Текст книги "Рак излечим"

Автор книги: Михаил Кутушов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 33 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

1. Фибриллярные белки играют в основном структурную роль. Они образуют микрофиламенты, микротрубочки, а также фибриллы, волосы, шелк и другие защитные покровы; они армируют мембраны и поддерживают структуру клеток и тканей. Фибриллярные белки часто образуют огромные агрегаты; их пространственная структура высоко регулярна, сложена в основном из очень больших блоков вторичной структуры и держится в значительной степени на взаимодействии между разными полипептидными цепями. Первичная структура фибриллярных белков также высокорегулярна, периодична – потому-то из нее и образуется обширная регулярная вторичная структура.

Входящие в суперспираль α-спирали обычно параллельны, и перевиты они – в разных белках – по две, три или четыре. У α-спирали, как мы уже знаем, период равен 3.6 остатка на виток. В перевитых спиралях периодичность – 7 остатков на два витка α-спирали, т. е. 3.5 остатка на виток.

Биосинтез коллагена, его последующая модификация и образование зрелой структуры коллагеновой фибриллы хорошо изучены. Сам по себе коллаген не способен к спонтанной и при этом правильной самоорганизации своей пространственной структуры in vitro – так же, как и фиброин шелка, – в отличие от глобулярных белков. Для самоорганизации нужен проколлаген, включающий, кроме коллагеновых нитей, глобулярные головки и хвостики. Лишенные головок и хвостиков коллагеновые нити, самоорганизуясь из развернутого состояния in vitro, тоже складываются в тройные спирали – но «неправильные», без присущей нативному коллагену гетерогенности тройной спирали (включающей нити двух сортов), без присущего ему регистра (т. е. с неправильным сдвигом нитей относительно друг друга), и т. д. Фибриллярные белки устроены относительно просто в силу периодичности своей первичной и, в силу этого, – также и своей вторичной структуры.

2. Глобулярные белки стоят того, чтобы о них поговорить. Некоторые детали их поведения раскроют нам механизм подготовки к озлокачествлению «белкового фона». Для понимания природы состояния расплавленной глобулы важно, что получается из нативного состояния путем кооперативного температурного плавления – фазового перехода первого рода. Это означает, что оно обладает значительно большей энтальпией и энтропией, чем нативное состояние, то есть внутримолекулярные взаимодействия в нем резко ослаблены, а подвижность белковой цепи – резко увеличена. Несколько слов о фазовых переходах второго рода. Если для переходов первого рода характерен скачок энергии системы (и ее энтропии, объема и плотности), то для переходов второго рода характерен лишь излом зависимости скорости изменения энергии с температурой, – иными словами, скачок теплоемкости. Подчеркиваю, что переход второго рода происходит в точке излома, а вовсе не посередине часто идущей за ним более или менее «S-образной» зависимости энергии (или другого наблюдаемого параметра) от температуры.

Так как большинство внутренних степеней свободы в белке связано с мелкомасштабными флуктуациями структуры, и прежде всего с движениями боковых групп, именно раскрепощение таких флуктуаций может сделать состояние расплавленной глобулы термодинамически выгодным. Однако раскрепощение мелкомасштабных флуктуаций не требует полного разворачивания белковой цепи – достаточно лишь ее небольшого набухания. При этом, однако, в белке резко ослабляется Вандерваальсово притяжение: оно сильно зависит от расстояния и даже небольшого увеличения размеров молекулы достаточно для его значительного ослабления. В общем, здесь все похоже на плавление кристалла: небольшой рост его объема рвет часть Вандерваальсовых взаимодействий в нем и раскрепощает движения молекул. «Расплавленная глобула» послужила и ключом к пониманию кооперативности денатурации белка. Оказалось, что этот процесс качественно отличается от переходов глобула-клубок в «нормальных» полимерах. Классическая теория переходов «глобула – клубок» не может объяснить плавление белка.

Она говорит, что глобула расширяется постепенно, и что клубок возникает вовсе не путем фазового перехода первого рода, а денатурация белков, этих «апериодических кристаллов» Шредингера, происходит при больших плотностях глобулы и напоминает именно разрушение кристалла – фазовый переход I рода.

Удивительно также, что денатурация белка – гетерогенной системы, где каждый атом, тем не менее, сидит на своем месте, – идет просто как резкий фазовый переход первого рода: в обычных молекулярных системах гетерогенность смазывает переход. Чтобы понять денатурацию белка, надо учесть его основные (по сравнению с «просто полимером») особенности – то, что нативный белок упакован плотно, как кристалл; и то, что в белковой цепи подвижные боковые группы сидят на жесткой главной цепи. Денатурация белка при изменении внешних условий происходит не постепенно, а скачком – по принципу «все или ничего».

То есть белок, не меняясь, терпит изменение внешних условий до некоторого предела, – а потом плавится, как микроскопическое твердое тело, весь сразу. Такая устойчивость и твердость белка, в свою очередь, обеспечивает надежность его работы в организме.

Иными словами, фазовый переход между нативным и денатурированным состояниями объясняется скачкообразным ростом энтропии (и прежде всего – энтропии боковых групп) при расширении глобулы, а его фазовый, кооперативный характер связан с тем, что боковые группы прикреплены к главной цепи и не могут раскрепощаться поодиночке. Образование и последующее «прорастание» зародыша новой фазы – характернейшая особенность фазовых переходов первого рода, к коим принадлежит и образование β-структуры. Однако преодоление связанного с образованием зародыша активационного барьера, как мы скоро убедимся, может быть очень и очень медленным. Итак: малостабильная β-структура (а именно она наблюдается в неагрегирующих полипептидах) должна образовываться очень медленно, – и причина здесь не в медленной элонгации, а в медленной инициации – трудно собрать свободную энергию из теплового движения и преодолеть высокий барьер.

Так объясняется и экспериментально наблюдаемая, очень медленная скорость образования β-структуры в неагрегирующих полипептидах, и резкий ее рост с повышением стабильности β-структуры.

В то же время стабильные β-листы и шпильки (а именно они и наблюдаются в белках) должны образовываться довольно быстро – примерно как α-спираль. Кинетика образования α-спиралей относительно проста: они всегда образуются быстро. Кинетика образования β-структуры много сложнее и интереснее. Выгодно ли сосуществование фаз в трехмерной системе? Нет. Почему? Теперь – что значит «происходит как фазовый переход первого рода»? Это значит, что при температуре перехода стабильной может быть либо одна, либо другая фаза, но перемешивание фаз (например, льда и воды) ведет к повышению свободной энергии, и потому нестабильно. Иными словами, для фазовых переходов типа «все-или-ничего» в малых системах и – в гораздо большей степени – для фазовых переходов первого рода в макроскопических системах, – характерен резкий скачок энергии в узком диапазоне температур. В макроскопических системах этот диапазон практически бесконечно узок, а для макромолекул он охватывает несколько градусов, т. е. тоже узок по сравнению с «диапазоном наблюдения», обычно охватывающим от 0 ^оС до 100 ^оС. А вот в небольших олигопептидах резкого скачка нет – здесь диапазон изменения энергии может охватывать все «экспериментальное окошко» исследуемых температур. Поэтому в трехмерной системе макроскопические фазы разделяются («льдинки» из нескольких молекул – не в счет: это просто микроскопические, локальные флуктуации), и фазовый переход первого рода в ней возможен.

А выгодно ли сосуществование фаз в одномерной системе? Оказывается, да. Рассмотрим опять температуру «середины перехода», где спираль и клубок имеют равную свободную энергию, т. е. где f_EL=0. Свободная энергия обеих границ спирали и клубка, f_INIT, не зависит ни от размера спирали, ни от размера клубка. Итого, свободная энергия этой плавающей спирали есть f_INIT – kТ. ln(N-n). При больших N член с ln(N-n) всегда доминирует в этом выражении, даже если n ~ 0.9 N; а этот логарифмический член понижает свободную энергию и способствует внедрению спирали в клубок (и точно так же – клубка в спираль)… Поэтому в одномерной системе фазы не разделяются, они стремятся перемешаться, – а раз так, то и фазовый переход первого рода (или типа «все-или-ничего») невозможен – при достаточно большой длине цепи. Теорема Ландау доказана. Как ни странно, эта теорема подсказывает нам – в длинных цепях практически невозможно зарождение рака. Это возможно в коротких цепях и не только в двухмерной системе. К ней как мы знаем относятся белки с β-структурой. β-структура в полипептидах часто образуется очень медленно – за часы, а бывает – за недели (хотя бывает, что и за миллисекунду). Почему? И в то же время – белки с β-структурой сворачиваются не медленнее α-спиральных белков. Как они успевают? И что отвечает за аномалии в образовании β-структуры в полипептидах – медленная инициация или медленная элонгация? «Аномальная» (по сравнению с переходом спираль-клубок) кинетика образования β-структуры связана с тем, что она – двухмерный (а не одномерный, как спираль или клубок) объект. Одномерность α-спиральных белков и отсутствие у них симметрии также наводят на грустные размышления… Укладка α и β-структур в глобулу определяет третичную структуру белка. Эти вторичные структуры отличаются определенными, периодическими конформациями главной цепи – при разнообразии конформаций боковых групп. Крайне медленная инициация – общее свойство фазовых переходов первого рода, когда возникающая фаза находится на грани стабильности. Вспомните: переохлажденная жидкость, перегретый пар… Все это связано с большой свободной энергией обширной границы раздела фаз. А β-структура как раз и образуется фазовым переходом первого рода – со всеми вытекающими последствиями… У нас давно было подозрение, что именно β-структура провоцирует начало ракового процесса, но теперь оно переросло в убеждение… Теперь фронт поиска виновного в появлении рака можно сузить. Можно высказать и следующую мысль – фазовый переход первого порядка β-структуры в решетках ближнего порядка вызывает точно такой же переход и в решетках дальнего порядка. Край β-листа (как и граница любой другой фазы – например, капли воды, льдинки или α-спирали) имеет повышенную свободную энергию. Однако – в отличие от α-спирали (и в сходстве с каплей) – β-лист не одномерен, т. е. размер его края (а значит, и его свободная энергия) растет с числом вовлеченных в этот лист звеньев цепи. Поэтому переход клубок– β-структура становится фазовым переходом первого рода – как образование капли или льдинки, из-за этого на пути образования β-листа возникает высокий (особенно при образовании лишь слегка стабильной β-структуры) свободно-энергетический барьер, который может в миллионы и миллиарды раз замедлить инициацию ее сворачивания. Но если он преодолен, то рак гарантирован…

Наоборот, α-спираль не образуется фазовым переходом первого рода [вспомните: граница спирали, в отличие от границы β-структуры (или льдинки), не растет с ее размером] – поэтому барьер, который нужно преодолеть при сворачивании спирали, всегда имеет конечную (и небольшую) величину, и она может успеть «проинициироваться» за микросекунду. Тяжело поддаются изменениям и проще других устроены те α-белки, где α-спирали длинны. Такие спирали образуют пучки: они лежат (почти) параллельно или антипараллельно (в общем, «колинеарно») друг к другу. С пучками спиралей мы уже встречались в фибриллярных и мембранных белках. По всей вероятности суперспирали и пучки являются той самой интеграционной сетью для всех клеток и тканей. По крайней мере, все предпосылки у них на это имеются. Не исключено, что и они бывают вовлечены в злокачественный процесс.

3. Мембранные белки изучены мало, поэтому ограничимся только их упоминанием. Прежде всего, мы видим, что видов белка всего три, их химический состав практически одинаковый. Глобальная разница в белках – это пространственная структура.

Порины – необычные мембранные белки. Они имеют аминокислотный состав более полярный, чем водорастворимые белки, и имеют бета-складчатую структуру в противоположность альфа-спиральной структуре большинства других мембранных белков. Несмотря на низкую степень гомологии первичной последовательности поринов из разных бактерий, их пространственные структуры подобны. Это относится и к высшим животным.

Молекула порина состоит из трех идентичных мономеров, то есть является тримером. Каждый мономер представляет собой цилиндр, образованный 16–18 антипараллельными бета-тяжами, который окружает водонаполненный канал. Петли, соединяющие бета-тяжи, которые расположены со стороны периплазмы, очень короткие и содержат полярные остатки, в то время как более длинные внешние петли богаты заряженными аминокислотами и свернуты в более сложные структуры. Доступ в канал с внешней стороны ограничен одной из наружных петель, которая погружена в пору, ограничивая ее размер и образуя сужение, «глазок». Таким образом, канал имеет широкие вход, выход и узкую центральную часть. Заряженные остатки, локализованные в области «глазка», сильно влияют на ион-селективность и проницаемость канала.

Каналы, образованные поринами, могут переключаться между открытым и закрытым состояниями. Три канала в тримере открываются высоко кооперативным образом. Они достаточно пластичны и могут существовать в двух и более конфигурациях. В настоящее время не известно, какие участки молекулы порина ответственны за динамические свойства каналов. За это отвечает, по мнению автора, фолдинг протеинов в данном участке ГПК.

Порины иммуногенны, они являются протективными антигенами. В этом качестве порины обладают рядом преимуществ перед традиционно применяемыми липополисахаридами: они являются видоспецифическими антигенами, иммунный ответ к ним носит Т-зависимый характер, они не токсичны. Согласно современным представлениям, разворачивание поринов в различных равновесных условиях в силу того, что они являются интегральными мембранными, и к тому же олигомерными, белками, должно приводить к образованию различных частично свернутых состояний. Информация о структуре и функциональной активности различных конформационных интермедиатов необходима для понимания молекулярных механизмов, ответственных за транспорт растворенных веществ через пориновые каналы и за их динамические свойства. Помимо этого, исследование частично свернутых белков в равновесных условиях представляет особую ценность с точки зрения изучения сил, обеспечивающих фолдинг белка. Теперь коснемся другой пространственной укладки белка, т. н. спиралей. Они могут быть левые и правые (Рис. 11), у них может быть разный период и шаг. Правые (R) спирали приходят к нам, завиваясь против часовой стрелки (что отвечает положительному отсчету угла в тригонометрии); левые (L) – приходят, вращаясь по стрелке.

Важнейшие спирали в полипептидной цепи держатся водородными связями, где С=О-группы остова полипептида связаны с лежащими от них в направлении С-конца цепи H-N группами. Какие из этих спиральных структур преобладают в белках? α-спирали. Почему? Ответ на этот вопрос дает карта Рамачандрана для типичного аминокислотного остатка – аланина, на которой отмечены конформации, периодическое повторение которых приводит к завязыванию водородных связей.

Рис. 11. Правые (R) и левые (L) спирали. Под ними показан отсчет положительного угла в тригонометрии: при этом «близкая к нам» стрелка вращается против хода часов.

Видно, что только спираль α_R (α-правая) лежит достаточно глубоко внутри области, разрешенной для аланина (и для всех других остатков). Другие спирали лежат либо на краю этой области (например, левая спираль α_L или правая спираль 3₁₀), где конформационные напряжения уже возрастают, либо в области, доступной только глицину. Глицину позволено очень много лишь только потому, что он «нейтрален» к пространству и свету.

Поэтому можно ожидать, что именно правая α-спираль должна быть, как правило, более стабильной и потому преобладать в белках – что и наблюдается. В правой α-спирали все атомы упакованы оптимально: плотно, но без напряжений, а это признаки гармонии, поэтому не удивительно, что в белках таких спиралей много, а в фибриллярных белках они достигают гигантской длины и включают сотни аминокислотных остатков. Есть спирали и без водородных связей, где плотная (а значит – энергетически выгодная) упаковка держится чисто на Вандерваальсовых контактах. Это – полипролиновая спираль. При этом три скрученные в довольно растянутую левую спираль цепи образуют правую суперсуперспираль – они плотно закручиваются друг вокруг друга. Из двух возможных типов полипролиновой спирали для нас важна спираль poly(Pro)II: она реализуется в коллагене. В этой спирали пептидные группы пролинов находятся в обычной (trans) конформации. Отметим что область соответствующей ей конформации цепи довольно близка к β-структуре! По этой, и по ряду других причин, мы причисляем коллаген к «ракообразующим»…

Молекулы белка и молекулы воды относятся друг к другу лояльно в определенных условиях. Как только эти условия изменяются, их отношения меняются драматическим образом. Молекулы воды, тихие и спокойные, вдруг начинают вклиниваться между молекулами белка, расшатывать их и приводить в подвижное состояние. Однако это возможно только в особых состояниях белка. Водобоязнь белка позволяет ему, почти независимо, проводить свою строительную работу в большой емкости с водой под названием живой организм. Гидрофобный эффект берет на себя, грубо говоря, три четверти работы по созданию белковой глобулы. Но он сам по себе не может создать нативный твердый белок. Отвердевает белок, как и все органические жидкости, под действием Вандерваальсовых сил, а также водородных и ионных связей – взаимодействий более специфичных и более чувствительных к деталям атомной структуры, чем простая водобоязнь. Но это – окончательная огранка, а большая часть работы, вся черновая работа падает на гидрофобный эффект. Светобоязнью белок не страдает, но разные его части по-разному относятся к длине волны. Пептидные группы оптически возбуждаются в «дальнем УФ» при длине волны порядка 200 нм. Это – примерно вдвое большая длина волны, чем та, на которой возбуждаются отдельные атомы. Пептидная группа возбуждается более длинноволновым (т. е. менее «жестким») светом, – в делокализации электронов пептидной группы по нескольким атомам. Еще больше делокализованы электроны в ароматических группах – там они «размазаны» не по трем, как в пептидной группе, а по шести атомам. Спектры ароматических групп приходятся на длину волны ~250–280 нм (хотя «хвост» этих спектров доходит до ~220 нм). В этом диапазоне длин волн, ~250–280 нм (в «ближнем» ультрафиолете), изучают асимметрию окружения ароматических боковых групп, – т. е. эффекты, связанные с образованием уже не вторичной, а третичной структуры белка. В этой же части спектра уже можно разглядеть клешню рака…

При еще большей делокализации электрона (в более крупных молекулах с кратными связями) – он начинает возбуждаться уже не ультрафиолетовым, а видимым светом (400–600 нм): свечение таких молекул видно на глаз, т. е. они являются красителями. Кроме ультрафиолетовых спектров, для регистрации вторичной структуры полипептидов и белков используются инфракрасные спектры. Они отражают различия в колебаниях пептидных групп, вовлеченных и не вовлеченных в разные вторичные структуры. Эти измерения более сложны, чем измерения УФ-спектров, так как обычная вода (H₂O) поглощает их в той же области; поэтому такие измерения обычно проводятся в тяжелой воде (D₂O). Кроме того, они требуют больше белка, чем измерения УФ-спектров, и более высоких концентраций белка в растворе. В этой части спектра рак «уходит» в тень, здесь можно увидеть только его фрагменты…

Теперь рассмотрим, почему и как происходит молниеносная самосборка белка с точки зрения современной науки. Стереохимия L-аминокислотных остатков зависит от валентных связей и угла между ними, стабильность α-спирали обусловлена молекулами воды. При испарении воды эта стабильность нарушается и именно эти факторы являются как бы матрицей для построения «клеток-доменов». Это тоже требует своего объяснения, но как белок ухитряется найти свою нативную структуру – среди астрономического числа возможных! – за те немногие секунды или доли секунды, что отпущены на его сворачивание.

Здесь уместно поговорить о кинетике конформационных превращений. Точнее – о том, почему некоторые превращения идут очень медленно. «Медленность» процессов порой связана с медленностью диффузии при высокой вязкости. Однако можно предположить, что эта вязкость в молекулах белка на мгновение исчезает в аллотропной форме, и за счет этого фолдинг достигает фантастических скоростей. Однако часто, не всегда, но часто – медленность процесса связана с преодолением высокого свободно-энергетического барьера. Особенно это типично для переходов типа «все-или-ничего», где свободно-энергетический барьер разделяет две фазы; здесь он всегда значителен. Такой барьер очень похож на активационный барьер в химических реакциях – только в данном случае он имеет и энергетическую, и энтропийную составляющие. Здесь уместно вспомнить «эффект пирамиды». Вода в пирамиде не замерзает при температуре -38 ºС, но стоит нанести удар или встряхнуть сосуд, как вода практически мгновенно кристаллизуется. Причем кристаллизация начинается со дна. Стало быть, самоорганизация белка и его небывалая скорость обусловлены «пирамидным» воздействием пространства…

Прежде чем приступить к исследованию этих вопросов, т. е. прежде чем рассматривать кинетические аспекты сворачивания белков, вспомним ряд фундаментальных фактов из области их термодинамики (здесь всюду речь идет об относительно небольших, однодоменных белках, т. е. о белках из 50-200 аминокислотных остатков). Эти факты помогут нам понять, какие условия протекания процесса сворачивания мы должны рассматривать. Термодинамические факты таковы:

1) Разворачивание белка обратимо, причем оно происходит как переход «все-или-ничего». Последнее означает, что в точке денатурации белка только две формы белковой молекулы – «нативная» и «денатурированная» – присутствуют в заметных количествах, а все прочие («полусвернутые» и «неверно свернутые» формы) практически отсутствуют.

2) Денатурированная форма белков – во всяком случае, небольших белков, развернутых денатурантом, – часто является неупорядоченным клубком.

3) В нормальных физиологических условиях нативная форма белка лишь немногим стабильнее его развернутой формы (а в самой точке плавления обе эти формы имеют, естественно, одинаковую стабильность). При этом нативная структура белка стабильна благодаря своей низкой энергии, т. е. благодаря сильным взаимодействиям в нативной структуре, а развернутая – благодаря своей высокой конформационной энтропии, т. е. благодаря огромному числу разных развернутых конформаций. [2]2
  Необходимое пояснение: как принято в литературе, термин «энергия» здесь означает, строго говоря, всюсвободную энергию взаимодействий, в том числе взаимодействий цепи с растворителем (например, «энергия» гидрофобных взаимодействий определяется, как вы должны помнить, энтропией растворителя); термин же «энтропия» здесь охватывает лишь конформационную энтропию цепи, но не энтропию растворителя. Такая терминология принята, чтобы, оставив растворитель за скобками, сосредоточиться на главной проблеме, – как белковая цепь находит «свою» пространственную структуру среди гигантского числа возможных.


[Закрыть] Итак, чтобы разрешить «парадокс Левинталя» и показать, что самую стабильную структуру белковой цепи можно найти за разумное время, мы можем рассматривать только скорость сворачивания этой структуры цепи вблизи точки ее термодинамического перехода, причем перехода типа «все-или-ничего», в аллотропное состояние. Иными словами, нам достаточно рассмотреть случай, когда самая стабильная укладка цепи лишь чуть-чуть более стабильна, чем аллотропная форма протеина, а все прочие формы белковой цепи термодинамически нестабильны. В окрестности этой точки рассматривать сворачивание белка наиболее просто, т. к. здесь нет стабильных интермедиатов сворачивания. Такие интермедиаты появляются лишь тогда, когда нативная структура становится много стабильнее этой формы белка. При этом сворачивание белка достигает максимальной скорости, но его анализ усложняется. Причем мы должны рассматривать только такие аминокислотные последовательности, которые обеспечивают наличие большой «щели» между энергией самой стабильной структуры цепи и энергиями всех прочих ее укладок (Рис. 12): как вы помните, статистическая физика гетерополимеров показывает, что фазовый, типа «все-или-ничего», распад нативной глобулы требует наличия такой щели.

Рис. 12. Грубое схематическое изображение энергетического ландшафта белковой цепи. Широкая щель между глобальным энергетическим минимумом и прочими энергетическими минимумами необходима для того, чтобы стабильная укладка цепи разрушалась бы только путем термодинамического перехода типа «все-или-ничего».

При таких условиях самая стабильная структура небольшого белка или домена автоматически становится центром «быстрых» путей сворачивания, и потому должна сворачиваться за биологически разумное время – секунды или минуты. Для того чтобы доказать, что самая стабильная белковая структура должна сворачиваться быстро, достаточно показать, что к ней всегда ведет по крайней мере один «быстрый» путь сворачивания. Наличие не одного, а многих путей сворачивания может только ускорить процесс. В рассматриваемых нами условиях – вблизи точки термодинамического перехода типа «все-или-ничего» между самой стабильной структурой цепи и аллотропным состоянием – никакие другие («полусвернутые») состояния не могут служить ловушками: они не могут «впитать» сворачивающиеся цепи просто в силу малости своей суммарной стабильности. Объяснением как происходит быстрый путь сворачивания, может служить то, что в динамической системе, вдали от термодинамического равновесия, только аллотропная форма протеина отвечает за скорость сворачивания. Чтобы путь был быстр, каждый шаг на этом пути должен проходиться быстро, таких шагов должно быть не слишком много, и – главное! – этот путь не должен преграждаться «барьером» в виде высокой свободной энергии ни на одной из стадий сворачивания. Так как время фиксации одного звена мало (~1 нс, судя по измеренной скорости роста α-спиралей в белковых цепях), то белок, фиксируя одно свое звено за другим, сворачивался бы мгновенно (100-звенная цепь – за ~100 нс.), если бы при этом он не должен был преодолевать свободно-энергетический барьер. Значит, его в момент сворачивания, а именно в аллотропной самой короткой фазе нет вообще. С точки зрения классической биохимии сворачивание белковой цепи ведет к падению ее энтропии (из-за роста упорядоченности цепи) и энергии (из-за образования в цепи контактов между сближающимися звеньями). Падение энтропии повышает, а падение энергии понижает свободную энергию цепи. Как мы знаем – отрицательная энтропия основное свойство живого. Вероятнее всего именно этот дисбаланс и есть диссимметрия. Если по ходу сворачивания цепь должна очень близко подойти к своей финальной структуре перед тем, как начнут возникать стабилизирующие эту структуру контакты (т. е. цепь должна потерять почти всю свою энтропию перед тем, как начнет выигрываться энергия), – то повышение свободной энергии на первом этапе сворачивания будет пропорциональным числу звеньев в цепи, т. е. очень большим, а сворачивание цепи – страшно медленным (как вы помните, согласно химической кинетике время протекания процесса экспоненциально зависит от достигаемого по его ходу максимального повышения свободной энергии). Именно такая картина (проигрыш всей энтропии до начала выигрыша энергии) лежит в основе «парадокса Левинталя», утверждающего, что белковая цепь никак не может – даже за время жизни Вселенной – найти свою самую стабильную структуру.

В аллотропной фазе протеина, по ходу процесса, падение энтропии практически тут же компенсируется падением энергии, это не перекрывается высоким свободно-энергетическим барьером, и сворачивание идет быстро. Этот процесс имеет прямое отношения к возникновению рака. Свободно-энергетический барьер сильно возрастает при появлении кубических сингоний, в решетках дальнего порядка. При раке этот барьер огромный, что и является причиной неполного сворачивания (фолдинга) белковых молекул. Он «упирается» в него как в стену и размазывается по ней… Иными словами, рак – это «положительный» парадокс Левинталя.

Кратко перечислим еще раз ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ для поиска того места, где возможно явление диссимметрии. Упрощенное представление белковых структур – это α– и β-слои. Характерная особенность – редкость перекрывания петель и параллельности соседних по цепи структурных сегментов. Строение β-белков: продольная и перпендикулярная упаковка β-листов, преимущественная антипараллельность β-структуры в β-белках, правопропеллерность β-структурных листов.

Строение α-белков – пучки и слои спиралей. Строение α/β-белков: параллельный β-слой, прикрытый α-спиралями. Строение α+β-белков. И последнее появление «доменов» в белках. Не исключено, что эти домены являются «прародителями» мегаструктур, видимых практически невооруженным глазом – «клеток-доменов». На эту мысль наводят следующие факты. Даже не очень сильного сходства последовательностей аминокислот достаточно для очень хорошего сходства пространственных структур: как говорят, пространственная структура более консервативна, чем аминокислотная последовательность. Установление гомологии первичных структур – действительно очень мощный метод выяснения родства структур (причем не только белков, а и фрагментов ДНК и РНК. Однако надежно он работает, надежно устанавливает сходство первичных пространственных структур только на достаточно близких последовательностях. Мы видим, что небольшие (из 50-150, реже из 200–250 остатков) цепи укладываются в компактную глобулу диаметром 25–40 Å, и что более крупные белки состоят из нескольких таких субглобул – «доменов». Белковая цепь упаковывается в глобулу так же плотно, как органические молекулы – в кристалл… Основной чертой этого процесса является отрыв энергии самой стабильной, т. е. нативной, структуры белка от энергий, где начинается спектр подавляющего большинства остальных структур белковой цепи. Именно этот отрыв (или, как говорят, «энергетическая щель между самой стабильной структурой и ее конкурентами») и заставляет белок плавиться путем перехода «все-или-ничего», – а до того «терпеть», не меняясь, изменение внешних условий. Теперь можно с определенной уверенностью сказать, что «энергетическая щель» – составная часть диссимметрии. И если эта «щель» по разным причинам становится больше или меньше – развивается патология, и даже рак.