Почему белок сворачивается в уникальную 3D-структуру? И не только это…

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье кратко рассмотрена история развития представлений о динамике белков и других биополимеров и отмечен существенный вклад В.И. Гольданского в организацию и проведение этих исследований в нашей стране. Обсуждается современное развитие более ранних представлений о динамике биополимеров и фолдинге белков. Показано, что фолдинг не является изолированной проблемой и связан с фундаментальными динамическими свойствами линейных полимеров в конденсированной фазе. Аналитическими методами с использованием подходов, основанных на многомерной геометрии, показано, что вязкость среды является одним из важнейших факторов, который определяет правила движения репрезентативной точки по ультрамногомерной поверхности потенциальной энергии (ППЭ). Эти правила приводят к концентрации траекторий в тех областях конфигурационного пространства макромолекулы, которые соответствуют относительно гладким участкам ППЭ, что важно для понимания причин устойчивости результатов расчетов больших систем методом молекулярной динамики, несмотря на принципиальную неточность имеющихся силовых полей. В статье кратко описывается также новый подход к определению и изучению свойств многомерных ППЭ, который основан на особенностях топологии конфигурационного пространства линейных полимеров (биополимеров), симметрии относительно перестановок одинаковых звеньев цепи и теории Морса для изучения топографии многомерных поверхностей. При определенных условиях этот подход дает полезные результаты для топографии ППЭ и поверхности свободной энергии (ПСЭ) макромолекулы и позволяет с единых позиций связать между собой весьма разнородные результаты экспериментов по фолдингу белков. При этом появляется новая постановка для ряда принципиальных и дискуссионных вопросов, связанных с физическими закономерностями формирования живых систем. В частности, прослеживается связь между температурным режимом на планете и химической реализацией энергии невалентных взаимодействий в макромолекуле, которые необходимы для формирования уникальных пространственных структур биополимеров.

Об авторах

К. В. Шайтан

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: shaytan@ya.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Nurse P. // Nature. 2021. V. 597. P. 305.
  2. Anfinsen C.B. // Science. 1973. V. 181 (4096). P. 223; https://doi.org/10.1016/S0021-9258(18)64176-6
  3. Pauling L. The Nature of the Chemical Bond. 3rd Ed. Cornell Univ. Press, 1960.
  4. Levinthal C. // J. Chem. Phys. 1968. V. 65. № 1. P. 44.
  5. Dill K.A., MacCallum J.L. // Science. 2012. V. 338. P. 1042; https://doi.org/10.1126/science.1219021
  6. Finkelstein A.V., Bogatyreva N.S., Ivankov D.N., Garbuzynskiy S.O. // Biophys. Rev. 2022. V. 14. P. 1255; https://doi.org/10.1007/s12551-022-01000-1
  7. Eaton W.A. // J. Phys. Chem. B. 2021. V. 125. P. 3452; https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.1c00206
  8. Bryngelson J.D., Wolynes P.G. // J. Phys. Chem. 1989. V. 93. P. 6902.
  9. Wolynes P.G. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. V. 93. № 25. P. 14249; doi.org/https://doi.org/10.1073/pnas.93.25.14249
  10. Onuchic J.N., Wolynes P.G. // Curr. Opin. Struct. Biol. 2004. V. 14. № 1. P. 70.
  11. Wolynes P.G. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. V. 92. № 7. P. 2426; https://doi.org/10.1073/pnas.92.7.2426
  12. Shakhnovich E.I., Gutin A.M. // Stud. Biophys (Berlin). 1989. V. 132. P. 47.
  13. Sali A., Shakhnovich E., Karplus M. // Nature. 1994. V. 369(6477). P. 248.
  14. Jacobs W.M., Shakhnovich E.I. // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122(49). P. 11126; https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.8b05842
  15. Chekmarev S.F., Krivov S.V., Karplus M. // Ibid. 2005. V. 109(11). P. 5312; doi.org/https://doi.org/10.1021/jp047012h
  16. Chekmarev S.F. // Phys. Rev. E. 2019. V. 99. P. 022412; https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.022412
  17. Grosberg A.Y., Khokhlov A.R. Giant Molecules: Here, There, and Everywhere. 2nd Ed. Singapore: World Scientific Publ., 2011.
  18. Лифшиц И.М., Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. // УФН. 1979. Т. 127. С. 353.
  19. Khokhlov A.R., Khalatur P.G. // Physica A. 1998. Issues 1–4. V. 249. P. 253; https://doi.org/10.1016/s0378-4371(97)00473-1
  20. Orekhov P.S, Bozdaganyan M.E., Voskoboynikova N. et al. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 3. P. 361; https://doi.org/10.3390/nano12030361
  21. Voskoboynikova N., Orekhov P., Bozdaganyan M. et al. // Intern. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 5. P. 2548; https://doi.org/10.3390/ijms22052548
  22. Методы компьютерного молекулярного моделирования для исследования полимеров и биополимеров / Под ред. Иванова В.А., Рабиновича А.Л., Хохлова А.Р. М.: Книжный дом Либроком, 2009.
  23. Шайтан К.В., Турлей Е.В., Голик Д.Н. и др. // Хим. физика. 2006. Т. 25. № 9. С. 31.
  24. Шайтан К.В. // Хим. физика. 2014. Т. 33. № 7. С. 53; https://doi.org/10.7868/S0207401X14070085
  25. Goldanskii V.I., Krupyanskii Y.F. // Q. Rev. Biophys. 1989. V. 22. № 1. P. 39.
  26. Krupyanskii Y.F., Goldanskii V.I., Parak F., Mössbauer R.L., Suzdalev I.P., Engelmann H. // Z. Naturforsch., C: Biosci. 1982. V. 37. № 1–2. P. 57.
  27. Krupyanskii Yu.F., Goldanskii V.I., Nienhaus G.U., Parak F. // Hyperfine Interact. 1990. V. 53. № 1–4. P. 59.
  28. Krupyanskiǐ Y.F., Shaǐtan K.V., Gol’danskiǐ V.I., Kurinov I.V., Rubin A.B., Suzdalev I.P. // Biophysics. 1987. V. 32. № 5. P. 820.
  29. Krupyanskiǐ Yu.F., Goldanskiǐ V.I. // Physics-Uspekhi. 2002. V. 45. № 11. P. 1131.
  30. Mossbauer R.L. // Hyperfine Interact. 1987. V. 33. P. 199; https://doi.org/10.1007/BF02394109
  31. Austin R.H., Beeson K.W., Eisenstein L., Frauenfelder H., Gunsalus I.C. // Biochem. 1975. V. 14(24). P. 5355.
  32. Frauenfelder H. // The Physics of Proteins. Ser. Biol. Med. Phys., Biomed. Eng. / Eds. Chan S.S., Chan W.S. N.Y.: Springer, 2010; https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1044-8_12
  33. Кононенко А.А., Нокс П.П., Чаморовский С.К., Рубин А.Б., Лихтенштейн Г.И., Крупянскии Ю.Ф., Суздалев И.П., Гольданский В.И. // Хим. физика. 1986. Т. 5. № 6. С. 795.
  34. Шайтан К.В., Рубин А.Б. // Молекуляр. биология. 1980. Т. 14. С. 1323.
  35. Шайтан К.В., Рубин А.Б. // Биофизика. 1980. Т. 25. С. 796.
  36. Ebeling W., Schimansky-Gefer L., Romanovsky Y.M. Stochastic Dynamics of Reacting Biomolecules. Singapore: World Scientific Publ., 2003. P. 285; https://doi.org/10.1142/9789812795434_0010
  37. Rubin A.B., Shaitan K.V., Kononenko A.A., Chamorovsky S.K. // Photosynth. Res. 1989. V. 22. P. 219.
  38. Шайтан К.В., Рубин А.Б. // Молекуляр. биология. 1983. Т. 17. № 6. С. 1280.
  39. Шайтан К.В., Упоров И.В. // Хим. физика. 1984. Т. 3. № 10. С. 1416.
  40. Basovets S.K., Uporov I.V., Shaitan K.V., Krupyanskii Y.F., Kurinov I.V., Suzdalev I.P., Rubin A.B., Goldanskii V.I. // Hyperfine Interact. 1988. V. 39. № 4. P. 369; https://doi.org/10.1007/bf02397646
  41. Shaitan K.V., Mikhailyuk M.G., Plachinda A.S., Khromov V.I. // Russ. Chem. Bull. 2002. V. 51. № 12. P. 2196.
  42. Шайтан К.В., Михайлюк М.Г. // Хим. физика. 2001. Т. 20. № 2. С. 3.
  43. Шайтан К.В. // Биофизика. 1994. Т. 39. № 6. С. 949.
  44. Avetisov A., Bikulov A.H., Kozyrev S.V. // J. Phys. A: Math. Gen. 1999. V. 32. № 50. P. 8785; https://doi.org/10.1088/0305-4470/32/50/301
  45. Zabelskii D., Alekseev A., Kovalev K. et al. // Nat. Commun. 2020. V. 11. Article 5707; https://doi.org/10.1038/s41467-020-19457-7
  46. Armeev G.A., Kniazeva A.S., Komarova G.A., Kirpichnikov M.P., Shaytan A.K. // Nat. Commun. 2021. V. 12. Article 2387; https://doi.org/10.1038/s41467-021-22636-9
  47. Шайтан К.В. Биофизика. 2018. Т. 63. № 1. С. 5; https://doi.org/10.1134/S0006350918010165
  48. Шайтан К.В. // Биофизика. 2018. Т. 63. № 4. С. 629; https://doi.org/10.1134/S0006350918040152
  49. Шайтан К.В. // Биофизика. 2018. Т. 63. № 5. С. 850; https://doi.org/10.1134/S0006350918050214
  50. Шайтан К.В. // Биофизика. 2018. Т. 63. № 6. С. 1057; https://doi.org/10.1134/S0006350918060246
  51. Шайтан К.В. // Биофизика. 2022. Т. 67. № 3. С. 492; https://doi.org/10.1134/S0006350922030204
  52. Гольданский В.И., Кузьмин В.В. // УФН. 1989. Т. 157. № 1. С. 3; https://doi.org/10.3367/UFNr.0157.198901a.0003
  53. Аветисов В.А., Гольданский В.И. // УФН. 1996. Т. 166. № 8. С. 873; https://doi.org/10.3367/UFNr.0166.199608d.0873
  54. Академик Виталий Иосифович Гольданский. Избранные статьи, воспоминания / Под ред. акад. Берлина А.А. М.: Наука, 2007. С. 204; http://elib.biblioatom.ru/text/akademik-goldanskiy_2007/go,0/
  55. Edwards D.T., LeBlanc M.-A., Perkins T.T. // PNAS. 2021. V. 118. № 12 e2015728118; https://doi.org/10.1073/pnas.2015728118
  56. Borgia A., Williams P.M., Clarke J. // Ann. Rev. Biochem. 2008. V. 77(1). P. 101; https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.77.060706. 093102
  57. Kramer G., Boehringer D., Ban N., Bukau B. // Nat. Struct. Mol. Biol. 2009. V. 16. № 6. P. 589; https://doi.org/10.1038/nsmb.1614
  58. Бернал Д. Возникновение жизни. Пер. с англ. М.: Мир, 1969.
  59. Кунин Е.В. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. Пер. с англ. М.: Центр-полиграф, 2014.
  60. Stillinger F.H. Energy Landscapes, Inherent Structures, and Condensed-Matter Phenomena. Princeton Univ. Press, 2016.
  61. Wales D.J. Energy Landscapes. Cambridge Univ. Press, 2003.
  62. Frenkel D., Smit B. Understanding Molecular Simulation. Academic Press, 2002.
  63. Piana S., Klepeis J.L., Shaw D.E. // Curr. Opin. Struct. Biol. 2014. V. 24. P. 98; https://doi.org/10.1016/j.sbi.2013.12.006
  64. Эллиот Дж., Добер П. // Симметрия в физике. В 2 томах. Пер. с англ. Т. 1. М.: Мир, 1983.
  65. Макдональд И. // Симметрические функции и многочлены Холла. Пер. с англ. М.: Мир, 1985.
  66. Фоменко А.Т. // Дифференциальная геометрия и топология. Дополнительные главы. 2-ое изд. Ижевск: Ижевская республиканская тип., 1999.
  67. Зорич В.А. // Теория вероятностей и ее применение. 2017. Т. 62. № 2. С. 292; https://doi.org/10.4213/tvp5109
  68. Milnor J. // Morse Theory. Princeton Univ. Press, 1963.
  69. Hagen S.J. // Curr. Protein Pept. Sci. 2010. V. 11. P. 385.
  70. Kramers H.A. // Physica (Utrecht). 1940. V.7. P. 284.
  71. Zwanzig R. // J. Chem. Phys. 1992. V. 97. P. 3587; https://doi.org/10.1063/1.462993
  72. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 1. Механика. М.: Наука, 1988.
  73. Шайтан К.В., Сарайкин С.С. // Биофизика. 2000. Т. 45. № 3. С. 407.
  74. Шайтан К.В., Попеленский Ф.Ю., Армеев Г.А. // Биофизика. 2017. Т. 62. № 3. С. 443; https://doi.org/10.1134/S0006350917030186
  75. Эрендженова А.А., Армеев Г.А., Шайтан К.В. // Биофизика. 2020. Т. 65. № 5. С. 860; https://doi.org/10.31857/S0006302920050026
  76. Шайтан К.В., Федик И.В. // Биофизика. 2015. Т. 60. № 3. С. 421; https://doi.org/10.1134/S0006350915030161
  77. Шайтан К.В., Ложников М.А., Кобельков Г.М. // Биофизика. 2016. Т. 61. № 4. С. 629; https://doi.org/10.1134/S0006350916040205
  78. Шайтан К.В., Ложников М.А., Кобельков Г.М. // Биофизика. 2017. Т. 62. № 2. С. 249; https://doi.org/10.1134/S0006350917020233
  79. Волькенштейн М.В. Конфигурационная статистика полимерных цепей. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1959.
  80. Финкельштейн А.В., Птицын О.В. // Физика белка. М.: Книжный дом Ун-та, 2012. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.1319.8320
  81. Gibbs Y.W. Elementary principles in statistical mechanics. New York: Charles Scribner’s Sons, 1902; https://doi.org/10.1017/CBO9780511686948
  82. Зигмунд А. // Тригонометрические ряды. Пер. с англ. Т. 2. М.: Мир, 1965.
  83. Розенфельд Б.А. // Многомерные пространства. Изд. 2-е. М.: Ленанд, 2021.
  84. Kubelka J., Hofrichter J., Eaton W.A. // Curr. Opin. Struct. Biol. 2004. V. 14. № 1. P. 76; https://doi.org/10.1016/j.sbi.2004.01.013
  85. Roder K., Wales D.J. // Front. Mol. Biosci. 2022. V. 9. Article 820792; https://doi.org/10.3389/fmolb.2022.820792
  86. Lee H., Cai W. Ewald summation for Coulomb interactions in a periodic supercell. Stanford Univ., 2009; http://micro.stanford.edu/mediawiki/images/4/46/ Ewald_notes.pdf
  87. Хир К. // Статистическая механика, кинетическая теория и стохастические процессы. Пер. с англ. М.: Мир, 1976.
  88. Lemak A.S., Balabaev N.K. // Mol. Simul. 1995. V. 15. P. 223.
  89. Шайтан К.В., Сарайкин С.С. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 6. С. 1101; https://www.elibrary.ru/download/elibrary_44545193_46227090.pdf
  90. Голо В.Л., Шайтан К.В. // Биофизика. 2002. Т. 47. № 4. С. 611.
  91. Golo V.L., Salnikov Vl.N., Shaitan K.V. // Phys. Rev. E. 2004. V. 70. P. 046130; https://doi.org/10.1103/PhysRevE.70.046130
  92. Yolamanova M., Meier C., Shaytan A.K. et al. // Nat. Nanotechnol. 2013. V. 8. № 2. P. 130; https://doi.org/10.1038/nnano.2012.248

Дополнительные файлы


© К.В. Шайтан, 2023