Разные способы изображения трехмерной структуры белка. «Стержневая» модель, показанная слева, отображает все атомы и связи между ними. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Белковая молекула, в общих чертах, состоит из неизменной главной цепи и многочисленных ответвлений — боковых цепей. Главная цепь — это массивная и длинная молекулярная структура. Когда она изгибается или сворачивается, в движение приходит сразу большое количество атомов, и такое коллективное движение неизбежно протекает довольно медленно. Боковые цепи — это небольшие отростки, содержащие по несколько атомов углерода, водорода и иногда других элементов. Боковые цепи могут поворачиваться на своем месте поодиночке, и этот процесс происходит гораздо быстрее, чем изменение костяка.
ПСУже это описание само по себе вкупе с прошлыми оценками дает ощущение того минимального масштаба времени, на котором происходят разные этапы движения молекулы. Поворот одной боковой цепочки приводит в движение несколько «тяжелых» атомов и несколько атомов водорода. Силы, заставляющие цепочку поворачиваться, — это те же межмолекулярные силы. Поэтому даже если нет никаких препятствий, поворот цепочки происходит в несколько раз медленнее, чем колебание одного атома, т. е. как минимум несколько пикосекунд. В реальности каждая боковая цепь чувствует своих соседей, а также молекулы воды, — и это взаимодействие затрудняет ее разворот. Поэтому когда боковые цепочки поворачиваются, стараясь оптимизировать свое расположение, этот процесс может занять десятки и сотни пикосекунд, вплоть до наносекунд.
Иерархическое устройство белковых молекул: первичная, вторичная, третичная и четверичная структура. Изображение с сайта en.wikipedia.org
НСНа еще больших временах начинает формироваться вторичная структура белка — образуются альфа-спирали, бета-листы и другие структуры. Этот процесс вовлекает в движение главную цепь белковой молекулы, а значит, он происходит еще медленнее. Смещение участка полипептидной цепи хотя бы из нескольких десятков аминокислот — это движение сотен умеренно тяжелых атомов. Даже в отсутствие препятствий для изгиба это всё равно потребовало бы порядка наносекунды.
МКСВ реальности этому движению мешается «рогатая» структура боковых цепей. «Костяк» белковой молекулы в конце концов находит путь к энергетически более удобной для него конфигурации, но только после многочисленных попыток ткнуться туда или сюда. Поэтому совершенно неудивительно, что и типичное время для существенного изменения намного больше наносекунды. Как правило, это микросекунды. Но лишний раз подчеркнем — такое большое по атомным масштабам время получается не потому, что молекулы движутся медленно, а потому что им требуется совершить множество попыток для того, чтобы оптимизировать свою конфигурацию.
Результаты компьютерного моделирования фолдинга белков позволяют «заглянуть» в этот процесс и понять, что происходит на каком масштабе. Здесь видно, что боковые цепи активно шевелятся в пико- и наносекундном диапазоне, а костяк — в районе микросекунд. Изображение из статьи D. Shaw et al., 2010. Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins
Но и это еще не конец истории. Когда белок изогнулся каким-то определенным образом, он вовсе не попадает сразу же в самую энергетически выгодную конфигурацию. Под действием теплового движения он будет продолжать изгибаться и перестраиваться, пытаясь оптимизировать свою форму дальше. Он как бы «прощупывает» разные возможности для конфигурации, пытаясь попасть туда, где ему выгоднее с точки зрения энергии. Этот процесс можно представить себе как блуждание молекулы в сложном «энергетическом ландшафте» в поиске самого глубокого минимума — нативной структуры белка. На пути к нему молекула может на какое-то время застрять в неоптимальной конфигурации, и только спустя больше количество попыток она вылезет оттуда и сможет упаковаться еще оптимальнее.
«Энергетический ландшафт» белковой молекулы — схематическая иллюстрация того факта, что по-разному упакованная молекула обладает разной энергией. Изображение из статьи K. Dill, J. MacCallum, 2012. The Protein-Folding Problem, 50 Years On
МСДля мелких белков таких попыток потребуется совсем немного, скажем, десятки. Фолдинг таких белков в нативную структуру происходит за десятки микросекунд. А для крупных белков это время может растянуться аж до миллисекунд и больше.
«Жизнь» белковой молекулы Физическая основа жизни
