их отличие от структуры в готовых молекулярных комплексах с другими белковыми молекулами. Это значит, что теория «индуцированного соответствия» и теория «конформационной селекции», скорее всего, отражают крайние позиции в реальном механизме взаимодействия белков.
Скорее всего, реальный механизм взаимодействия включает три последовательных стадии:
1) стадию диффузионного сближения взаимодействующих молекул;
2) стадию селекционного отбора на первом этапе взаимодействия белковых молекул;
3) стадию индуцированного соответствия и конформационной релаксации системы двух молекул в окончательно связанную форму, когда первичный отбор комплементарной структуры уже произошел и требуется только её окончательная подгонка.
Разумеется, работа биохимика имеет свей целью лишь подтвердить справедливость позиций теории «конформационной селекции». Дальнейшее развитие представлений о механизмах взаимодействия белковых молекул потребует и уточнения величины энергетических барьеров между конформациями молекул, и выяснения их природы, и сопоставления кинетических данных со структурными для большей полноты картины.
Однако уже сейчас вопрос о механизме взаимодействия белковых молекул можно расширить и задаться выяснением роли такой динамики белковых молекул в эволюции белков.
Развилась ли способность перехода между различными по структуре конформациями для взаимодействия с различными белковыми молекулами, или наоборот, новые возможности для взаимодействия возникли благодаря динамической структуре глобулярного белка? Если верно второе, то новые химические реакции, в которые оказался способен вступать убиквитин, не потребовали от него изменения оригинальной структуры и свойств.
Дальнейшее изучение конформационной неоднородности других белковых молекул не только позволит дать ответ на вопросы об эволюции молекул, но также откроет пути для создания искусственных белковых молекул и создания новых типов лекарственных препаратов.