А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 28
Текст из файла (страница 28)
При этом мы будем использовать следующуюлогику: так как белок в целом стабилен, он должен в основном состоять изстабильных элементов, т. е. именно они должны наблюдаться в его структуре чаще всего, а нестабильные должны наблюдаться редко.Почему пролин не любит вторичной структуры? Потому, что у него нетNH-группы в главной цепи, т. е. у него вдвое уменьшена возможность завязывать водородные связи, а именно на них и держится вторичная структура. Почему он, тем не менее, любит N-конец спирали? Потому, что здесь,на N-конце, NH-группы «торчат» из спирали, т. е. они и так не вовлеченыв водородные связи, и здесь пролину нечего терять...
с другой стороны,угол ϕ в пролине фиксирован его кольцом примерно при –60о, т. е. его конформация уже почти «готова» для α-спирали (рис. 10-2а).Рис. 10-2. Запрещенные и разрешенные конформации различных аминокислотных остатков и — на их фоне — конформации α- и β-структуры. (а) разрешенныедля пролина конформации ( ) на фоне конформаций, разрешенных для аланина ( );— конформации, запрещенные для них обоих. (б) разрешенные конформацииаланина ( ) на фоне конформаций , разрешенных лишь для глицина; — области, запрещенные для всех остатков. (в) карта запрещенных ( ) и разрешенных( , ) конформаций более крупных остатков.
В области разрешены все конформации боковой группы по углу χ1, в области часть углов χ1 запрещена135Почему глицин не любит вторичной структуры и предпочитает нерегулярные участки («клубок»)? Потому, что для него допустима оченьширокая область углов (ϕψ) на карте рамачандрана (рис. 10-2б), ему легко принимать самые разнообразные конформации, лежащие вне вторичнойструктуры.Наоборот, аланин — с более узкой, но включающей и α-, и β-конформациюразрешенной областью на карте рамачандрана (рис. 10-2б) — предпочитаетнерегулярным конформациям α-спираль (и отчасти β-структуру).Остальные гидрофобные остатки (т.
е. остатки без зарядов и диполей в боковой цепи) предпочитают, как правило, β-структуру. Почему? Потому, чтоих крупные γ-атомы могут там располагаться более свободно (рис. 10-2в).Особенно это важно для боковых групп с двумя крупными γ-атомами.А вот аминокислоты с полярными группами в боковых цепях предпочитают поверхностные нерегулярные участки («клубок»), где эти полярные группы могут завязать водородные связи как с полипептидной цепью,так и с водой. Особенно заметна эта тенденция для наиболее полярных,заряженных при «нормальном» рН7 остатков, и для самых коротких (см.рис. 10-1) полярных боковых цепей, с наиболее приближенными к главнойцепи полярными группами. кстати, по той же причине, поскольку у нихтам есть возможность завязать дополнительную водородную связь, короткие полярные боковые группы любят места у обоих концов спирали.Некое исключение среди аминокислот с диполями в боковой цеписоставляют триптофан и тирозин, имеющие маленький диполь на фонебольшой гидрофобной части, и цистеин, у которого (т.
е. у SН-группы которого) водородные связи совсем слабые. Они ведут себя, в общем, так же,как гидрофобные остатки.Мы видим также, что отрицательно заряженные боковые группы предпочитают N-конец спирали (точнее: N-концевой виток и один-два остаткаперед ним) и не любят с-концевой виток (и пару остатков за ним), а положительно заряженные — предпочитают C-конец спирали и не любят ееN-конец. Почему? Потому, что на N-конце из спирали торчат NH-группыи на нем образуется заметный положительный заряд, и «минусы» боковыхцепей притягиваются к нему, а «плюсы» отталкиваются от него (рис. 10-3).А с-конец спирали заряжен, наоборот, отрицательно, и там эффект противоположен: около с-конца любят собираться «плюсы» боковых цепей, а«минусы» его избегают.Рис.
10-3. Предпочтительное расположение заряженных боковых групп у концовα-спирали136Что касается расположения остатков внутри белка или на его поверхности, здесь общая тенденция заключается в том, что полярные (гидрофильные) боковые группы находятся снаружи, где они могут контактировать сполярной же водой («подобное растворяется в подобном»!). Отрыватьсяот воды полярным группам плохо — теряются водородные связи.
Особенно плохо отрываться заряженным группам: переход из среды с высокойдиэлектрической проницаемостью (из воды) в среду с низкой (ядро белка)ведет к большому повышению свободной энергии. И действительно, ионизированных групп внутри белка практически нет (а почти все исключения связаны либо с координационными связями с ионом металла, либо сактивными центрами, ради которых, собственно, белок и создан...).Наоборот, большинство гидрофобных боковых групп находятся внутрибелка — они-то и создают здесь гидрофобное ядро (опять: «подобное растворяется в подобном»!). Мы уже говорили, что гидрофобность группытем больше, чем больше ее неполярная поверхность: именно ее нужноупрятать от воды.
для чисто неполярных групп гидрофобный эффект прямо пропорционален их поверхности, а для групп с полярными вкраплениями — их поверхности за вычетом поверхности этих вкраплений.слипание гидрофобных групп — главная движущая сила образованиябелковой глобулы.
Главная, но не единственная — еще есть образованиеводородных связей во вторичной структуре (о чем мы уже говорили) и образование плотной, квазикристаллической упаковки внутри белка (о чеммы еще поговорим в свое время).для создания гидрофобного ядра белковой цепью она должна входить внего с уже насыщенными водородными связями — ведь иначе ее полярнымпептидным группам от воды придется оторваться, а разрыв водородной связи дорог. Поэтому в гидрофобное ядро вовлекается цепь, уже образовавшая(или образующая при этом) вторичную структуру и тем самым насытившаяводородные связи пептидных групп в главной цепи.
Однако при этом вядро должны увлекаться только гидрофобные остатки вторичной структуры, а входящие в нее полярные остатки должны остаться вне ядра, потомуи на α-спиралях, и на β-структурных участках выделяются гидрофобныеи гидрофильные поверхности; для их создания необходимо определенноечередование соответствующих групп в белковой цепи (рис. 10-4).Все закономерности, о которых мы сейчас говорили, используются какдля конструирования искусственных белков, так и для предсказания — поаминокислотным последовательностям — вторичной структуры белков,а также для предсказаний тех участков их цепи, что глубоко погруженыв белок, или, наоборот, тех участков, что лежат на поверхности белка.к этим вопросам мы еще вернемся.137Рис.
10-4. Боковые группы, которые (если все они неполярные) могут формироватьединые гидрофобные поверхности на α-спиралях и на β-структурных участках.Аналогичные сочетания полярных групп в цепи приводят к образованию гидрофильных областей на противоположных поверхностях α-спиралей и β-тяжей В заключение — еще немного о заряженных (или, точнее, ионизуемых) боковых группах.
Повышение рН, т. е. падение концентрации H+,всегда делает группу «более отрицательно заряженной» — нейтральнаягруппа приобретает отрицательный заряд, а положительно заряженная —разряжается, рис. 10-5. Переход из незаряженного в заряженное или иззаряженного в незаряженное состояние происходит у разных групп приразных рН, однако ширина перехода при этом всегда одна и та же — около2 единиц рН (в этом интервале отношение заряженной и незаряженнойформ меняется от 10:1 до 1:10).Рис. 10-5. Заряженность ионизуемых боковых групп, а также N-конца пептиднойцепи (NH2–Cα) и ее с-конца (Cα–C’OOH) в водном окружении при разных рН. торН, что соответствует «полузаряженному» состоянию, и есть величина рк ионизации данной группы (см.
табл.10-2). Вероятность заряженного состояния ионизуемой группы относится к вероятности ее незаряженного состояния как 10(рк–рН):1для положительно заряжающейся группы, и 10–(рк–рН):1 для отрицательно заряжающейся группы следует обратить особое внимание на группы, переходящие из незаряженного в заряженное состояние при рН, близком к 7, характерном дляжизни белка в клетке: именно такие легко перезаряжаемые группы (и особенно гистидин) часто используются в активных центрах белков.как уже говорилось, ионизуемой группе легче погрузиться в неполярную среду (т.
е. вглубь белка или мембраны) в разряженном состоянии.действительно, погружение иона стоит, по сделанной нами оценке, оченьдорого – несколько десятков килокалорий на моль. А чего стоит разрядка138ионизуемой группы? Это нетрудно оценить, имея перед глазами рис.10-5.Вероятность незаряженного состояния группы в водном окружении составляет W0 = 1/[1+10(рк–рН)] для положительно и W0 = 1/[1+10–(рк–рН)] дляотрицательно заряжающейся группы. свободная энергия этого незаряженного состояния F0 = –kTlnW0; т. е. для положительно заряжающейся группы F0 ≈ 0, если рН > рк, и F0 ≈ + 2,3kT(рк – pH), если рН < рк.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
