Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка), страница 5

Амброзе, У. Ханби, А. Эллиотт н Р. Темпл впервые использовали инфракрасные спектры поглощения в поляризованном свете для выяснения ориентаций связей Х-Н и С=О в поли-у-метил-Е- глутамате [51, 52). Дихроичный спектр в областях 3300-3050 и 1650 см', где связи [ч-Н и С= О имеют характеристические полосы поглощения, показал, что в свободном, нерастянутом образце такие связи направлены параллельно оси пептидной цепи. При продольном растяжении образца отношение интенсивностей поляризованных полос поглощения Х-Н- и С=О-групп сильно меняется, что свидетельствует о переориентации этих связей, которые становятся теперь перпендикулярными оси цепи.

Е. Амброзе и совет. [52) исследовали также поляризованные спектры а-кератина из среза иглы дикобраза, 8- кератина из среза пера лебедя и свободные и растянутые высоко- ориентированные пленки миозина и тропомнозина. Во всех случаях была обнаружена аналогия со спектрами поли-у-метил-(.-глутамата. Спектры нерастянутых образцов а-кератиновой группы имели интенсивное поглощение М-Н- и С=О-групп при параллельной оси поляризации света и слабое — при перпендикулярной. В спектрах[3-кератина и растянутых пленок миозина наблюдалась обратная картина.

Полученные результаты поставили под сомнение как ленточную трехостаточную структуру а-кератина, предложенную Астбери, так и спиральную структуру с винтовой осью третьего порядка Хаггинса, которые должны были давать в поляризованном свете малый дихроизм полос ХН и СО. Для а-формы фибриллярных белков Амброзе предложил ленточную структуру со свернутой в семичленные циклы цепью с двумя аминокислотными остатками на изгиб. Связи Х-Н и С=О в этой структуре ориентированы преимущественно параллельно оси цепи. Такую же модель независимо предложили в 1947 г.

Г. Цан и в 1948 г. Т. Шиманучи и К. Мидзусима [53-55[. Она отличалась от ранее предложенной аналогичной структуры Хаггинса тем, что в ней связи Сч-Н нависают над семичленными циклами (расположены аксиально), а боковые цепи аминокнслотных остатков направлены в сторону, т.е.

расположены экваториально. В структуре Хаггинса имеет место противоположная относительно цикла ориентация связей Св-Н и Са-СД. Однако модель Амброзе, Цана и Мндзусимы, как и модель Хаггинса, не удовлетворяет эксперименту, так как может испытывать лишь вдвое меньшее, чем наблюдается в опыте, удлиненне при переходе от а-формы к полностью вытянутой В-форме.

Интересные результаты были получены К. Бэмфордом и соавт. [50) при ренггеноструктурном исследовании ориентированных волокон и пленок полн-у-метил-Е-глутамата и некоторых других синтетических полнпептидов. Было показано, что гомополипептиды, как и фибриллярные белки, могут существовать в двух формах — свернутой (а) и вытянутой ([3) — и подвергаться аналогичному обратимому а ~~ В-переходу. По мнению Бэмфорда, а-форма представляет собой ленточную структуру с двумя остатками на изгиб, а [3-форма — полностью вытянутую пептидную цепь. В этой работе впервые обращено внимание на важную роль в формировании структуры среды, из которой регенерируется полипептид.

Показано, например, что муравьиная кислота благоприятствует образованию р-модификации, а метакрезол— а-модификации поли-у-метил 1:глугамата. В 1950 г., за несколько месяцев до опубликования серии исследований Л.Полинга и Р.Кори, появилась большая работа Л. Брэгга, Дж. Кендрью и М.Перутца (56), которая как бы подвела черту под структурными исследованиями белков и полипептидов начального периода.

В этой работе анализируются структурные модели Астбери, Хаггинса, Цана и других авторов и предлагается ряд новых моделей. Однако, по-прежнему, речь идет о возможных типах укладки основной пептидной цепи. Авторы также рассматривают свои первые результаты рентгеноструктурного изучения гемоглобина и миоглобина. При анализе возможных структур пептидного остова Брэгг, Кендрью и Перутц принимают геометрические параметры пептидной группы, близкие к параметрам Хаггинса и согласующиеся с более поздними данными Кори. Так, длина связи С~-С' считается равной 1,52 А, С'-Х вЂ” 1,36 А и С=Π— 1,24 А. Валентные углы прн атоме С" приняты тетраэдрическими (109'28'), а при атоме Х вЂ” или тетраэдрическими, или тригональнымн (120'). Длина водородной связи Х-Н...С=О составляет 2,85 А.

Ее направленность строго не лимитируется, но авторы по мере возможности стремятся к линейному расположению связей Х вЂ” Н и С=О. Л. Брэгг, Дж. Кендрью и М. Перутц приняли постулат М. Хаггинса о спиральной симметрии полипептидной цепи с целочисленным порядком винтовой оси, но отвергли его второй постулат о том, что каждый элемент основной цепи должен находиться в одинаковых отношениях с соседними элементами (принцип эквивалентности). Так же как и Хаггинс, они придают огромное значение водородной связи Х-Н...С=О в формировании структуры основной цепи и считают наиболее стабильными только те нз них, которые полностью насыщены ими.

Предложенная авторами классификация спиральных структур является общепризнанной и в настоящее время )56]. В основу ее положено разделение структур по симметрии пептидного остова и размеру циклов с водородными связями, Согласно первому принципу, цепи могут обладать винтовой осью симметрии 2, 3, 4 и более высокого порядка. Винтовая ось обозначается символом Я. Все возможные кольца с водородными связями идентифицируются числом входящих в них атомов. Кольца могут быть двух типов — А и В. о----------н — с ф н — А ~(нн — снл — со),' о--------- — — — -н — н — и ~(снл — нн — со).— сйп 19 Количество атомов в кольцах типа А определяется формулой К = = Зл + 4 = 7, 10, 13, ..., а типа  — К = Зл + 5 = 8, 11, 14, ....

Таким образом, спиральная структура может быть обозначена символом ба, где 5 — порядок винтовой осн, а К вЂ” число атомов в водородносвязаином цикле. Однако это обозначение неоднозначно. Структуры с одинаковыми обозначениями Я н К могут отличаться частотой реализации водородных связей вдоль цепи. В связи с этим в идентификатор спиральной структуры вводится дополнительное обозначение 1/д, характеризующее степень насыщенности структуры водородными связями (5я.1/ц). Первая структура будет полностью определяться обозначением 2ь вторая — 27 1/2, третья — 2т 1/3.

Количество формально возможных спиральных конформаций пептидной цепи оказывается весьма большим. Хотя многие из ннх являются нереальными по стерическим причинам, тем не менее это количество остается внушительным. Л. Брэгг, Дж. Кендрью и М, Перутц касаются лишь структур, полностью насыщенных водородными связями, интуитивно полагая, что они отвечают минимальной свободной энергии и, следовательно, наиболее вероятны. Авторы подробно анализируют эти структуры и отмечают, в какой степени они согласуются с известными экспериментальными данными и прежде всего с данными рентгеноструктурного анализа. Среди большого числа структур отметим спираль 4м с четырьмя аминокислотными остатками на виток и водородной связью между двумя пептидными группами, разделенными тремя остатками.

Л. Брэгг, Дж. Кендрью и М. Перутц сформулировали важную гипотезу о родственном строении белков, представляющую собой дальнейшее развитие взглядов У. Астбери и М. Хаггинса и получившую широкое распространение в последующих структурных исследованиях белков. Они пишут: "Нельзя полагать с определенностью, что полипептидная цепь имеет одинаковую конформацию во всех кристаллических (т.е. глобулярных) белках или что подобная конформация реализуется в фибриллярных белках, таких, как а-кератин.

Однако вполне вероятно ожидать, что гемоглобин н миоглобин содержат цепи одинакового типа, так как эти белки в некотором отношении являются родственными; более того, интервалы идентичности, межцепочечные расстояния и число остатков в интервале подобны в этих двух белках соответствующим характеристикам а-кератина" [56. С. 356). Авторы имели определенные основания для того, чтобы сделать такое важное заключение. К этому времени ими были получены рентгенограммы кристаллов гемоглобина и миоглобина с огромным числом рефлексов.

Хотя их полная интерпретация еще не могла быть выполнена, тем не менее удалось сделать ряд ценных наблюдений. Оказалось, что структуры гемоглобина и миоглобнна состоят из участков с заметно различающейся плотностью атомов. Участки с болыпей плотностью имеют цилиндрическую форму, рентгеновское рассеяние от которых, как и в а-кератине, отвечает рефлексу 5,1 А.

Рассмотрев большое количество структур полипептидной цепи, как новых, так и предло- 20 женных ранее, Брэгг, Кендрью и Перутц заключают: "Модели, к которым мы пришли, не имеют очевидных преимуществ перед другими альтернативами" [5б. С. 357]. Констатация многообразия предложенных пептидных структур и вывод об отсутствии надежных критериев их выбора правильно характеризовали ситуацию, сложившуюся накануне выхода работ Полинга и Кори. 1.2.

МОДЕЛИ ПОЛИПЕГГТИДОВ ПОЛИНГА И КОРИ Первое краткое сообщение о результатах исследования Полингом и Кори пространственной структуры полипептидов и белков появилось в ноябре 1950 г, [57]. В апреле следующего года в одном номере журнала было опубликовано сразу восемь работ Полинга и Кори с подробным изложением полученных результатов, а вскоре появились еще четыре их работы [58 — 65]. Они сразу же обратили на себя внимание научной общественности, вызвали огромный резонанс и оказали сильное влияние на последующее развитие молекулярной биологии и прежде всего исследований пространственной структуры пептидов и белков.

В связи с чем вполне обоснованно разделить исследования, проводимые в этой области, на работы до 1951 г. и последующего периода. Читая какой- либо труд, посвященный структуре пептидов, можно, не зная даты публикации, почти наверняка определить, написан ли он до или после появления в печати работ этих ученых. Исследования Полинга и Кори [1951 г.) имеют теоретический характер. Сделанные авторами предсказания возможных структур полипептидной цепи основаны на следующих постулатах: 1) приняты одинаковые значения для длин связей и валентных углов всех пептидных групп полипептидной цепи.