А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 19
Текст из файла (страница 19)
При этом три цепи, каждаяиз которых скручена в довольно растянутую левую спираль, перевиваясь,образуют правую суперспираль — они плотно закручиваются друг вокругдруга. Из двух возможных типов полипролиновой спирали для нас важнаспираль poly(Pro)II: такого рода спираль реализуется в коллагене. В этойспирали пептидные группы пролинов находятся в обычной (trans) конформации. Отложим более подробное рассмотрение коллагеновой спиралидо соответствующего места курса, а пока ограничимся общим ее видом(рис. 7-9) и отметим на рис.
7-4 область соответствующей ей конформациицепи: видно, что она довольно близка к β-структуре.Рис. 7-9. Общий вид тройной правой суперспирали из левых спиралей Poly(Pro)IIПараметры наиболее важных регулярных вторичных структур белковых цепей суммируются в табл. 7-1:92спираль αRспираль (310)RЛист β↑↓Лист β↑↑спираль Poly(Pro) IIH-связьОстаток/витоксмещение/остаток (Å)φCO0–HN+4CO0–HN+3меж цепей*меж цепей*Нет+3,6+3,0–2,3–2,3–3,01,52,03,43,23,0–600–500–1350–1200–800ψ–450–250+1500+1350+1550*расстояние между тяжами в β-листе: 4,8 ÅПримечание.
данные взяты из [3, 6]. Все цифры округлены. «+» в колонке«Остаток/виток» означает правую спираль, «–» — левую. кроме регулярных, в полипептидных цепях есть еще и нерегулярныевторичные структуры, т. е. стандартные структуры, не образующие длинные периодические системы.Это — так называемые β-изгибы («β» — потому, что они часто стягивают верхушки соседних β-тяжей в антипараллельных β-шпильках).Характерный вид наиболее важных β-изгибов и конформации входящих вних остатков представлены на рис. 7-10. сравните рис. 7-10в с рис.
7-4 итабл. 7-1 и обратите внимание на то, что изгибы I (и особенно III) близкипо конформации к витку спирали 310.Рис. 7-10. β-изгибы. (а) β-изгиб типа I (β-изгиб типа III очень на него похож и потомуне нарисован отдельно). (б) β-изгиб типа II. Его основное отличие от β-изгиба I — переворот пептидной группы, соединяющей остатки i+1 и i+2. (в) конформации фиксируемых водородной связью остатков i+1 и i+2 в β-изгибах.
В β-изгибе III оба остаткаi+1 и i+2 имеют одинаковую конформацию (отмечена жирной точкой). конформацииостатков i и i+3 в β-изгибах не фиксированы; они фиксируются β-структурой — еслиона прорастает из изгиба, как на рисунке (г), где дана схема β-шпильки с β-изгибом вее вершине. картинки (а), (б), (в) взяты из [3] и адаптированы93В изгибы обычно входит около половины остатков, не попавших в регулярные вторичные структуры белка. В заключение, несколько слов о том, как экспериментально обнаруживается вторичная структура.конечно, если сделан рентген (или точный многомерный ЯМр) белка,вторичная структура берется из атомных координат.Впрочем, ЯМр (ядерный магнитный резонанс), который хорошо фиксирует сближенность (до 4–5 и менее Å) ядер атомов, позволяет определять вторичную структуру даже тогда, когда полную атомную структурубелка построить еще не удается.Метод ЯМр основан на возбуждении радиоволнами ориентированныхв сильном магнитном поле ядер — тех ядер, которые имеют нечетноечисло нуклонов (протонов и нейтронов): только они имеют спин и, вследствие этого, — магнитный момент.
В белке это — природные «легкие»водороды 1H, а также вводимые изотопы 13с, 15N и т. д. Магнитный резонанс наступает на радиочастоте, характерной для данного атома, причемэта частота слегка модифицируется его соседями по химическим связям ипо пространству (что и позволяет судить, атом какого остатка возбудился).Возбужденное ядро может передать свое возбуждение соседнему с ним впространстве ядру с магнитным моментом, и оно отрапортует о полученном возбуждении уже на своей частоте (что и позволит судить о сближенности этих двух магнитных ядер).для α-спиралей особенно характерна сближенность H-атома группы C αH с H-атомом NH-группы 4-го от нее (к с-концу цепи) остатка, адля β-структуры — сближенность Н-атомов NH- и CαH-групп у остатков, непосредственно соседствующих по цепи, и у остатков, связанныхН-связями в β-листе (рис.
7-11).Рис. 7-11. сближенность (↔) ядер водородных атомов, наиболее характерная дляα-спирали (а), параллельной (б) и антипараллельной (в) β-структуры. Индексы приатомах главной цепи в рисунке (а) показывают взаимное расположение остатков вцепи94Однако наиболее важную, пожалуй, роль в определении вторичнойструктуры играет метод кругового дихроизма (кд). Он не требует знанияобщей пространственной структуры белка. Наоборот, структурное исследование белка обычно начинается с получения спектров кд. Метод кдоснован на различии в поглощении право- и левополяризованного светав спиралях различной закрученности.
Из-за этого различия в поглощенииплоскополяризованный свет превращается в эллиптически поляризованный.Характерные спектры эллиптичности в области «дальнего» ультрафиолета (190–240 нм) приведены на рис. 7-12. Показанные спектры зависят отасимметрии окружения пептидных групп и потому рапортуют о том, естьли в белке вторичная структура, какая и сколько ее.Рис. 7-12. Характерные формы спектровкд для полилизина в форме α-спирали(α), β-структуры (β) и неупорядоченногоклубка (r). картинка взята из N. J. Greenfeld et al., Biochemistry (1969) 8:4104–4116 и адаптированаПептидные группы оптически возбуждаются в «дальнем УФ», при длине волны порядка 200 нм. Это примерно вдвое большая длина волны, чемта, на которой возбуждаются отдельные атомы. Причина того, что пептидная группа возбуждается более длинноволновым (т.
е. менее «жестким»)светом, — в делокализации электронов пептидной группы по несколькиматомам, о чем мы уже говорили.Еще больше делокализованы электроны в ароматических группах —там они «размазаны» не по трем, как в пептидной группе, а по шести атомам. спектры кд ароматических боковых групп приходятся на длину волны ~250–280 нм (хотя «хвост» этих спектров доходит до ~220 нм). В этомдиапазоне длин волн, ~250–280 нм (в «ближнем» ультрафиолете), изучаютасимметрию окружения ароматических боковых групп, т. е. эффекты, связанные с образованием уже не вторичной, а третичной структуры белка.95В скобках отмечу, что при еще большей делокализации электрона (в более крупных молекулах с кратными связями) он начинает возбуждатьсяуже не ультрафиолетовым, а видимым светом (400–600 нм): свечение таких молекул видно на глаз, т. е.
они являются красителями.Лекция 8Рис. 7-13. Характерные формы инфракрасных спектров пропускания, измеренных в тяжелой воде D2O для полилизинав форме α-спирали (α), β-структуры (β)и неупорядоченного клубка (r). Измерения, в данном случае, проводились в области «амид I», отражающей колебанияс=О-связи. картинка взята из H. Susi,Methods Enzymol. (1972) 26:455–472 иадаптированакроме ультрафиолетовых спектров, для регистрации вторичной структуры полипептидов и белков используются инфракрасные (Ик) спектры.Они отражают различия в колебаниях пептидных групп, вовлеченных ине вовлеченных в разные вторичные структуры (рис.
7-13). Эти измеренияболее сложны, чем измерения УФ-спектров, так как H2O поглощает примерно в той же области; поэтому такие измерения обычно проводятся вD2O. кроме того, они требуют больше белка, чем измерения УФ-спектров,и более высоких концентраций белка в растворе.Элементы статистической физики. связь температуры с изменениемэнергии и энтропии. Вероятности состояний с различной энергией (распределение Больцмана–Гиббса).
статистическая суммаи ее связь со свободной энергией. конформационные превращения. Понятие о фазовом переходе первого рода (переходе «всеили-ничего») и о не-фазовых переходах. кинетика преодолениясвободно-энергетического барьера при конформационных превращениях. Понятие о теории скоростей реакций. Параллельные ипоследовательные процессы. Характерные скорости диффузионныхпроцессов.теперь можно было бы перейти к рассказу об образовании и распадевторичной структуры.Однако прежде я хочу поговорить об основах статистической физики итермодинамики «вообще», так как без этого трудно рассказывать и о стабильности вторичной структуры, и о стабильности белков, и о кооперативных переходах в полипептидах и белках, и о кинетике этих переходов.термодинамика дает представление о типах возможных кооперативныхпереходов в системах, состоящих из очень большого числа частиц.
статистическая физика позволяет указать, когда и какие переходы произойдутв рассматриваемой системе и описать детали этих переходов, исходя изсвойств рассматриваемых частиц и взаимодействий между ними.Прежде всего мы рассмотрим основные понятия статистической физики и термодинамики — энтропию, температуру, свободную энергию истатистическую сумму.Итак, системы с большим числом степеней свободы (т.
е. состоящие избольшого числа молекул или даже из одной большой и гибкой молекулы)описываются при помощи статистической физики. «статистической» —ибо число конфигураций таких больших систем колоссально. только один97пример: если каждое из N звеньев цепи может находиться всего в двухвозможных конфигурациях (например: «спиральном» и «вытянутом»),то вся N-звенная цепь имеет 2N возможных конфигураций. то есть «нормальная» для белка цепь из 100 звеньев может иметь, по крайней мере,2100, или около 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 конфигураций. Этоочень много. Чтобы просмотреть их все, тратя 1 наносекунду (10–9 с) напросмотр каждой, понадобилось бы 3⋅1013 лет — в 1000 раз больше, чемсуществует наша Вселенная… А ведь на опыте в пробирке находятся миллиарды таких цепей — не говоря о растворителе! И если бы мы захотелиинвентаризовать все конфигурации этих цепей, мы бы пропали навсегда.Но нас, конечно, будут интересовать более простые и разумные вещи, например, средняя (т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
