А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 18
Текст из файла (страница 18)
6-16. (а) структура октаэдрического комплекса, образованного атомом со+++с ЭдтА. (б) Характерная координация центрального иона при различном соотношении его радиуса с радиусами окружающих его доноров электронов. картинкивзяты из [10] и адаптированытак как ион может связаться и с электронными донорами белка, ис кислородом воды, он (несмотря на большую энергию каждой связи)переходит из воды на белок и обратно без драматического выигрыша илипроигрыша энергии. Важнее, пожалуй, другое: если в белке атомы-донорыуже стоят в «правильных» (для образования координационной связи) положениях — ион может связаться с ними, отпустив ранее окружавшие егомолекулы воды, а это приведет к прочной связи из-за выигрыша энтропиидвижения отпущенных молекул воды. В среднем, каждая координационная связь стоит несколько ккал/моль — несколько больше, чем водороднаясвязь в воде.такие связи, образуемые несколькими атомами одной молекулы, способными связать один ион, называются хелатными («клешневидными»).роль таких связей в белках, и в частности в их активных центрах, мырассмотрим позже.
Мы увидим также, что хелатные, полностью обволакивающие ион комплексы могут входить в гидрофобное ядро белка. А покая хочу снова обратить ваше внимание на рис. 6-16, где изображен частоиспользуемый в лабораторной практике реагент ЭдтА (этилендиаминтетраацетат) в хелатной связи с металлом. У ЭдтА эта связь особенно прочна из-за связи отрицательных зарядов сОО– групп ЭдтА с положительнозаряженным ионом металла.86Вторичная структура полипептидов. спирали: 27, 310, α, π, poly(Pro)II.Антипараллельная и параллельная β-структура. β-изгибы.
Методыэкспериментального обнаружения вторичной структуры.разобравшись с элементарными взаимодействиями, рассмотрим сегоднявторичную структуру белков. Прежде всего у нас речь пойдет о регулярныхвторичных структурах: об α-спиралях и о β-структуре, но не только о них.Укладка α и β-структур в глобулу определяет третичную структурубелка (рис. 7-1). Эти вторичные структуры отличаются определенными,периодическими конформациями главной цепи — при разнообразии конформаций боковых групп.αβРис. 7-1.
Вторичная структура полипептидной цепи (α-спираль и тяж β-листа) итретичная структура белковой глобулы. Обычно α- и β-структуры, в сумме, охватывают половину цепи глобулярного белкаНачнем со спиралей. Они могут быть левые и правые (рис. 7-2), у нихможет быть разный период и шаг. Правые (R) спирали приходят к нам,завиваясь против часовой стрелки (что отвечает положительному отсчетуугла в тригонометрии); левые (L) — приходят, вращаясь по стрелке.87Рис. 7-2.
Правые (R) и левые (L) спирали. Под ними показан отсчет положительного угла в тригонометрии: при этом«близкая к нам» (серая) стрелка вращается против хода часов. На спираль надо,естественно, смотреть вдоль ее оси — слюбого концаВажнейшие спирали в полипептидной цепи держатся водороднымисвязями, где с=О группы остова полипептида связаны с лежащими от них внаправлении с-конца цепи H–N-группами. В принципе, возможны следующие спирали, стянутые Н-связями (рис.
7-3): 27, 310, 413 (обычно именуемаяα) и 516 (она же π). Здесь в названии «27» — «2» означает связь со 2-м поцепи остатком (см. рис. 7-3), а «7» — число атомов в цикле (O......H–N–C′–Cα–N–C′), замыкаемом этой связью. тот же смысл имеют цифры и вназвании других спиралей.Рис. 7-4. конформации различных вторичных структур на фоне карты разрешенных и запрещенных конформаций аминокислотных остатков. 27R, 27L — правая илевая спираль 27; 310R, 310L — правая и левая спираль 310; αR, αL — правая и леваяα-спираль; πR, πL — правая и левая π-спираль. β — β-структура (подробностисм. на рис.
7-8в). р — спираль Poly(Pro)II.— конформации, разрешенные дляаланина (Ala); — области, разрешенные лишь для глицина, но не для аланина идругих остатков; — области, запрещенные для всех остатков. ϕ и ψ — углы внутреннего вращения в главной цепиРис. 7-3. Водородные связи (они показаны стрелками), характерные для разныхспиралей какие из этих спиральных структур преобладают в белках? α-спирали.Почему? Ответ на этот вопрос дает карта рамачандрана для типичногоаминокислотного остатка — аланина (рис. 7-4), на которой отмечены конформации, периодическое повторение которых приводит к завязываниюизображенных на рис.
7-3 водородных связей.Видно, что только спираль αR (α-правая) лежит достаточно глубоковнутри области, разрешенной для аланина (и для всех других остатковL-аминокислот). другие спирали лежат либо на краю этой области (например, левая спираль αL или правая спираль 310), где конформационные напряжения уже возрастают, либо в области, доступной только глицину.Поэтому можно ожидать, что именно правая α-спираль должна быть,как правило, более стабильной и потому преобладать в белках, что и наблюдается. В правой α-спирали (рис. 7-5) все атомы упакованы оптимально: плотно, но без напряжений; поэтому не удивительно, что в белках таких спиралей много, а в фибриллярных белках они достигают гигантскойдлины и включают сотни аминокислотных остатков.88Рис. 7-5.
Правая α-спираль. (а) Атомарная структура. R — боковые группы. серыелинии — водородные связи. (б) схематическое изображение одного витка той жеα-спирали, вид с торца. стрелка показывает поворот спирали (в расчете на одиностаток) по мере ее приближения к нам (номера остатков уменьшаются по мереприближения к читателю). картинка (а) взята из [3] и адаптированаЛевых α-спиралей в белках практически нет. Нет и спиралей 27, которые мало того что лежат на самом краю разрешенной области, но ещеимеют энергетически невыгодный для H-связи, почти прямой угол схождения N–H и О=с групп.89Практически нет в белках и спиралей π.
Они тоже лежат на самомкраю разрешенной области, да еще и витки в них слишком широки, такчто π-спирали имеют энергетически невыгодную пустую «дырку» на оси.А вот спирали 310 (в основном правые, левые пригодны практически лишьдля глицинов) в белках есть, правда, в виде коротких (из трех-четырехостатков) и деформированных фрагментов (из-за стерических напряжений: слишком тугая спираль! соответствующая спирали 310 конформациялежит на самом краю разрешенной области).Отметим одно свойство спиралей, хорошо видное на рис.
7-5а: на ихN-конце сидят свободные от внутриспиральных водородных связей Н-атомыN–H-групп, а на с-конце — свободные от водородных связей О-атомы с=Огрупп. так как электронное облако с Н-атома частично стянуто электроотрицательным N-атомом, а электроотрицательный О-атом сам стягивает электронс с′-атома, — N-конец спирали несет положительный, а с-конец — отрицательный парциальный заряд. то есть спираль представляет собой длинныйдиполь: величина суммарного (поставляемого тремя NH-группами) парциального «+»-заряда на ее N-конце составляет около половины протонного, а«–»-заряда на с-конце α-спирали — около половины электронного заряда. теперь рассмотрим регулярные структуры без водородных связей внутри каждой, но соединенные водородными связями между собой.Вытянутые (все углы в главной цепи — почти trans), слегка скрученные цепи образуют β-структуру.
Она бывает (рис. 7-6) параллельной(β↑↑), антипараллельной (β↓↑) и смешанной (состоящей из β↑↑ и β↓↑).β-структура стянута водородными связями (символы / , \ и | на схемахрис. 7-6). Она существует в виде более или менее крупных листов. таккак поверхность β-структуры — рифленая, ее еще называют «складчатойβ-структурой» (рис. 7-7).β-структурные листы всегда несколько скручены как целое (рис. 7-8а)из-за того, что несколько скручены (рис. 7-8б) отдельные β-тяжи, и потому по ходу тяжа несколько меняется направленность водородных связей.А тяжи, как показал с.
Чотиа, скручены из-за того, что наиболее энергетически выгодная конформация остатков с боковыми группами сдвинутак центру стерически разрешенной области (рис. 7-8в). скрученность отдельного β-тяжа — левая (у L-аминокислот! — у D было бы наоборот): вывидите (рис. 7-8б), что боковые группы тяжа поворачиваются по часовойстрелке (на ≈–165o на каждый остаток) по мере приближения тяжа к нам.В результате, поворачиваются и Н-связи (на ≈–165o на каждый остаток, т. е.
на –330 o = +30 o на пару остатков — повторяющуюся единицуβ-структуры), так что угол между соседними тяжами β-структуры (если90смотреть с кромки листа, рис. 7-8а) обычно составляет около –25 о («минус», как всегда, означает, что ближний к нам β-тяж повернут по часовойстрелке относительно более далекого). таким образом, β-лист имеет левоескручивание, если смотреть с края этого листа (и правое, если смотретьвдоль β-тяжей на поворот линии Н-связей).Рис.
7-6. схема хода цепи и расположения водородных связей в параллельной β↑↑,антипараллельной β↓↑и смешанной β↑↑↓ β-структуре. Видно, что Н-связи одногоостатка в β-тяже направлены в одну сторону, следующего — в противоположную,и т. д.Рис. 7-7. Лист β-структуры имеет складчатую поверхность. тонкими светлымилиниями показаны водородные связи β-тяжей. Боковые группы (см. маленькиеотростки) расположены на складках; каждая обращена в ту же, что и складка, сторону, т. е. направленные вниз и вверх боковые группы чередуются вдоль β-тяжа.картинка взята из [3] и адаптирована91таблица 7-1. Основные геометрические параметры наиболеераспространенных в белках вторичных структурструктураРис. 7-8.
(а) скрученность β-листа. β-тяжи изображены стрелками, водородныесвязи между ними — тонкими светлыми линиями. (б) схематическое изображениеодного витка β-тяжа, вид с торца. кружки — боковые группы; их номера возрастают по мере удаления от читателя. светлые линии указывают направление с=Огрупп, завязывающих Н-связи в листе, большая стрелка — поворот β-тяжа приприближении к нам на один остаток, малая стрелка — поворот направленных водну сторону водородных связей при приближении к нам на два остатка. (в) конформация идеальной (не скрученной) параллельной (↑↑) и антипараллельной (↑↓)β-структуры для поли(Gly), и усредненная конформация реальной (сложеннойиз L аминокислот) скрученной (twist) β-структуры.
Штриховая линия показывает область энергетического минимума для отдельно взятого остатка Ala; тонкимконтуром с затемнением показаны границы области разрешенных конформацийэтого остатка. диагональ ϕψ-карты соответствует плоской периодичной структуре,имеющей 2 остатка на виток. Над диагональю лежат левые (L) спирали, под ней —правые (R). картинки (а), (в) взяты из [3] и адаптированы Есть спирали и без водородных связей, где плотная (а значит, энергетически выгодная) упаковка держится чисто на Ван-дер-Ваальсовыхконтактах. Это — полипролиновая спираль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
