Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка), страница 7

Криком [76, 77). Авторы развили общую теорию дифракции рентгеновских лучей на спиральных структурах. Она упростила количественные сравнения предсказанных н опытных данных и позволила получать непосредственно из наблюдаемой рентгенограммы значения спиральных параметров: л— число остатков на виток и Ь вЂ” высоту витка. Значения л и л, найденные авторами для поли-у-бензин-А-глутамата, точно совпали с параметрами а-спирали [18 остатков в 5 витках протяженностью вдоль оси 27,0 А).

При обсуждении а-спирали Полинг и Кори сравнивали радиальные распределения интенсивности рассеяния рентгеновских лучей, рассчитанные для спирали [включая атомы С а), с экспериментальной функцией распределения, полученной для гемоглобина. Хорошее совпадение теоретических и опытных данных указывало на преобладание а-спиралей в гемоглобине. Подобное доказательство вскоре было приведено Д. Райли и Ю. Арндтом при изучении функции распределения интенсивности рассеяния рентгеновских лучей сывороточным альбумином [78). Здесь совпадение оказалось еще более бесспорным, что позволило сделать вывод о значительном содержании и в этом глобулярном белке а-спиралей. Результаты, полученные при использовании других методов исследования пространственного строения, также неизменно подтверждали правильность а-спирали.

Новые данные по инфракрасному дихроизму полипептидов А. Эллиотта, У. Прайса и Р. Фразера полностью согласовывались с моделью пептидной цепи, в которой водородные связи Х вЂ” Н...О=С ориентированы приблизительно параллельно оси [79 †8. Способность фибриллярных белков группы к.ш.е й вдвое увеличивать свою длину хорошо отвечала 122%-й растяжимости а-спирали при ее переходе к 8-структуре складчатого листа [821. Очень скоро большинство исследователей пришли к выводу, что а- спираль является основой структуры а-форм фибриллярных белков и синтетических полипептидов. При интерпретации рентгеновских данных, касающихся а-кератина, возникли, однако, некоторые трудности, 25 преодоление которых привело к уточнению структуры этого белка.

Одна из главных особенностей рентгенограммы а-кератина заключается в наличии интенсивного меридионального рефлекса 5,2 А. Нормальная а-спираль, например, поли-у-бензин-> -глутамата дает рефлекс 5,4 А с неболыпим смещением максимума от меридиана. Различие в двух случаях в расстоянии между соответствующими слоевыми плоскостями и в положении максимумов интенсивности рассеяния были почти одновременно и независимо объяснены Криком [83) и Полингом н Кори [84) систематической деформацией единичных а-спиралей в а-кератине.

Она вызвана свертыванием и-спиралей в жгут, т.е. образованием суперспирали. Ф. Крик показал, что свертывание единичных спиралей возникает за счет эффективной упаковки белковых цепей. Он обсудил геометрические аспекты взаимодействия белковых цепей н описал две структуры а-кератина с двумя и тремя нитями в жгуте. Л. Полинг и Р. Кори предложили для а-кератина скрученную структуру из семи свернутых в а-спираль цепей. Первое систематическое изучение стабильности спиральных структур было предпринято в >953 г. Донахью, который использовал несколько измененные стереохимические критерии Полинга и Кори и учел при построении спиралей энергии> дестабилизации, вызванную отклонением длин связей и валентных углов от стандартных значений [85). Помимо а- ну-спиралей Донахью проанализировал четыре других спирали с энергией деформации меньше 3,0 ккал на аминокислотный остаток, а именно 2,2>, 3,0ш и 4,4,„(н-спираль, предложенная Б.

Лоу [86[), Среди них самой предпочтительной, по Донахью, оказалась а- спираль. С увеличением размера боковых цепей амннокнслотных остатков расстояние между осями спиралей увеличивается, структура полипептнда становится менее упорядоченной и качество рентгенограмм падает. Особое значение для определения ориентации боковых цепей и решения вопроса о стабильности правой и левой а-спирали имело изучение рентгеновского рассеяния поли-2.-аланином. где можно было надеяться получить полное соответсгвие между структурой и рентгенограммой. Ориентировочный образец поли-2.-аланина в свободном и растянутом состояниях, а также при повышенной влажности был изучен Бэмфордом и соавт. [87).

Полученные четкие рентгенограммы точно соответствовали картине рентгеновской дифракции или а-спирали (для свободного полимера) нли [3-структурь> [для растянутого полимера или при повышенной влажности). Поли- 2.-алании оказался первь>м синтетическим полипептидом, для которого удалось наблюдать две конформации основной цепи. Свободный образец дает интенсивные меридиональные рефлексы 5,4 в 1,5 А, отвечающие а-спи3>али, атомы С которой располагаются на окружности с радиусом 2,3 А. Если ограничиться А-полипептидами, то можно построить две спиральные структуры с противоположным направлением винтовой оси: правую и певун>.

Для полиглицина обе спирали зеркально-симметричны н, следовательно, нзоэнергетнчны. Прн наличии атомов С а зеркальная 2б симметрия нарушается и спирали становятся энергетически неэквивалентными из-за различной упаковки боковых цепей и их ориентации относительно пептидного остова. Первую попытку решить вопрос о предпочтительности правой или левой закрутки спирали предприняли в 1956 г. Л. Браун и И. Троттер [88]. Располагая оси спиралей в одном направлении, они получили лучшее соответствие рассчитанных и наблюдаемых интенсивностей рефлексов в рентгенограмме поли-Е-аланина для левой а-спирали. Правильный ответ был получен через три года А. Эллиоттом и Б. Мэлколмом, которые повторили аналогичный расчет, предложив, однако, статистическое распределение направлений спиральных осей вверх и вниз в ориентированном образце поли-1.- аланина [89].

В результате оказалось, что структура полимера представляет собой правую а-спираль. Вскоре она была обнаружена у многих синтетических полипептцдов. Хотя в 1950-е годы еще не было известно пространственное строение на атомном уровне ни у одного белка, тем не менее в то время почти отсутствовало сомнение в том, что белковые молекулы построены из регулярных форм и главным образом из а-спиралей Полинга и Кори, обнаруженных в чистом виде у гомополипептидов. Именно на таком представлении о строении белков основана классификация белковых структур на первичную, вторичную и третичную, предложенная в 1952 г. К. Линдерстрем-Лангом [90]. Под первичной структурой понималась аминокислотная последовательность белка, т.е.

его химическое строение, включая дисульфидные связи; под вторичной структурой— полностью насыщенные пептидными водородными связями регулярные конформации белковой цепи как целого или ее отдельных участков. Набор взаимодействующих между собой регулярных конформаций а- спиралей, 8-структур и т.д, образует нативное пространственное строение белковой молекулы, названное Линдерстрем-Лангом третичной структурой. Таким образом, классификация Линдерстрем-Ланга, по существу, представляет собой формулировку принципа пространственной организации белков. Очевидно, разделение пространственной структуры белка на вторичную и третичную является условным и может иметь смысл только в том случае, если пространственное строение макромолекулы действительно представляет собой ансамбль сравнительно немногочисленных канонических форм полипептидов.

В то время этот вопрос был далек от своего решения. Позднее иерархия структур Линдерсгрем-Ланга пополнилась еще одной, четвертичной, структурой, характеризующей агрегацию белковых молекул или достаточно обособленных субъединиц. Примерами белков с четвертичной структурой могут служить гемоглобин, молекула которого состоит из четырех субъединиц, белок вируса табачной мозаики, представляющий собой систему из 200 одинаковых глобулярных молекул, Под сильным влиянием а-спиральной концепции К.

ЛиндерстремЛанг и Дж. Шеллман предложили в 1954 г. третичную структуру инсулина, состоящую из левой а-спирали цепи А и правой — цепи В [91]. Б. Лоу в 1955 г. построила структурную модель этого белка нз 27 двух левых а-спиралей 192ь а Г. Линдли и Дж. Коллетт (1955 г.) — из двух правых а-спиралей ~93). Нарушение спиральной структуры допускалось только в местах образования дисульфидных связей. Три совершенно различные модели, но в равной мере основанные на предположении о максимальном содержании а-спиралей, были предложены для рибонуклеазы — второго белка после инсулина, для которого стала известной аминокислотная последовательность.