Станислав Галактионов - Беседы о жизни
Поведение молекулярных биологов в этом смысле ничуть не отличается от поведения прочих потребителей предсказаний. Ученые хотят знать не просто форму глобулы, но и, например, схему размещения в белковой цепи участков периодических структур: α-спирали и β-структуры. Конечно, прорицателю, работающему по старинке, такая задача не под силу; современные же предсказатели, вооруженные до зубов всевозможными математическими премудростями, добились в ее решении значительных успехов, о которых стоит поговорить подробнее.
Самые распространенные приемы предсказаний локализации регулярных структурных участков в аминокислотной последовательности базируются на тщательном изучении третичных структур белков, исследованных рентгенографически. Уже простой подсчет остатков различных типов, входящих в α-спиральные участки, участки β-структуры и нерегулярные части молекулы, показывает, что существуют, например, остатки, заметно чаще встречающиеся именно в спиральных фрагментах — аланин, валин, фенилаланин, лизин и т. д. Если в какой-то части аминокислотной последовательности белка встречается скопление этих остатков, можно предположить, что в глобуле эта часть спирализована.
Приведенный тип обобщения — наиболее примитивный; на самом деле обработка информации об аминокислотных последовательностях, принадлежащих участкам различных типов вторичных структур, велась с использованием весьма совершенных методов математической статистики, начиная с установления зависимостей, подобных рассмотренным, для различных комбинаций пар, троек и т. д. остатков и кончая весьма сложными процедурами, базирующимися на так называемой теории распознавания образов. Очевидно, однако, что при всей математичности такой подход является чисто эмпирическим и по существу своему очень близок упоминавшимся народным приметам (разумеется, это говорится отнюдь не в укор, тем более что на этом пути были получены очень хорошие результаты).
Тенденция того или иного остатка к образованию спирали может быть получена и из другого источника: экспериментального исследования синтетических полипептидов, образованных из аминокислот лишь одного определенного типа — полиаланина, полизина и т. п. Хорошо известно, что часть полиаминокислот приобретает в растворе форму α-спирали, другие же не обнаруживают склонности к ее образованию. К первым относятся, например, полиаланин, полифенилаланин, полилейцин, ко вторым — полисерин, политреонин. Информация, полученная таким путем, может использоваться для разработки самостоятельных методов распознавания спиральных участков белковых структур или в качестве дополняющей в только что рассмотренных методах.
Наконец, ряд «предсказательных» подходов использует то обстоятельство, что атомы внутри белковой глобулы расположены достаточно плотно, так что внутри не остается никакого свободного пространства, и в то же время без напряжений, без «налезания» одного атома на другой.
Зная строение остова α-спирали, можно, опираясь на эти представления (иногда дополняемые требованием определенного чередования гидрофобных и гидрофильных остатков), указать те участки аминокислотной последовательности, которые могут принять форму α-спиралей, причем боковые радикалы на их поверхности будут расположены плотно и без напряжений. Оценки такого рода выполняются обычно с помощью объемных молекулярных моделей, в которых атомы представлены шариками того или иного, своего для каждого атома, диаметра.
Отметим, наконец, что в практике предсказаний спиральных участков (и вообще участков структуры определенного типа) очень часто описанные подходы используются не в «чистом», а в комбинированном виде.
Мы столь подробно останавливаемся на этих методах по двум причинам. Во-первых, многие из них оказались довольно эффективными; во-вторых, предсказание локализации вторичных структур в белках с известной аминокислотной последовательностью ныне стало излюбленным занятием очень многих специалистов в области структуры белка. Число предложенных методов перевалило за тридцать, а в обсуждении тех или иных преимуществ каждого из них стали появляться нотки соперничества. Так что вполне естественной оказалась мысль проведения мирового чемпионата по предсказанию участков регулярной структуры: пусть преимущество того или иного метода решается не в бесплодной полемике авторов на страницах специальных журналов, а в честной спортивной борьбе! Правда, соревнования по таким предсказаниям еще никто никогда не проводил, но ведь и бобслей, к примеру, появился совсем недавно, а нынче этот вид спорта уже прочно входит в программу Олимпийских игр.
Инициатором соревнований оказался западногерманский кристаллограф Г. Шульц из Планковского института медицинских исследований в Гейдельберге. Им была установлена пространственная структура молекулы фермента аденилкиназы; перед тем как ее обнародовать, Г. Шульц разослал всем предсказателям регулярных структур предложение участвовать в организуемом им конкурсе на лучшее распознавание (на основании первичной аминокислотной последовательности) участков α-спирали, β-структуры и резких изгибов белковой цепи молекулы аденилкиназы. Сам он, естественно, фигурировал в роли арбитра.
На старт вышли одиннадцать участников. Говоря о числе участников, мы имеем в виду количество методов предсказаний, а не предсказателей, поскольку многие методы предлагались двумя авторами или наоборот: одни и те же авторы представили по нескольку методов.
Участники (на этот раз имеются в виду авторы методов) должны были определить положения α-спиралей, участков β-структуры и изгибов цепи и результаты выслать Г. Шульцу.
И вот наступил день подведения итогов (впоследствии они были опубликованы в известном английском научном журнале «Нейчур»). О, как нам хотелось бы в совершенстве владеть роскошным праздничным жаргоном спортивных комментаторов, пишущих об очередной блестящей победе советских фигуристов! Но нет, конечно же, это было бы неуместным, тем более что никакого публичного провозглашения имен победителей не последовало, а выявление их оказывается возможным лишь на основе неофициального подсчета очков.
Вот, например, результаты по классу α-спирали. Аденилкиназа — белок с относительно высоким содержанием спиральных участков: из 193 аминокислотных остатков, образующих молекулу, 105 входят в спиральные участки. Советские ученые О. Птицын и А. Финкельштейн сумели правильно указать 79 из них (не обнаружив, следовательно, 26); кроме того, 12 неспиральных остатков ими были ошибочно определены как спиральные. Другой советский участник, В. Лим, достиг еще большего числа правильных предсказаний — 82, однако ценой также и большего количества ошибок — 29. Лучшие среди зарубежных участников, американцы П. Чоу и Дж. Фасман, имеют результат 70 и 14 соответственно.
Если победителей определять на основании общего числа ошибок («недопредсказанных» и «перепредсказанных» остатков), то места в классе α-спирали распределятся следующим образом: О. Птицын и А. Финкельштейн — 38, П. Чоу и Дж. Фасман — 49, В. Лим — 52. Заметим, что некоторые методы дали 78, 87 и даже 98 ошибок! Для сравнения интересно указать, что утверждению о полной спирализации молекулы аденилкиназы соответствовало бы 88 ошибкам, а метод, заключающийся в определении «спиральности» или «неспиральности» каждого остатка с помощью бросания монетки (орел — решка), в среднем привел бы к 96,5 ошибки.
В классе предсказания β-структур среди лидеров встречаем те же фамилии: О. Птицын и А. Финкельштейн — 16 ошибок, В. Лим — тоже 16, П. Чоу и Дж. Фасман — 33 ошибки. Изгибы пептидной цепи наиболее удачно угадали американцы А. Бэрджесс и Г. Шерага (27 ошибок), незначительно опередившие тех же П. Чоу и Дж. Фасмана (28 ошибок). Советские ученые в предсказаниях этого класса не участвовали.
Разумеется, наше легкомысленное описание этого по-настоящему интересного и полезного соревнования следует воспринимать как шутку, хотя, конечно, мы не будем протестовать против объявления данного вида спорта олимпийским или против включения его под номером 50 в таблицу «Спортлото». Кстати, и состав советской олимпийской сборной как будто уже определился. В то же время молекулярным биологам не до шуток: проблема третьего этапа биологического кодирования — «первичная структура — третичная структура» — ждет своего решения. Хотя, как мы видели, корректное физическое рассмотрение задачи о формировании третичной структуры белка провести пока не удается, эта проблема все же начинает становиться все более понятной и решение ее становится все ближе. Так что будем надеяться на скорый и решительный успех конформаторов — людей редкой профессии и, увы, нелегкой судьбы.
Глава 5. Похвала ферментам
Высокое и несколько уже позабытое в наш рациональный век искусство многозначительных умолчаний, таинственных намеков и прочего кокетства не должно, казалось бы, иметь никакого отношения к рабочему стилю литературного произведения, трактующего в конце концов, что ни говорите, о суровых научных истинах. И все же наши многократные упоминания о том, что способность белковых молекул принимать вполне определенную структуру сообщает им такие необычные и очень важные свойства, что и рассказывать-то пока об этих свойствах нельзя, при некоторой доле читательского недоброжелательства может быть принята за разновидность литературного кокетства. Не знаем, удастся ли нам с помощью подобного (несомненно, предосудительного) приема завлечь в свои сети хоть одного читателя и зажечь в его сердце пламя бескорыстного интереса к молекулам ферментов. Однако более скромной цели мы, как нам кажется, все же достигли: читатель предупрежден, что цепочка биологического кодирования не обрывается на звене «третичная структура», а продолжается этапом «структура белка — функция белка».
