Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка), страница 4

Астбери был пионером в изучении структуры синтетических поли- пептидов, использовав для этого рентгеноструктурный анализ и инфракрасные спектры поглощения. Как только Р. Вудвордом и К. Шраммом [281 был разработан доступный метод синтеза полипептидов, Астбери взялся за изучение нх структуры и уже в 1948 г. опубликовал работу по анализу рентгенограмм и колебательных спектров полиглицина, полиизолейцина и полипептидов с чередующимися остатками О[у — А!а, 01у-РЬе и Пе-Р[зе [291. Он отметил сходство рентгенограмм и, следовательно, строения полипептндов и фибриллярных белков.

Подводя итог фундаментальным исследованиям Астбери, следует прежде всего отметить, что в них впервые на большом числе объектов показано, что полипептидные цепи белковых молекул скручены илн уложены строго определенным образом. Результаты его исследований и развитые им представления послужили основой последующей расшифровки структур бнополимеров. Он первым осознал, что молекулярная биология имеет дело прежде всего со структурами биологических макромолекул, изучение которых необходимо для понимания принципов функционирования клеток и организмов. В 1951 г. Астбери писал: 14 "Название "молекулярная биология" ныне, видимо, входит в довольно широкое употребление. Я радуюсь этому, поскольку, хотя едва ли впервые изобрел его, горжусь нм и давно уже пытаюсь его популяризировать.

Оно имеет в виду не столько методику, сколько подход— подход с точки зрения так называемых фундаментальных наук с ведущей идеей поиска на уровне ниже крупномасштабных явлений классической биологии для выявления соответствующего им молекулярного плана. Молекулярная биология занята прежде всего изучением форм биологических молекул и эволюций, функциями и совершенствованием этих форм по мере движения ко все более высоким и сложным уровням организации.

Молекулярная биология в своем существе трехмерна и структурна, что не означает, будто бы она простое уточнение морфологии. Она должна исследовать генезис и функцию." [30. С. 3 1]. Как уже отмечалось, Астбери предложил болыпое число молекулярных моделей белков. Хотя ни одна из них не была подтверждена последующими экспериментами, тем не менее его работы оказали огромное стимулирующее влияние на развитие этой области. Условия, которым должны были удовлетворять предложенные им структуры, еще не носили строго количественного характера. Это касается длин связей, валентных углов и конфигурации пептидной группы (во многих моделях Астбери она не была плоской).

Ученый хотя и предполагал наличие водородных связей между пептидными единицами, например в [)-форме, однако он не сформулировал тезис об образовании связи [ч-Н...О=С как общий принцип формирования структуры полипептидной цепи и не ставил условие полной насыщенности структуры водородными связями. У.

Астбери говорил о необходимости плотной упаковки полнпептидных цепей, но и это требование носило скорее декларативный характер, поскольку никаких количественных критериев им введено не было. Это и не могло быть сделано, так как в то время не только отсутствовали данные о геометрических параметрах пептидов и белков, но еще не было известно химическое строение ни одного белка.

Следующий крупный шаг в развитии представлений о пространственном строении пептидных биополимеров был сделан М. Хаггинсом [31, 32]. Прежде всего Хаггинс сформулировал количественные геометрические критерии, которым должны удовлетворять модели цептидных цепей белков. На основе результатов рентгеноструктурных исследований Р. Кори [33-38] простейших соединений М.

Хаггинсом были приняты для пептидных групп всех моделей единые значения длин связей и валентных углов. Наиболее предпочтительным для пептидиой группы Хаггинс считал плоское состояние, причем транс- и цис-конфигурации предполагал эквивалентными. Однако в некоторых своих моделях он отступал от этого критерия, допуская нарушение плоского строения группы до 30'.

Хаггинс предполагал эквивалентность конформационных состояний всех пептидных единиц в белковой цепи, за исключением различий, связанных с боковыми цепями аминокислотных остатков, которые он считал несущественными. Он был первым, кто придал решающее значение водородной связи в формировании структуры полипептидов. Он прямо указывал на то, что водородная 15 связь является главной "упаковочной силой". Поэтому все предложенные им структуры были полностью насыщены водородными связями между группами Х-Н и С=О пептидного остова в предположении длины Х...О, равной 2,85 1 0,05 А. Следует отметить, что к началу 1940-х годов концегщия водородной связи стала необычайно популярной. Это обьясняется тем, что к этому времени благодаря широкому распространению в химии спектральных методов исследования, особенно инфракрасных спектров поглощения, водородные связи были обнаружены в огромном числе органических соединений, содержащих группы СО, ОК, ОН, ХН и др.

Присутствие водородных связей Х вЂ” Н...О=С в белках впервые нашло спектральное подтверждение в работах 139, 401. Удовлетворять отмеченным выше геометрическим критериям могли только спиральные структуры полипептидной цепи, поэтому Хаггинс предложил спиральное строение полнпептидов. Оказавшаяся столь плодотворной идея сниральности молекулярных структур биополимеров впервые была высказана им в 1942 г. 131». Лишь для фиброина шелка н й-кератина Хаггинс, в согласии с Мейером, Марком и Астбери, допускал плоскую форму цели. Для различных фибриллярных белков им было предложено большое число спиральных структур, существенно отличающихся от ленточных структур У. Астбери.

М. Хаггннс разработал модель пептидиой цепи, которая включала в качестве основного структурного элемента семичленный цикл, замыкаемый водородной связью. Непрерывное повторение в цепи этого элемента при сохранении нормальных значений валентных углов и плоской конфигурации нептидных групп приводит к неплоской структуре полипептида с винтовой осью второго порядка. Такая структура должна давать в рентгенограмме слабый рефлекс 5,0 А и сильный 2,5 А, что, однако, противоречит наблюдаемой дифракционной картине. Модель с неплоской пептидиой группой и периодом идентичности 5,0 А, содержащая семичленные циклы, имеет винтовую ось симметрии третьего порядка. Она была предложена Хаггинсом для а-кератина; структура приблизительно вдвое короче плоской, вытянутой цепи фкератина.

В волокнах а-кератина отдельные спирали соединяются между собой в слои посредством дисульфидных мостиков и за счет взаимодействия боковых цепей. М. Хаггннс показал, что плоская ленточная структура а-кератина У. Астбери с тремя остатками иа изгиб не удовлетворяет экспериментальным геометрическим параметрам и реализоваться не может. М, Хаггинсом, а несколько ранее Г. Тейлором [41~ была предложена спираль с винтовой осью третьего порядка (31в), содержащая 10-членные циклы, замыкаемые водородными связями Х-Н...О=С типа 4->1.

— ~ — 1нн — снн — со1,— ив ! о---------.-.--.-н Структурный элемент спирали Зш, как было обнаружено позднее, встречается в конформациях глобулярных белков. Он был назван 16 и-изгибом, поскольку осуществляет поворот пептидной цепи приблизительно на 180, Оценивая значение работ Хаггинса в изучении пространственной организации пептидов и белков, необходимо отметить следующее: вопервых, он впервые ввел количественные геометрические критерии, которым должна удовлетворять любая молекулярная модель полипептидной цепи; во-вторых, обратил внимание на большую роль водородной связи Х-Н...О=С в формировании пространственного строения пептидного скелета; в-третьих, постулировал насыщенные водородными связями спиральные структуры.

В то же время многочисленность предложенных Хаггинсом структур указала на недостаточность предъявляемых к ним геометрических требований и на неоднозначность интерпретации рентгенограмм. Исследования Хаггинса свидетельствовали о необходимости привлечения дополнительных экспериментальных данных и разработки новых подходов к расшифровке картин рентгеновской дифракции от волокнистых и кристаллических белков.

В 1930-годы были получены первые данные о рентгеновском рассеянии кристаллов ряда глобулярных белков: пепсина (Дж. Бернал, Д. Кроуфут) [42], эдестина, альбумина яйца и эксельсииа [У. Астбери, С. Дикинсон, Ф. Бейли) [24, 43], инсулина [Д. Кроуфут) [44, 45], химотрипсина и метгемоглобина [Дж. Бернал, И. Фанкухен, М. Перутц) [46], лактоглобулина [Д. Кроуфут, Р.

Райли) [47]. В результате стали известны ориентировочные размеры, форма, симметрия и молекулярная масса белков, размеры элементарных ячеек кристаллов, а также вероятное количество молекул в ячейке. На основе рентгенограмм инсулина, лактоглобулина и метгемоглобина бьши построены паттерсоновские проекции межатомных векторов. Д. Ринч предприняла попытку связать особенности паттерсоновских проекций со структурой белков [48, 49]. Она предположила несколько гипотетических моделей, в которых пептидные цепи белков свернуты таким образом, что образуют замкнутые правильные многогранники различных размеров с определенным целым числом аминокислотных остатков.

Многогранники могут представлять собой призмы, октаэдры и т.д., в предельном случае вырождаться в плоскую сетку с замкнутыми полипептидными цепями. Циклольная гипотеза Ринч была скептически встречена отчасти в силу ее искусственности, а главным образом потому, что имеющиеся в то время данные по рентгеновскому рассеянию кристаллов глобулярных белков еще не могли быть надежно связаны с молекулярной структурой.

Для этого прежде всего необходимо было решить проблему фаз рентгеновских рефлексов. При известных фазах и интенсивностях рефлексов могли быть построены проекции распределения электронной плотности и выяснены детали атомной организации структуры. Но это было делом будущего. Как уже отмечалось, в 1947 г. Вудвордом и Шраммом был открыт эффективный метод синтеза полипептидов [28]. Вскоре К. Бэмфорд, У. Ханби и Ф. Хэппи разработали метод приготовления высокоориентированных пленок синтетических полипептидов болыпой молекулярной массы [50]. С этого времени начинается интенсивное изучение 17 структуры гомополипептидов — ближайших искусственных аналогов белка. Е.