А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 29
Текст из файла (страница 29)
А для отрицательно заряжающейся группы F0 ≈ 0 при рН < рк, и F0 ≈ –2,3kT(рк – pH)при рН > рк. таким образом, «свободная энергия разрядки» F0 не превосходит нескольких килокалорий на моль для всех изображенных на рис.105 ионизуемых групп при «нормальных» рН ≈ 7.Рис.
11-1. Лист β-структуры. тенямиподчеркнута его складчатость и периодичность. тонкие линии — водородные связи между цепями, слагающимиβ-листПрОстрАНстВЕННОЕ стрОЕНИЕ БЕЛкОВЛекция 11Фибриллярные белки, их функции и их периодичные первичные и вторичные структуры; α-кератин, β-фиброин шелка, коллаген. Упаковкадлинных α-спиралей и обширных β-листов.
Белки, образующиематрикс; эластин. Генетические дефекты белков и болезни. Амилоиды.теперь, когда мы знаем свойства вторичных структур полипептидов исвойства аминокислотных остатков, обратимся, наконец, к белкам.как уже говорилось, по «жизненным условиям», по стабилизующимструктуру белков взаимодействиям и общему типу строения белки можноразбить на три класса: (1) фибриллярные белки; (2) мембранные белки;(3) водорастворимые глобулярные белки.рассмотрим сначала фибриллярные белки.Фибриллярные белки играют в основном структурную роль. Они образуют микрофиламенты, фибриллы, волосы, шелк и другие защитныепокровы; они армируют мембраны и поддерживают структуру клеток итканей. Фибриллярные белки часто очень велики.
к ним принадлежит исамый большой из известных белков — мышечный белок титин, состоящий из примерно 30 000 аминокислотных остатков.Фибриллярные белки часто образуют огромные агрегаты; их пространственная структура высоко регулярна, сложена в основном из оченьбольших блоков вторичной структуры и держится в значительной степенина взаимодействии между разными полипептидными цепями. Первичнаяструктура фибриллярных белков также высоко регулярна, периодична,потому-то из нее и образуется обширная регулярная вторичная структура.типичными представителями фибриллярных белков являются: а) β-структурный белок фиброин шелка. У β-листа, как мы знаем, периодичность состоит в чередовании остатков, обращенных «вверх» и «вниз»(рис.
11-1).140соответственно, в фиброине шелка основной мотив первичной структуры выглядит как повтор восьми блоков, где в каждом из блоков идетчередование маленьких Gly и более крупных остатков, например:и этот восьмикратный повтор шести остатков, отороченный менее регулярными кусками цепи, повторяется около 50 раз.Антипараллельные (такие, как на рис. 11-1) β-слои фиброина шелкауложены друга на друга по принципу «лицом к лицу, спина к спине»:двойной слой глицинов (расстояние между плоскостями 3,5 Å) — двойнойслой аланинов/серинов (расстояние между плоскостями 5,7 Å; это хорошовидит рентген) — двойной слой глицинов — и т.
д.В волокне шелка эти квазикристаллы, состоящие из многих β-слоев, погружены в менее упорядоченный матрикс,образованный нерегулярными частями фиброина, а также —специальным неупорядоченным матриксным белком серицином, сшитым S–S-связями в огромный агрегат. б) α-структурные фибриллярные белки, сложенныеиз длинных перевитых спиралей (coiled coil) (рис. 11-2).В α-кератине, во всех, обладающих очень разной первичнойструктурой белках промежуточных филаментов, в тропомиозине такие спирали охватывают всю белковую цепь, даи большая часть миозиновой цепи образует фибриллу такого типа. такие структуры содержатся также в шелке, но необычном шелке тутового шелкопряда, о котором шла речьвыше, а шелке пчел и муравьев.Рис. 11-2. Перевитые правые α-спирали.В комплексе они лежат параллельно другдругу и слегка закручены одна вокругдругой так, что каждая из них образуетлевую суперспираль с периодом в 140 Å.контактирующие аминокислотные остатки занимают в цепи повторяющиеся позиции a и d (см.
рис. 11-3, 11-4)141слипаясь, отдельные цепи образуют суперспираль (рис. 11-2, 11-3).На следующем структурном уровне изображенные на рис. 11-2 суперспирали часто (но не всегда, например, не в тропомиозине) слипаютсядруг с другом и образуют фибриллы.Входящие в суперспираль α-спирали обычно параллельны, и перевиты они — в разных белках — по две, три или больше. У α-спирали, какмы уже знаем, период равен 3,6 остатка на виток. В перевитых спираляхпериодичность — 7 остатков на два витка α-спирали, т.
е. 3,5 остатка навиток (рис. 11-3, 11-4). Остановимся чуть подробнее на том, как спирали слипаются между собой. На α-спирали (рис. 11-5, слева) есть несколько спиральных нарезок —«хребтов» из сближенных в пространстве боковых групп. Одни хребтыимеют периодичность типа 1 – 4 – 7 – ... , и та их часть, что входит в зонуконтакта, состоит из пар a1 – d4, a8 – d11, ... (рис.
11-5, в центре). другие хребты имеют периодичность типа 0 – 4 – 8 – 12 – ... . та часть этих хребтов, чтовходит в зону контакта, состоит из пар d4 – a8, d11 – a15, ... (рис. 11-5, справа).Рис. 11-3. Взаимодействие α-спиралей в двойной (а) и тройной (б) суперспирали(вид с торца спирали). В двойной суперспирали непосредственно контактируют сдругой спиралью только остатки а и d, а в тройной — еще и остатки e и g (хотя иболее слабо). картинка, с некоторыми изменениями, взята из [6]Рис. 11-4типичная первичная структура при этом имеет ту же периодичность —7 остатков — и выглядит, как на рис. 11-4. На этом рисунке жирные буквысоответствуют гидрофобным (жирным, слипающимся) аминокислотам, апрочие буквы — аминокислотам гидрофильным.Интересно, что небольшое увеличение гидрофобности остатков, находящихся в «промежуточных» позициях e и g, превращает двойную перевитую спираль (рис.
11-3а) в тройную (рис. 11-3б), а еще большее — вчетверную и т. д.Интересно также, что механическое растяжение увлажненного волокна, сложенного из α-спиралей, может заставить их совершить переход вβ-структурную форму, а при снятии напряжения и понижении влажностиα-спиральная структура восстанавливается.142Рис. 11-5. α-спираль (главная цепь и Cβ-атомы) и два сорта хребтов (тонкие линии) из сближенных боковых групп на ее поверхности. В центре: хребты типа i,i + 3 (или просто «+3»); справа: хребты типа i, i + 4 (или «+4»). Полосой показанаконтактная поверхность; ее краями выделены линии остатков a и d.
Отмеченытипичные углы наклона хребтов i, i + 3 и i, i + 4 относительно оси спирали (на рисунке углы представляются меньшими, так как типичные хребты проходят черезмассивные боковые группы, а на рисунке — через центры Cβ-атомов). картинка, снекоторыми изменениями, взята из [5]Первые хребты, хребты типа «i, i + 4» (если проводить их через выступы, образованные боковыми группами) идут под углом примерно–25о к оси спирали, вторые хребты, хребты типа «i, i + 3» — под угломпримерно +45 о (см. рис. 11-5). Если, перевернув вокруг вертикальнойоси, наложить одну поверхность спирали на другую (рис.
11-6), а затемповернуть на +20о вокруг перпендикулярной странице оси, то хребты143типа «1 – 4 – 7» одной спирали окажутся между хребтами типа «0 – 4– 8» другой, что обеспечит их плотный контакт (см. рис. 11-6, справа).При этом группы а одной спирали окажутся между группами d другой, а зона контакта образует на поверхности обеих спиралей (покаони не суперспирализованы) слабо скрученную спиральную полосу. Акогда эти спирали суперспирализуются (см. рис.
11-2) и обовьются вокруг общей оси, зона контакта окажется в центре слегка перевитого пучка.Рис. 11-6. Плотная упаковка хребтов боковых групп при контакте спиралей требуетразворота на +20о одной спирали относительно другой. Мы смотрим на зону контакта сквозь одну спираль (сквозь перевернутую вдоль оси α2). Остатки «нижней»спирали α1 изображены светлыми, а верхней α2 — темными кружками.
тонкимилиниями показаны линии контактирующих остатков a и d. картинка, с некоторымиизменениями, взята из Chothia et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1977) 74:4130–4134Это — не единственный способ плотного контакта спиралей (с другими мы познакомимся, когда будем говорить о глобулярных белках), ноединственный, пригодный для очень длинных спиралей, типичных дляфибриллярных белков. Он был предсказан еще криком в том же 1953 году,когда он вместе с Уотсоном предсказал двойную спираль дНк. в) коллаген (по-гречески — «образующий клей»). Главный опорныйбелок, составляющий около четверти белковой массы позвоночных. Он формирует прочные нерастворимые фибриллы.
Молекула коллагена образуетсяособой, тройной суперспиралью, сложенной из трех полипептидов (рис. 117). При этом внутри каждого полипептида, внутри каждой нити этой тройной спирали водородных связей нет — они есть только между нитями.конформация всех остатков в каждой цепи коллагена близка к конформации полипролиновой [точнее, poly(Pro)II] спирали; однако, в отличиеот poly(Pro)II, коллагеновая спираль имеет межцепные водородные связи.Это — левая спираль, и период ее равен трем. соответственно, основноймотив первичной структуры в коллагене выглядит как многократный повтор троек (Gly-Pro-Pro)n или, точнее, (Gly-нечто-Pro)n, причем Gly в такойтройке необходим для образования водородных связей: у него есть NHгруппа (в отличие от Pro) и нет боковой группы, а любая боковая группабыла бы лишней в центре тугой коллагеновой суперспирали, где сидит образующий Н-связь глицин.144Рис. 11-7.
Модель тройной суперспирали коллагена дляпоследовательности (глицин — пролин — пролин)n. каждая цепь выделена своим оттенком. Водородные связиН-атомов NH-групп глицина с О-атомами сО-групп первых пролинов троек Gly-Pro-Pro показаны в виде маленькихчерных гантелек. При этом Gly цепи «1» завязывает связьс цепью «2», а Pro — с цепью «3», и т. д. Завиваясь вокруг двух других, каждая цепь коллагена образует правуюсуперспираль. «супер» — потому что на более мелкоммасштабе, на масштабе конформаций отдельных остатков,коллагеновая цепь уже образует спираль типа poly(Pro)II(причем эта «микроспираль» — левая); ее можно проследить по направлению пролиновых колец. Молекула коллагена имеет около 15 Å в диаметре и около 3000 Å в длинуИнтересно, что экзоны, кодирующие коллагеновуюцепь, практически всегда начинаются с глицинов исодержат число кодонов, кратное трем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
