Пущинские ученые выявили закономерности в термодинамике глобулярных белков
Несмотря на то, что такой раздел физики, как термодинамика, развивается уже не одно столетие, даже при тех возможностях, которые предоставляют современные технологии, до сих пор в ней остается огромное количество белых пятен. Пролить свет на одну из таких загадок смогли ученые из Института биофизики клетки РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН. Они изучили разные аспекты поведения глобулярных белков в растворе при их денатурации и смогли выявить ряд закономерностей. Свои выводы они опубликовали в журнале Journal of Biomolecular Structure and Dynamics.
Вопрос о том, какова энергия внутримолекулярных взаимодействий при денатурации глобулярных белков в водных растворах, на протяжении нескольких десятилетий разрозненно изучали многие ученые, но до сих пор эта проблема оставалась неразрешимой. Пущинские биофизики также давно занимаются этой интересной проблемой. Для своих исследований они применили два подхода: метод теоретически обоснованных компьютерных оценок и метод полуэмпирических вычислений при анализе температурно-индуцированного разворачивания белка в водных растворах. При этом ученые использовали обширный экспериментальный материал калориметрических исследований как наиболее адекватный подход к изучению термодинамики. Объектами для изучения послужили термофильные и мезофильные белки, обладающие однодоменной структурой с молекулярной массой в пределах 7-25 кДа. Исследователи рассчитали термодинамические параметры разворачивания белков в растворе. Это интегральные величины, которые включают в себя параметры разрушения молекулы, но при этом исследователям приходится учитывать и вторичные эффекты. Таким вторичным эффектом, поскольку денатурация белковой молекулы происходит в воде, является гидратация. После вычета гидратационных эффектов, рассчитываются истинные значения термодинамических параметров энтальпии, энтропии и свободной энергии перехода белковой молекулы из нативного состояния в денатурированное. К значимым результатам следует отнести утверждение о том, что в расчете на один аминокислотный остаток энергия нековалентных связей, включающим ван-дер-вальсовые и электростатические взаимодействия, и энергию водородных связей одинакова для всех изучаемых белков, независимо от их молекулярного строения и размеров, а значит, одинакова и закономерность построения их внутримолекулярных взаимодействий.
Также в этой работе ученые рассчитали еще один очень важный параметр – значение энтропии нативного белка при комнатной температуре, и впервые предложили подход для расчета абсолютной свободной энергии нативной структуры белков. До сих пор ученые для расчета этой величины применяли только теоретические подходы, и только для биологических объектов с низкими молекулярными весами. Пущинские ученые дали численные значения абсолютной свободной энергии для исследуемых ими белков и показали, что эта энергия минимальна. В своих исследованиях им удалось впервые установить, что движущей силой процесса тепловой денатурации белка является энтропия белка в виде энергии теплового движения, T•S, где Т-температура (в градусах Кельвина), S-конформационная энтропия нативного белка.
В заключение хотелось бы отметить, что установление численного значения энергии и конформационной энтропии нативных белков имеет особое значение, поскольку является необходимым этапом в определении абсолютной величины свободной энергии нативной конформации белков. Этот энергетический параметр является определяющим при анализе взаимодействия белков с лигандами, белок-белковых и ДНК-белковых взаимодействий, а также в теории самоорганизации трехмерной структуры белка.
Источник:
Nikolay N. Khechinashvili, Artem V. Kabanov, Maxim S. Kondratyev & Robert V. Polozov. Thermodynamics of Globular Proteins. J Biomol Struct Dyn. 2017 Mar 14:1-10
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28278028
Материал подготовила:
Татьяна Перевязова, пресс-секретарь ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru
Галерея
