Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Работа белка часто связана с взаимными превращениями двух или нескольких его пространственных форм. Динамические аспекты структуры белка обсуждаются далее в гл. 5 и 6. Понимание всех уровней структурной организации белков необходимо для обсуждения их функций, к которому мы перейдем в следующих главах. 4.1. Обзор белковых структур Пространственная организация атомов в молекуле белка называется конформацией.
Конформации белка — это все структурныс формы, которые он может принимать без разрыва ковалентных связей. Изменения конформации могут происходить, например, в результате относительного вращения групп при одинарных связях. Из всего теоретически возможного многообразия копформаций белка с сотнями одинарных связей в биологических системах в нормальных условиях реализуется лишь один или несколько вариантов. Существование всего нескольких устойчивых конформаций белковой молекулы отражает необходимость тех изменений, которые происходят с большинством белков при связывании с другими молекулами или в каталитических реакциях.
Реализуемыс конформации обычно наиболсс термодинамически выгодные и характеризуются наименьшим значением свободной энергии Гиббса (С). Белок в любой из функциональных конформаций называется нативным белком. Что определяет устойчивость той илн иной конформации белка? К пониманию этого мы придем постепенно — от обсуждения первичной структуры белка (гл. 3) через последуюгцее знакомство с вторичной, третичной и четвертичной структурами. Данный традиционный подход к изучению белка мы дополним новым материалом по классификации так называемых сверхвторичных структур, образующихся при фолдинге белка. Начнем мы со знакомства с некоторыми основными принципами.
Конформацил белка в значительной степени стабилизирована слабыми взаимодействнлмн Если мы говорим о структурс белка, то стабильность (устойчивость) белка можно определи~ь как сто способность сохранять свою нативную конформацию. Нативныс белки в физиологических условиях стабильны лишь условно, изменение энергии гьс от свернутого к развернутому белку не превышает 20 — 65 кДж/моль. Любая полипептидная цепь теоретически может принимать бессчетное число рашичных конформаций, в результате чего развернутый белок характеризуется высокой конформацнонной энтропией. Эта энтропия, а также водородные связи между многочисленными группами в полицептилной цепи и молекулами растворителя (воды) стремятся удержать белок в развернутом состоянии.
Среди химических взаимодействий, противостоящих этим силам и стабилизируюгцнх нативную конформацию, следует назвать дисульфидные связи и слабые (нековалентные) взаимодействия, описанные в гл. 2: волородные связи, гидрофобные и ионныс взаимодействия. Во многих белках днсульфидных мостиков нет. Условия внутри большинства клеток являются сильно восстановительными, что препятствует образованию связей — Я вЂ” 5 —. У эукариот дисульфидпые связи обнаруживаются в основном в секретируемых внсклеточных белках (например, в молекуле инсулина). В бактериальпых белках дисульфидные связи также встречаются редко. Однако у термофильных бактерий и архей обычно содержится много белков с дисульфиднымн связями, стабилизирующими эти белки; возможно, зто один из способов адаптации к существованию в условиях повьппснных температур.
У большинства организмов при формировании полипептидной цепью внутриклеточного белка вторичной и трстичной структур особенно важны слабые мсжмолекулярные взаимодействия. Образование четвертичной структуры из нескольких полипептидов тоже зависит от слаоых взаимодействий. Для разрыва одинарной ковалентной связи требуется от 200 до 460 кДж/моль, в то время как для нарушения слабых взаимодействий достаточно 4 — 30 кДж/моль.
Отдельные ковэлептные связи, участвующие в поддержании нативной конформации белка, такие как дисульфндные 4д Обзор белковых структур (173! связи, удерживающие вместе части полипептилпой цепи, очевидно, являются гораздо более прочными, чем отдельные слабые взаимодействия. Олнако благодаря своей множественности именно слабые взаимолействия вносят основной вклад в стабилизацию структуры белка. Обычно копформация белка с самой низкой свободной энергией (т.
е. напболсс устойчивая) отличается максимальным числом реализованных слабых юанмодействий. Стабильность белка определяется не просто суммой свободных энергий образования многих слабых взаимодействий внутри него. Каждая группа, участвующая в образовании водородной связи в свернутом белке, до сворачивания белка была связана водородными связями (приблизительно такой жс силы) с водой, но эти связи разорвались. Общий вклад конкретного слабого взаимодействия в стабильность белка, или ризность свооодных энергий свернутого и развернутого белка, примерно равен нулю. Стабилизирующими или дестабилизирующими могут быть также взаимодействия ионов. Таким образом, чтобы понять, чем объясняется предпочтительность нативной конформации белка, нужно учесть еще и другие факторы. При рассмотрении вкладов слабых взаимодействий в стабильность белка мы обнаружим, что обычно среди них преобладают гидрофобные взаимодействия. Чистая вода представляет собой сеть связанных водородными связями молекул НзО.
Никакпс другие молекулы пе имеют такого потенциала для образования водородных связей, поэтому любая другая молекула в водном растворе нарушает структуру водородных связей в воде. Любая гидрофобная молекула в водном растворе окружена структурированной оболочкой из молекул воды (сольватной оболочкой), возникающей в результате оптимальной организации водородных связей (см. рис. 2-7).
Возрастающая упорядоченность молекул воды в сазьватной оболочке характеризуется неблагопрнятныч с термодинамической точки зрения понижением энтропии. Однако если неполярные группы растворенного вещества собираются вместе и образуют кластеры, то размеры сольватной еболочкн уменьшаются, поскольку в таком случае уже не вся поверхность неполярной группы экспопнрована в растворе. Термодинамическнй результат этого — увеличение энтропии. Как было показано в гл. 2, энтропия является главной лвижущей силой, заставляющей гидрофобные группы ассоциировать в водном растворе.
Таким образом, гидрофобные боковые цепи аминокислот склонны образовывать кластеры внутри молекулы белка, чтобы держаться подальше от воды. В физиологических условиях образование водородных связей и ионные взаимодействия в основном являются результатом проявления все того же энтропийного фактора. Полярные группы обычно способны образовывать водородные связи с водой, т. е. обусловливают растворимость в воде.
Однако число водородных связей на единицу массы в чистой воде гораздо выше, чем в любой другой жидкости нли растворе, поэтому существует предел растворимости даже самых полярных молекул, поскольку нх присутствие умсныпает число водородных связей на единицу массы раствора. Следовательно, даже вокруг полярных молекул образуется некая сольватная оболочка из структурированных молекул волы. Даже если в макромолекуле энергия образования внутримолекулярных водородных связей или ионных взаимодействий между двумя полярными группами в значительной степени нивелируется нарушением полобных взаимодействий между теми жс группамн и водой, высвобождение структурированных молекул воды при возникновении внутримолекулярных связей является движущей силой, которая способствует фолдпнгу.
Итак, наибольшая доля выигрыша в свободной энергии, обусловленного слабыми взаимодействиями внутри белка, в водном растворе связана с ростом энтропии за счет исчезновения гидрофобных поверхностей. Этого выигрыша достаточно, чтобы компенсировать потери конформационной эптропин, связанные с принятием белком одной- единственной конформации. Очевидно, что гидрофобные взаимодействия чрезвычайно важны для стабилизации определенной конформации, обычно характеризующейся наличием внутри свернутой молекулы белка плотноупакованного гидрофобного ядра, состоящего из боковых цепей аминокислот.
Очень важно также, чтобы все полярные или заряженные группы внутри молекулы белка имели подходя~них партнеров для образования водородных связей и ионных взаимодействий. Одна водородная связь не вносит большого вклада в стабильность нативпой структуры, однако наличие в гидрофобном 11741 Часть 1. 4. Трехмерная структура белков ядре полярной или заряженной группы, нс имеющей партнера, может оказывать настолько сильное дестабилизирующее влияние, что подобная конформация может оказаться несостоятельной с термодинамической точки зрения. Выигрыш в свободной энергии, связанный с образованием пары между подобной группой и другой группой или молекулой в растворе, может превысить разницу между значениями свободных энергий свернутого и развернутого белка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
