Лекции Рубина (1123233), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Иэл.стат задается формулойопределение конформационной энергииметиламидов- CONH -92N-СНз), гдеацетилR--а-(8.6)аминокислот(8.4).Бьшо проведенодля простейших остатков(СНз- CONH -СНR-радикал боковой цепи аминокислотного остатка.На рис.8.5представлена диаграмма поверхности конформационной энергии в функции углов ер и \jf молекулыацетилN-- L-аланина.Видны четыре области низкой энергии с неглубокими минимумами1- 2ккал/моль. Данные расчета структуры совпадают с другими экспериментальнымирезультатами.Такимобразом,конформацияпростейшихфрагментов полипептидной цепи может быть найдена путем расчета.Для этого необходимо знать химическую последовательность аминокислотных остатков и подсчитать энергию невалентных взаимодействий ихатомов и атомных групп по формулеНайденная в результате кон(8.6).формация задается в виде конкретных значений углов поворота атомныхгрупп и соответствующих расстояний между ними, при которых конформационная суммарная энергия, зависящая от всех видов объемныхвзаимодействий, достигает минимальных значений.360~~~~~~~~~~,-12.060 -8,4 -12,6 -16,8о60 12.0 180ф(с"-N), градо-180 -12.0 -60Рис.8.5.60120 180 2.40 300 360ф (N-C"), градДиаграмма потенциальной поверхности молекулыметиламида- N-ацетил- L-аланина.
Цифрыуказывают энергию конформации в Кдж/мольКонформационная энергия белка, включающего многие сотниостатков, не может быть найдена таким путем из-за больших математических трудностей. В этом случае уже нельзя непосредственно рассчитать вторичную и тем более третичную структуру больших участковбелка, зная первичную последовательность. Для решения этой проблемысейчас пользуются эмпирическим методом, который основан на многочисленных экспериментальных данных по корреляции между вторичнойструктурой участка белка и его первичной аминокислотной последовательностью.
На основании этих корреляций сформулированы эвристическиепринципыпространственногостроениябелкаиправиласворачивания пептидной цепи с образованием вторичной и третичнойструктур.Общая топография белковой глобулы определяется тем, что полярныегруппырасположенывосновномнаповерхности,анеполярныенаходятся внутри глобулы и образуют ее гидрофобное ядро. На поверхностях основных элементов вторичной структуры а-спиралей и13 -структур также имеются целые гидрофобные области. Внутримолеку-93Аминокислотная•••••••••••последовательностьiсегментыЭлементарные~омплекЬыJДоменыГлоб~лярныеРис.8.6.белкиИерархия структуры белка и последовательностьего сворачиваниялярныеводородныесвязимеждупептиднымигруппамимаксимальнонасыщены и стабилизируют глобулу.Кроме этих топологических принципов существуют еще обширныестатистические данные о частотах появления каждого аминокислотногоостатка из первичной последовательности в а-и13 -элементах вторичной структуры.
С помощью эмпирических правил удается примерно вполовине случаев предсказать, какова будет вторичная структура белкапри заданной первичной последовательности. Различные типы белковыхструктурпосоставляют- видимому,структурнуюотражаети(рис.8.6)последовательностьиерархию,стадийкоторая,сворачиваниябелка из первичной полипептидной цепи. Уже на самых ранних стадиях94сворачивания в развернутой цепи образуются а-или13 -участки вторичной структуры за счет локальных взаимодействий.
Затем эти участкистабилизируются в результате действия гидрофобных сил, водородныхсвязей и объемных взаимодействий с другими участками цепи с образованием уже третичной структуры. Самосборка структуры белка носитнаправленный кооперативный характер. Она протекает через определенное число промежуточных стадий, а не путем перебора всех возможныхвариантов укладки до достижения минимального по энергии состояния.На такой "статистический" способ сворачивания потребовалось бы времянеизмеримо большее, чем реальное время сворачивания белковой глобулы (несколько секунд).Выгодные низкоэнергетические состояния появляются сразу наранних этапах сворачивания в небольших участках цепи, включающихдва-три остатка, а средние и дальние взаимодействия их не только не"портят", но стабилизируют.
Эти представления можно использовать длятого, чтобы упростить метод расчета низкоэнергетической конформациибелка. Вместо того чтобы пытаться сразу найти минимальную по энергии конформацию для всей цепи, находят вначале низкоэнергетическиесостояния дипептидов. Низкоэнергетические формы трипептидов представляют собой комбинации низкоэнергетических форм смежных дипептидов,чтоявляетсярезультатомсогласованноститри-идипептидных взаимодействий. Конформационный анализ более сложныхолигопептидов проводится методом последовательного увеличения цепина один остаток. Важно, что новые взаимодействия, возникающие приудлинении цепи, стабилизируют фрагмент и не нарушают уже сложившихся взаимодействий и низкоэнергетических форм.
В настоящее времятакой полуэмпирический метод расчета дает возможность определитьпространственную структуру достаточно сложных полипептидов, включающих до сотни остатков. Например, бьша рассчитана структура молекулы бычьего панкреатического трипсинового ингибитора, включающей58аминокислотных остатков с заданной первичной последовательностью. Однако расчеты более сложных полипептидов потребуют привлеченияуженезависимыхстерическихпредположенийовозможнойструктуре белка.95Состояние воды в биополимерах. Мы уже говорили, что общаятопология белковой глобулы определяется гидрофобными взаимодействиями, которые имеют чисто термодинамическую природу. Неполярныеуглеводороды разрушают ячеистую структуру воды, что приводит к повышению энтропии (ЛS>О) и, следовательно, к уменьшению свободнойэнергии системыЛF= ли-ТЛS, где ЛS>О.Однако разрушение структуры воды нарушает систему водородныхсвязей между молекулами воды.
Вместо водородных связей углеводороды способны образовывать только более слабые ван-дер-ваальсовы связис водой. Это приводит к увеличению значений ли> О, которые по абсолютной величине превышают отрицательный энтропийный вклад в изменение ЛF, т. е. ли> ITЛSI. Поэтому в целом ЛF повышается, чтоэнергетически невыгодно, и приводит к выталкиванию углеводородов изводной фазы. Гидрофобные взаимодействия в целомстабилизируютмакромолекулы, хотя детальная картина взаимодействий с водой в пределах макромолекулы значительно сложнее.
Сами молекулы воды распределены в глобуле неоднородно. Снаружи глобулы имеются локальныеполярные центры гидратации, гдемолекулы воды сильнеесвязаныпосравнению с тонкой гидратной оболочкой на поверхности глобулы. Вцелом около поверхности белка может удерживаться до2 - 3 слоевводы.Кроме того, имеется фракция прочно связанной воды, которая фиксируется на соответствующих малоподвижных элементах белковой структуры.Влияние воды на конформационную энергию пептидов сушественно не изменяет положения энергетических минимумов на конформационной карте. Вода может оказывать сильное влияние на стабильностьотдельных конформационных участков и тем самым на внутримолекулярную подвижность белка.
Известно, что при увеличении степени гидратации высушенных препаратов ферментов увеличение их активностипроисходит резко(10- 20)вузкомдиапазонеувеличениячисламолекулводына одну молекулу белка. В этой области происходит растормаживание определенных внутримолекулярных степеней свободы, нужныхдля обеспечения ферментативной активности.систему белок-Можно рассматриватьвода как единую кооперативную систему, где измененияв состоянии как растворителя, так и белка носят взаимосвязанный характер.Уникальность Сlрукrуры белка.
Белок обладает определеннойплотной структурой, которая образуется из первичной аминокислотнойпоследовательности в результате согласованного характера ближних идальних взаимодействий. В этом смысле структура белка уникальна.Возникает вопрос, в какой степени первичная последовательность однозначно определяет топологию и функциональные свойства белковойглобулы?96Известно, что белки, выполняющие одинаковые функции в разныхорганизмах,отличаютсяпосвоейпервичнойпоследовательности(например, цитохромы).
Однако третичные структуры у них сходны. Ноесть белки, обладающие сходными третичными структурами, но выполняющие различные функции. Оказалось также, что способностью формироватьаи-13 -участкиснепрерывнымигидрофобнымиповерхностями обладают не только природные, но и случайные аминокислотные последовательности полярных и неполярных групп. Такимобразом, для получения плотной упаковки белка нет необходимостиабсолютно однозначно задавать его первичную последовательность, хотяфункциональные свойства белка определяются сравнительно небольшимчислом активных групп. И здесь уже ситуация совершенно иная. В активном центре белка (фермента), где имеются, как правило,остат5- 6ков, нельзя заменить ни одного из них без нарушения функциональныхсвойств. Поэтому комбинация незаменимых остатков в активном центребелка должна воспроизводиться совершенно однозначно при обязательном сохранении лишь общих топографических черт глобулярной пространственной структуры.Теперь,пользуясьформуламитеорииинформации(6.2 - 6.3),можно оценить вероятность случайного одноактного синтеза белка.Вначале найдем количество информации, содержащейся вцентре с аминокислотными остатками, число которыхчисло способовW,активномn=5 - 6.Общеекоторыми конструируют такой активный центр, выNбрав из==20 аминокислот нужные нам 5 - 6, составляет, очевидно, W = 20620 -20 .
В таком центре содержится количество информации, равное 1log2W:5N1 = log220 = 4,3-N = 20-30бит.Очевидно, это самое минимальное количество информации, необходимое для синтеза белка. На самом деле незаменимы в белке также иотдельные его характерные участки, которые содержат, как правило, неменееN=20-25аминокислот. Тогда количество биологически уникальной информации в белке будет уже больше. Оно составит величинуВероятностьслучайногоодноактногосинтеза такойструктурыочень мала:Р=1w97Это значит, что создание емкой информационной системы белкане могло произойти в один акт, а осуществляется постепенно с обязательным закреплением синтезированных элементов структуры в процессах воспроизведения.Особеннос1П пространственной организации нуклеиновых кислот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
