А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Глобулярные, фибриллярные и мембранные белки. Первичная, вторичная, третичная,четвертичная структура белка. Биосинтез белка; сворачивание белкаin vivo и in vitro. Посттрансляционные модификации.Белки — это и молекулярные машины, и строительные блоки, и оружие живой клетки. Важнейшая и почти монопольная функция белков — ферментативный катализ химических превращений в клетке и вокруг нее.
кроме того,белки-регуляторы контролируют экспрессию генов, а рецепторные белки(они сидят в липидной мембране) обеспечивают восприятие межклеточныхсигналов, часто передаваемых гормонами (тоже белками). Иммунные белкии сходные с ними белки гистосовместимости опознают и связывают «чужие»молекулы, а также «свои» клетки, что и позволяет им (клеткам) правильноразмещаться в организме. структурные белки образуют микрофиламенты,микротрубочки, а также фибриллы, волосы, шелк и другие защитные покровы; они армируют мембраны и поддерживают структуру клеток и тканей.транспортные белки переносят (а запасные — запасают) другие молекулы.Белки, переносящие протоны и электроны через мембрану, обеспечиваютвсю биоэнергетику: поглощение света, дыхание, выработку АтФ. другиебелки, «сжигая» АтФ, обеспечивают механохимическую деятельность — ониработают в мышцах или перемещают элементы клетки.При всем разнообразии, работа белков всегда базируется на высокоспецифическом — как у ключа с замком (точнее: как у гибкого ключа сгибким замком) — взаимодействии белка с обрабатываемой им молекулой.
для этого взаимодействия необходима достаточно «твердая» (во вся-14ком случае, у «работающего белка) пространственная структура. Поэтомубиологическая функция белков (как и других важнейших для жизни макромолекул — дНк и рНк) тесно связана с определенностью их трехмерных структур. Не только разрушение — даже небольшие изменения этихструктур часто ведут к утере или резкому изменению активности белков.Знание молекулярной трехмерной структуры белка необходимо для понимания функционирования белковой молекулы. Поэтому я буду говоритьо физике функционирования белков лишь в конце, сосредоточившись вначале на их структуре, на природе ее стабильности и способности к самоорганизации. В основе белка лежит полимер — состоящая из аминокислотныхостатков полипептидная цепь; это было установлено Э.
Фишером в началеXX века. В начале 1950-х годов сэнгер показал, что белковая цепь имеетуникальную последовательность звеньев — аминокислотных остатков(«остаток» — это то, что осталось от свободной аминокислоты после еевстраивания в белковую цепь). Эта цепь имеет химически регулярныйостов («главную цепь»), от которого отходят разнообразные боковые группы аминокислот — радикалы R1, R2, ..., RM–NH–CH–CO–NH–CH–CO– ... –NH–CH–CO–R1R2RMЧисло звеньев белковой цепи (М) кодируется геном и составляет поройвсего несколько десятков, а порой — многие тысячи.Есть двадцать основных аминокислотных остатков. Их положение вбелковой цепи кодируется генами. Однако последующая модификациябелка иногда увеличивает разнообразие аминокислот.
кроме того, в некоторые белки включаются разные другие молекулы (кофакторы).В «работающем» белке его цепь свернута строго определенным образом. В конце 1950-х Перутц и кендрью расшифровали пространственноестроение первых белков и показали высокую сложность и уникальностьих строения. Впервые же (как потом выяснилось!) строгую определенность строения белковых молекул фактически доказал еще в 60-х годахXIX века Хоппе-Зейлер, получив кристаллы гемоглобина: ведь в кристаллах каждый атом каждой молекулы знает свое место.Вопрос о том, одинакова ли структура белка в кристалле и в растворе, обсуждался долгие годы, пока об этом свидетельствовали только косвенные данные, однако в конце концов ЯМр (ядерный магнитный резонанс) показал, что обычно она практически одна и та же.15Белки «живут» в разном окружении, и их структура несет на себе явнуюпечать этого окружения.
Чем меньше воды вокруг белка, тем невосполнимее разрыв мощных водородных связей, стягивающих его цепь, тем ценнеедля белка эти связи (а именно они крепят структуру остова белковой молекулы), тем регулярнее вынуждена быть стабильная структура белка.Грубо говоря, по «жизненным условиям» и общему типу строения белки можно разбить на три класса.1) Фибриллярные белки образуют огромные агрегаты, в которых водыдовольно мало; их структура обычно высоко регулярна и держится восновном взаимодействиями между разными цепями.2) Мембранные белки «живут» в мембране, где нет воды, но части их выступают из мембраны в воду.
Внутримембранные части таких белков — как ифибриллярные белки — высоко регулярны и прошиты водородными связями,но размер этих регулярных частей ограничен толщиной мембраны.3) Водорастворимые, живущие в воде глобулярные белки наименее регулярны (особенно небольшие); их структура держится взаимодействиямибелковой цепи с самой собой, причем особенно важны взаимодействия далеких по цепи, но сблизившихся в пространстве углеводородных («гидрофобных», т. е. «боящихся воды») групп, а порой также и взаимодействиямибелковой цепи с кофакторами.Наконец, небольшие или бедные углеводородными группами полипептиды могут сами по себе не иметь фиксированной структуры, но приобретать ее при взаимодействии с другими макромолекулами.конечно, намеченное выше деление очень грубо.
Порой белок можетсостоять из фибриллярного «хвоста» и глобулярной «головки» (так устроен, например, миозин), и так далее.Уже (на 2011 г.) известны многие миллионы белковых аминокислотныхпоследовательностей (для их хранения созданы специальные компьютерные банки — например, SwissProt) и порядка сотни тысяч пространственных структур белков (они хранятся в компьютерном Банке Белковыхструктур: Protein Data Bank, или просто PDB).
Подавляющая часть того,что мы знаем о трехмерных белковых структурах, относится к водорастворимым глобулярным белкам. для мембранных же и фибриллярныхбелков расшифровано лишь относительно немного пространственныхструктур или их отдельные фрагменты. Причина проста: водорастворимые белки легче выделять в виде отдельных молекул и их структуру легчеизучать и рентгеном — в кристаллах, и спектроскопией ЯМр — в растворах. Поэтому, говоря о «структуре белка», «формировании структуры белка» и т. д. — часто, на самом деле, имеют в виду закономерности, доказанные лишь для водорастворимых глобулярных белков.
Это надо иметь в виду,16читая книги и статьи, да и эти лекции тоже. Более того, надо иметь в виду,что, по тем же экспериментальным причинам, вся физика белков сейчасявляется, в основном, физикой небольших белков, а физика крупных белковых молекул и их комплексов только начинает развиваться. Нековалентные взаимодействия, поддерживающие пространственноестроение белка, значительно слабее химических связей, фиксирующихпоследовательность мономеров — аминокислот — в белковой цепи. Этапоследовательность — она называется «первичной структурой белка»(рис. 1-1) — создается в ходе матричного биохимического синтеза согласно «инструкции», записанной в гене.Первичная ... –Gly–Val–Tyr–Gln–Ser–Ala–Ile–Asn–Lys–Ala– ...ВторичнаятретичнаяЧетвертичнаяРис.
1-1. Уровни организации белковой структуры: первичная структура (аминокислотная последовательность); вторичная структура (показаны: α-спираль иодин тяж β-структуры); третичная структура глобулы, сложенной одной цепью; ичетвертичная структура олигомерного, сложенного из нескольких цепей белка (вданном случае — димерного cro-репрессора)Архитектуры белков, особенно глобулярных водорастворимых белков,сложны и разнообразны — в противоположность универсальности двойной спирали дНк (кстати, одноцепочечные рНк здесь как бы занимаютпромежуточное положение). Однако и в белках прослеживается набор«стандартных» структур, о которых мы будем говорить весьма подробно.Прежде всего здесь речь идет о регулярных вторичных структурах белка — об α-спирали и β-структуре; α-спирали часто изображаются спиральными лентами (см.
рис. 1-1) или цилиндрами, а вытянутые β-структурныеучастки (слипаясь, они образуют листы) — стрелками (см. рис. 1-1). Вторичные структуры отличаются регулярной, периодической формой (или,как говорят, «конформацией») главной цепи — при разнообразии конформаций боковых групп.17Укладка вторичных структур одной полипептидной цепи в глобулу называется третичной структурой (см. рис. 1-1). Объединение же несколькихбелковых цепей в «суперглобулу» называется четвертичной структуройбелка (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
