Беседы о жизни - Галактионов Станислав Геннадиевич

Для большинства остатков характерны два основных типа изгиба остова белковой цепи, или, точнее говоря, два типа сравнительно стабильных конформаций.

Третий основной тип конформаций остова менее стабилен — по данным расчета, ему соответствуют довольно высокие значения энергии. Ну и, разумеется, есть исключения из общего правила «трех конформаций»: остаток глицина, конформационная подвижность которого, как уже говорилось, намного больше, чем у прочих остатков, и пролин, для которого возможны лишь два основных типа конформаций.

Если в полипептидной цепи какой-нибудь из этих типов конформаций повторяется у всех остатков подряд, получаются периодические структуры, найденные Л. Полингом, — о них уже неоднократно вспоминалось в предыдущих главах. Два самых стабильных типа конформаций соответствуют вытянутой слоисто-складчатой структуре (β-структуре) и правозакрученной α-спирали; третья, менее стабильная, конформация порождает левозакрученную α-спираль. И действительно, как показывает эксперимент, цепочки полипептидов гораздо охотнее сворачиваются в виде именно правой α-спирали. Причем в правую форму сворачиваются полипептиды, образованные остатками L-аминокислот; если же для их построения использованы D-аминокислоты, более стабильной становится левая α-спираль. И это обстоятельство также подтверждено расчетом.

(Между прочим, уже на основании этих результатов можно было бы высказать кое-какие соображения по поводу асимметрии аминокислот, образующих белки; мы, однако, отложим этот вопрос до следующей главы, а сейчас продолжим разговор о расчете пространственной структуры белков.)

Итак, расчет позволил классифицировать возможные способы изгиба остова полипептидной цепи, характерные для отдельных аминокислотных остатков. Помимо этого, оказалась возможной такая же точно классификация конформаций боковых радикалов всех остатков — разработка конформационного алфавита третичных структур белков была тем самым полностью завершена. «Победа!» — следовало бы воскликнуть конформаторам, но, повторяем, иллюзиям детства суждено было рассеяться очень скоро.

Горестный перечень разочарований, постигших конформаторов на этапе, завершившемся созданием конформационного алфавита, начнем с замечания о том, что этот алфавит оказался довольно громоздким: по объему символов он скорее напоминает китайскую азбуку, чем какую-либо из европейских. В самом деле, рассмотрим внимательно остаток аминокислоты аргинина:

Как мы уже писали, возможны три типа стабильных конформаций пары углов внутреннего вращения в основной полипептидной цепи; кроме того, каждый из углов внутреннего вращения в боковой цепи (а их всего четыре — напоминаем, что вращение возможно вокруг каждой одинарной связи) может в любой из этих ситуаций принимать одно из трех «разрешенных» значений. А это значит, что всего остаток аргинина может иметь 3·3·3·3·3 = 243 сравнительно устойчивых конформации!

Правда, для других аминокислот (за исключением лизина) это число заметно поменьше, но все же общее количество подлежащих рассмотрению типов конформаций всех остатков приближается к тысяче.

Допустим, однако, что число возможных конформаций каждого остатка в среднем всего десять. Каков же окажется объем вычислений, соответствующих задаче расчета структуры белковой молекулы — пусть даже не очень большой, всего-то из ста аминокислотных остатков?

Вспомним, что наша задача будет состоять в том, чтобы из всех возможных конформаций молекулы выбрать ту, которой соответствует наименьшая энергия внутримолекулярных взаимодействий, и что сосчитать эту энергию на основе попарно-аддитивного приближения в принципе не очень сложно. Дело только за тем, чтобы прилежно перебрать все конформации молекулы, представляющие собой все возможные сочетания конформаций образующих ее остатков, каждый раз вычисляя величину соответствующей энергии внутримолекулярных взаимодействий, и по завершении этой нехитрой работы мы будем точно знать наиболее стабильную конформацию.

Ну что ж, в прилежании биологам как будто нельзя отказать, можно бы, кажется, и приняться за дело. Каждый остаток, значит, может принимать одно из десяти состояний, а всего остатков — сто. Если состояния отдельных остатков пронумеровать цифрами от 0 до 9, каждая конформация всей молекулы может быть условно обозначена каким-то стозначным числом:

937052… 362.

Предположим теперь, что вычисление энергии внутримолекулярных взаимодействий в каждой конформации занимает одну секунду. Это, конечно, чудовищный обман — с учетом всех обстоятельств такой расчет должен длиться часами или даже сутками на самой современной машине. Но не будем тем не менее мелочными, итак, одна секунда. Следовательно, для перебора всех возможных конформаций стоостаточной белковой молекулы нам понадобится 10×10×10… ×10 = 10100 секунд.

Если бы авторы были драматургами и писали пьесу из жизни конформаторов (в отличие от популярных ныне драм и комедий из жизни студентов, сталеваров и строителей такая пьеса, несомненно, была бы трагедией), последнее утверждение предшествовало бы авторской ремарке «немая сцена». В самом деле, мы опять упираемся в астрономические цифры, которым невозможно даже подобрать наглядного сравнения. Право же, временами кажется, что определение «астрономические» не имеет никакого отношения к очень большим цифрам и что с гораздо большим основанием их следовало бы называть «молекулярно-биологическими». Ведь цифры типа 10100 и т. п., то и дело фигурирующие даже в нашем сравнительно лаконичном повествовании, в обычной записи не уместились бы в одну, а то и в две, и в три строки!

Ибо что в действительности представляет собой промежуток времени в 10100 секунд, необходимый, как мы только что выяснили, для расчета третичной структуры молекулы белка? Трудно даже ответить, что он собой представляет в сравнении, скажем, с сутками, в которых всего-то около 81 тысячи секунд (попробуйте как-нибудь сосчитать до 81 тысячи — сами убедитесь). Пусть даже для простоты счета не 81, а 100 тысяч — то есть 105. Тысяча суток — это примерно три года, 108 секунд, триста лет; тем самым это всего лишь 1010 секунд — величина, которую по-прежнему невозможно сколько-нибудь наглядным образом сопоставить с интересующими нас 10100… (Правда, вот пример из «Занимательной алгебры» Я. Перельмана: невероятно огромное число пшеничных зерен, которое попросил в награду легендарный изобретатель шахмат, составляет 264 — 1, то есть около 1019. Возведя это число в пятую степень, мы приблизимся к 10100, но опять-таки только в чисто математическом смысле: понимание истинных масштабов такой величины по-прежнему лежит за границами постижимого.)

Выходит, повторяется прежняя ситуация: схема расчета третичной структуры формулируется вполне ясно, но ничуть не менее ясно и то, что реализовать эту схему практически совершенно немыслимо. И опять перед молекулярными биологами (точнее, перед той их частью, которую мы уже привыкли именовать конформаторами) возникает вопрос: что же делать? Неужели и попарно-аддитивному расчету окончательно недоступны интересующие их задачи?

Профессиональная амбиция толкает нас на запальчивое восклицание:

— Конечно, доступны!

Но — что поделать! — единственным абсолютно убедительным аргументом, подтверждающим такое мнение, может явиться успешный расчет третичной структуры молекулы какого-нибудь белка. До сих пор этого не удалось сделать никому. И все же смеем утверждать: дело к этому идет.