А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 33
Текст из файла (страница 33)
совершая туннельный переход, электрон не расходует энергиина преодоление барьера (здесь нет никакого «трения»). Понижение энергии осуществляется за счет электронно-конформационного взаимодействия (ЭкВ). А именно, когда электрон переходит на следующий пигмент,он застает его в конформации, соответствующей энергетическому минимуму без этого нового электрона. Минимуму же энергии в присутствии«нового» электрона отвечает другая, несколько деформированная по отношению к первой, конформация (т. е.
расположение ядер атомов) пигмента.спускаясь в эту новую конформацию, атомы пигмента трутся об окружение, и избыточная энергия диссипирует. В результате электрон на каждомшаге идет от более высокоэнергетической атомной орбиты к более низкоэнергетической, его энергия понижается и она расходуется на то, чтобысделать туннельный переход «эффективным», т. е. необратимым.И последнее. туннельный (или, как говорят, «под-барьерный») переходможно отличить от обычного активационного механизма перехода черезэнергетический барьер по тому, что на скорость туннельного переходатемпература существенным образом не влияет (и потому этот переход неисчезает при низкой температуре), а скорость активационного перехода(пропорциональная exp(–∆E#/kBT), где ∆E# — энергия активационного барьера, а Т — температура) резко уменьшается при падении температуры.161Лекция 13Глобулярные белки.
Упрощенное представление структур белковыхглобул; структурные классы. строение β-белков: β-слои, их продольная и перпендикулярная упаковка. Преимущественная антипараллельность β-структуры в β-белках. Правопропеллерная скрученность β-листов. топология β-белков.теперь в фокусе нашего внимания будут находиться глобулярные, аточнее — водорастворимые глобулярные белки.
Именно они наиболее исследованы: для сотен — изучена спонтанная самоорганизация, для тысяч —расшифрована атомная трехмерная структура. Поэтому именно их обычноимеют в виду, говоря о «типичных белковых структурах», о «закономерностях, наблюдаемых в строении и самоорганизации белков» и т. д. Послеэтой необходимой оговорки обратимся к структурам глобулярных белков. рентгеноструктурные исследования (а позже — двух- и многомерныйЯМр) позволили за более чем полвека интенсивной работы сотен лабораторий установить атомную структуру порядка 10 000 белков (а если считать и мутантные формы, и различные функциональные состояния, то разв десять больше).Внутренний голос. А совпадает ли та структура, что видит рентген —в кристалле! — со структурой белка в растворе?Лектор.
как правило, практически совпадает. Это подтверждаетсятремя группами данных. Во-первых, часто можно показать, что белок вкристалле сохраняет свою активность. Во-вторых, иногда можно получитьодин и тот же белок в разных кристаллических формах (рис. д-17). Приэтом его строение остается практически неизменным. И, наконец, ЯМрбелка в растворе (правда, он возможен пока только для не очень большихбелков) показывает ту же структуру, что и рентген в кристалле (ср.
рис.д-18 с д-17). Однако надо оговориться: иногда в белке есть гибкие участки (некоторые боковые группы, петли, а также междоменные перемычки162в больших белках), и вот их структура может меняться при кристаллизации или наводиться ею. Но это относится либо к мелким деталям белковых структур, либо к смещению доменов, но не к устройству практическитвердых доменов и небольших белков.Надо добавить, что рентген видит не только «статическую», усредненную структуру белка, которую мы будем рассматривать сегодня и на ближайших лекциях, но и тепловые флуктуации атомов белка, которые будутвкратце обсуждаться позже. Итак, что можно увидеть в структурах белков — водорастворимых глобулярных белков — с птичьего полета?Мы видим, что небольшие (из 50–150, реже из 200–250 остатков) цепиукладываются в компактную глобулу диаметром 25–40 Å (рис.
13-1); и чтоболее крупные белки состоят из нескольких таких субглобул — «доменов»(рис. 13-2). Белковая цепь упаковывается в глобулу так же плотно, какорганические молекулы — в кристалл. Это видно и при взгляде на поверхность белка (рис. 13-1а), и на «срезе» белковой глобулы, показанном нарис. 13-1б. Однако, рассматривая белок, нам предстоит рассматривать неплотноупакованные электронные облака (или Ван-дер-Ваальсовы поверхности) атомов — иначе ничего не будет видно внутри белка — а толькоочищенные от «мяса» атомов (рис. 13-1в) и даже от боковых групп вообще(рис. 13-1г) скелеты белковых молекул. Поэтому не поддавайтесь частосоздаваемому рисунками ощущению «рыхлости» белковых глобул!каркас пространственной структуры подавляющего большинства глобул (доменов) сложен из уже изученных нами регулярных вторичныхструктур — α-спиралей и β-листов (рис.
13-1д), которые стабилизованырегулярными водородными связями в регулярной главной цепи. В глобулярных белках на долю α- и β-структур в сумме обычно приходится50–70 % остатков цепи. кстати, эти вторичные структуры были теоретически предсказаны Полингом, кори и Брэнсоном еще до расшифровки атомного строения белковых молекул. «Штабель», сложенный из этих структур(рис. 13-1е), определяет основные особенности строения белка.каркас из α- и β-структур как бы окружает гидрофобное ядро (илиядра) белка, а нерегулярные петли лежат дальше, на периферии глобулы.
Петли практически никогда не входят внутрь белковой глобулы — инеудивительно: их не вовлеченные во вторичную структуру пептидныегруппы не должны порывать своих водородных связей с водой, это велобы к нестабильности глобулы. кстати: водородные связи петель (а также — торцов α-спиралей и краев β-листов) с молекулами воды часто обнаруживаются рентгеном в белковых молекулах.В зависимости от строения каркаса глобулярные белки подразделяютсяна: «чистые» β-белки; «чистые» α-белки; и «смешанные» α/β и α + β-белки.163строго говоря, эта классификация типов белковых структур относится кмалым белкам, а также к отдельным доменам (т. е. к компактным субглобулам, из которых сложены большие белки), так как большие белки могутсодержать, например, и β-, и α-домены одновременно.Рис.
13-2. Глобулярные домены в γ-кристаллинеНас будет прежде всего интересовать: 1) архитектура упаковки α- иβ-структурных сегментов в компактную глобулу (рис. 13-1е); и 2) ход цепичерез глобулу (рис. 13-1д) — или, как часто говорят, «топология белковойглобулы».При этом мы часто будем использовать упрощенные схемы строениябелков (рис. 13-3). такое упрощение достигается не только обращениемосновного внимания на вторичные структуры (при пренебрежении детальным строением петель), но и пренебрежением различий в размерах этихструктур и в деталях их взаимной ориентации [при этом мы переходимот «укладок» (“folds”, рис.
13-3а) к «мотивам укладок» (“folding patterns”,рис. 13-3б) белковых цепей].Рис. 13-1. картинки, изображающие строение небольшого белка — α-субъединицыинтерлейкина 8 — при разной степени схематизации. (а) Атомная модель (изображены только «тяжелые», не-водородные атомы); в силу того, что цепь в глобулеупакована плотно, мы видим лишь поверхность белка. (б) срез атомной моделиподчеркивает плотность упаковки. (в) скелетная модель главной цепи (темнаялиния) и боковых групп (более светлые отростки).
(г) Ход главной цепи. (д) схемастроения белка, на которой выделены вторичные структуры (две α-спирали и одинβ-лист из трех β-тяжей) в главной цепи белка. (е) структурный каркас белка, сложенный из вторичных структур. Все рисунки даны в одной и той же проекции и водинаковом масштабе164Рис. 13-3. Упрощенные представления белковых структур. (а) детальная укладка(“fold”), описывающая размещение вторичных структур в цепи белка и в пространстве (см. также рис. 13-1д). (б) Мотив укладки белковой цепи (“foldingpattern”): опущены детали хода петель, размера и точной ориентации α-спиралей(изображенных в виде параллельных цилиндров) и β-тяжей (изображенных в видестрелок).
(в) Упаковка: штабель (“stack”) структурных сегментов: петли удалены,опущены размер, ориентация и направление α-спиралей и β-тяжей (изображенныхпоэтому в виде лент)165Упрощение это оправдывается тем, что детали строения петель и точные размеры и ориентации структурных сегментов (и даже некоторыемаленькие структурные сегменты) не сохраняются, когда мы переходимот рассматриваемого белка к его довольно близкому (имеющему сходнуюаминокислотную последовательность, т.
е. явно общее происхождение)родственнику, например, от гемоглобина α к гемоглобину β (рис. 13-4).Рис. 13-4. два близко родственных белка: гемоглобин α и гемоглобин β лошади(оба — с гемом). Найдите сходства и различия! (Подсказка: при общем высокомсходстве — различия в деталях конформации петель, в деталях ориентации некоторых спиралей, и в одном дополнительном спиральном витке в β−глобине, справа)На следующем, более высоком уровне упрощения, необходимом дляклассификации структур белковых глобул, мы иногда вообще будем рассматривать лишь упаковку структурных сегментов в глобулу — т. е. сложенные из вторичных структур упаковки, или «штабели» (“stacks”), —временно забыв о петлях, соединяющих эти вторичные структуры вединую молекулу (рис. 13-3в).Я буду специально пользоваться такими упрощенными схемами мотивовукладки и упаковки белковой цепи, вырисовывая в то же время, для сравнения, и «истинные» структуры белков так, как их дает компьютер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
