Новая наука о жизни

Рис. 9. Вверху: структура фермента фосфоглицераткиназы из мышцы лошади: ?‑спирали представлены цилиндрами, ?-нити — стрелками

Внизу: структура — ?‑спирального участка в более крупноми масштабе (из Banks et al., 1979)

Диапазон возможных структур становится многое больше в органической химии, особенно в случае макромолекул, таких как белки, полипептидные цепи которых изгибаются, поворачиваются и складываются в сложные трехмерные формы (рис. 9). Надежно установлено, что в условиях, в которых белковая молекула стабильна, она складывается в уникальную структуру.

В многочисленных экспериментах белки заставляли развертываться в различной степени, изменяя их хи­мическое окружение; и затем обнаруживали, что они снова сворачиваются в свою нормальную структуру, когда их помещали в соответствующие условия; начи­ная от различных начальных состояний и следуя раз­личными путями свертывания, они приходят к одной и той же конечной структуре[97].

Этой стабильной конечной точкой, по-видимому, является структура с минимальной энергией. Но это не доказывает, что она является единственной воз­можной структурой с минимальной энергией, может быть много других возможных структур с той же ми­нимальной энергией. В самом деле, расчеты, проводи­мые для предсказания трехмерной структуры белков с использованием различных методов аппроксима­ции, неизменно дают слишком много решений. В ли­тературе по свертыванию белков это известно как «проблема множества минимумов» (multiple-mini­mum problem)[98].

Есть убедительные причины думать, что сам белок не «проверяет» все эти минимумы, пока не найдет один подходящий:

«Если бы цепь (полипептидная.— Прим. пер.) иссле­довала все возможные конфигурации наугад, путем вращения вокруг различных одиночных связей в струк­туре, потребовалось бы слишком много времени для достижения природной конфигурации. Например, если отдельные остатки несвернутой полипептидной цепи могут существовать только в двух состояниях, что является сильной недооценкой, тогда число воз­можных случайно образованных конформаций для цепи из 150 аминокислотных остатков составляет 10 (хо­тя, конечно, большинство из них, вероятно, будут стерически невозможными). Если бы каждая конформация исследовалась с частотой вращения молекул (10 сек), что является переоценкой, для опробования всех возможных конформаций потребовалось бы при­мерно 10 лет. Поскольку синтез и свертывание цепи белка, такого как рибонуклеаза или лизоцим, занима­ют около 2 минут, ясно, что в процессе свертывания не перебираются все конформаций. Вместо этого, как нам представляется, в ответ на локальное взаимодей­ствие пептидная цепь направляется по возможным низкоэнергетическим путям (число которых относи­тельно невелико), возможно, проходя через уникальные промежуточные состояния к конформаций с самой низкой свободной энергией»[99].