А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 41

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 41)

Значит, стабильность глобулытребует образования β-слоев и, отдельно, α-слоев (см. рис. 15-1). Инымисловами, раздельные α- и β-слои являются стабильными элементами глобулярной белковой структуры, а смешение в одном слое α- и β-структур199явилось бы структурным энергетическим дефектом белковой глобулы.В то же время очевидно, что стабильная глобула должна состоять —по крайней мере, в основном — из стабильных же элементов, и она должна избегать энергетических дефектов.

А так как мы можем наблюдатьтолько стабильные глобулы (нестабильные недоступны наблюдению, ониразваливаются…), то наблюдаемые в белках структурные элементы должны быть в основном стабильны, а дефекты редки.Это относится, в частности, к α- и β-слоям. Они стабильны. И такие слои (обычно не плоские — скрученные, иногда цилиндрические,а в α-спиральных глобулах даже квазисферические), и причем «несмешанные» слои, действительно, как мы видели, типичны для белковых глобул.слоевая структура упрощает строение белков.Подавляющее большинство доменов может быть представлено в видедвух-, трех- или (редко) четырехслойных структур.Отдельные белки (особенно те, которые содержат металлоорганические комплексы или много S — S-связей боковых групп) могут и не вполне удовлетворять этой схеме «слоевой упаковки» (рис.

15-3), но такихбелков очень мало.Рис. 15-3. Необычная глобула, без α- и почтибез β-структуры (белок хуристасин, представитель класса «белки со скудной вторичнойструктурой»). У этого белка также необычнаяпоследовательность с множеством цистеинов(их боковые группы показаны утолщенными,серыми, изломанными палочками), образующими дисульфидные связиБолее чем четырехслойных доменов практически нет, и в принципеясно, почему. У них внутри, в отдалении от воды находилось бы слишкоммного остатков, и при типичном для белковых цепей (точнее, для цепейводорастворимых глобулярных белков) соотношении 1:1 между неполярными и полярными остатками многие полярные остатки увлекались бывнутрь белка, что энергетически крайне невыгодно: такой белок не был быстабильным.

Поэтому очень большие (и потому очень многослойные) единые глобулы «обычного» аминокислотного состава должны быть нестабильны, и большие белки должны разбиваться на субглобулы, домены.200Правда, очень большую стабильную глобулу могла бы дать цепь,почти сплошь состоящая из гидрофобных аминокислот, но, во-первых,таких последовательностей гораздо меньше, чем смешанных, «гидрофобно-гидрофильных», а, во-вторых, такая цепь увлекалась бы в мембрану и не была бы «водорастворимым глобулярным белком». В принципе, можно, видимо, придумать такие аминокислотные последовательности, боковые группы которых как бы «залечат» все «дефекты»,все разрывы водородных связей между главной цепью и водой — разрывы,которые последуют за погружением в глобулу края β-листа или петли, таки насытят водородными связями увлеченные внутрь белка полярные боковые группы.

Или придумать последовательности, которые с лихвой заплатятза эти разрывы мощными связями, например, ковалентными (S—S) или координационными (как в металлоорганике). Придумать можно. Но это будуточень специальные, а значит, и очень редкие последовательности…Может быть, тут-то собака и зарыта, может быть, «нормальные» глобулярные белки создаются «нормальными» (т. е. сравнительно слабо отобранными), а не «очень редкими» (т. е.

очень сильно отобранными), последовательностями?! Попробуем взглянуть на первичные структуры белков (рис. 15-4). статистический анализ показывает, что аминокислотные последовательностиводорастворимых глобулярных белков, а о них-то сейчас и идет у нас речь,выглядят как «случайные». то есть в них разные аминокислотные остаткиперемешаны примерно так, как можно было бы ожидать при случайнойсополимеризации. конечно, каждая последовательность не есть результатслучайного биосинтеза; каждая белковая цепь кодируется геном.

Однако аминокислотные последовательности водорастворимых глобулярныхбелков выглядят как «случайные» — в том смысле, что в них нет ни блочности, характерной для мембранных белков (где явно гидрофобные куски,рис. 15-4. Характерные мотивы чередования гидрофобных (  ) и полярных ( )аминокислот в первичных структурах водорастворимых глобулярных белков, мембранных белков и фибриллярных белков201предназначенные находиться в мембране, перемежаются с более гидрофильными, предназначенными формировать торчащие из мембраны петлии целые домены), ни периодичности, характерной для белков фибриллярных (с их огромными регулярными вторичными структурами).Внутренний голос: Не могу не отметить, что зашифрованное посланиеможет тоже выглядеть как случайная последовательность букв, хотя таковой отнюдь не является…Лектор: конечно, аминокислотные последовательности глобулярныхбелков не являются истинно случайными (в смысле — какую последовательность ни возьми, из нее получится глобулярный белок).

конечно, этипоследовательности отобраны на предмет создания стабильных белковыхглобул. Но — самых разных по форме глобул. так что в наборе их первичных структур присутствует весь спектр закономерностей, присущихкаждой из этих глобул (т. е. огромный набор разных шифров). И когда мыназываем эти первичные структуры «случайными» (точнее, «квазислучайными»), мы имеем в виду только то, что следы отбора белок-образующихаминокислотных последовательностей во всей совокупности первичныхструктур глобулярных белков не прослеживаются так явно (и потомуне ограничивают множество возможных последовательностей так сильно), как следы отбора на периодичность в фибриллярных белках или отбора на блочность в мембранных.

Именно в этом смысле мы и говорим,что аминокислотные последовательности водорастворимых глобулярныхбелков выглядят примерно так же, как случайные последовательности.А что такое «выглядеть как случайная последовательность»? Это значит — выглядеть как большинство из всех возможных последовательностей… Значит, рассматривая водорастворимые глобулярные белки, вполнеосмысленно ставить вопрос о том, какие стабильные пространственныеструктуры обычно кодируются самыми массовыми, случайными или похожими на них («квазислучайными») последовательностями.И еще.

Если в белковой глобуле есть «структурный дефект» — например, погружение нерегулярной петли или края β-листа в гидрофобноеядро — то обеспечение стабильности такой глобулы требует особо тщательного подбора аминокислотной последовательности (чтобы побольшевзаимодействий в ней работали на стабильность). Причем подбор долженбыть тем тщательнее, чем сильнее «энергетический дефект» белковойструктуры.

А если дефектов нет, нет нужды в столь уж тщательном подборе. то есть «бездефектную» глобулу может стабилизировать довольномного последовательностей, глобулу с небольшим дефектом — немного,а с большим — исчезающе малое число последовательностей.202И, если принимать во внимание только физику, те структуры, которыекодируются большим числом последовательностей, должны наблюдатьсячасто, а те, что малым, — редко.

так может возникнуть «физический отбор» белковых структур.А так как мы выяснили, что типичные упаковки, «штабеля» вторичныхструктур в глобулярных белках (см. рис. 15-1) выглядят именно так, как должны выглядеть стабильные упаковки случайных или почти случайных аминокислотных последовательностей, то мы тем самым убедились, что — по крайней мере на уровне упаковок — наблюдаемый результат их естественного(биологического) отбора не противоречит отбору физическому. Пойдем дальше и рассмотрим мотивы укладок белковых цепей — рассмотрим с той же точки зрения, с точки зрения энергетических дефектови физического отбора преимущественно «бездефектных» (и потому «годных» для многих последовательностей) структур.как мы уже видели, мотивы укладок белковых цепей часто удивительнокрасивы.

Ход белковых цепей часто напоминает линии, орнаментирующиекерамику (рис. 15-5). И, по глубокой мысли джейн ричардсон, открывшейэто сходство, оно не случайно, так как и линия орнамента, и белковая цепь«решает» одну и ту же задачу — окружить объем (в белке это центр глобулы, ее гидрофобное ядро), избежав самопересечений этой линии.В белках такой эффект достигается тем, что структурные участки уложены вокруг ядра (или двух ядер; последнее типично для α / β-белков),а петли скользят по поверхности ядер, соединяя, как правило, антипараллельные (а не параллельные) друг другу соседние участки вторичнойструктуры (рис.

15-6а) и не перекрывая друг друга (рис. 15-6б). Отмечу,что последнее практически исключает и появление узлов в белковой цепи.Чем же параллельные соединения петлями хуже антипараллельных?Может быть, тем, что это требует слишком длинной и нерегулярной (т. е.не поддерживаемой водородными связями) петли? А, может быть, тем,что довольно жесткую полипептидную цепь приходится сильнее изгибатьи тратить на это энергию?А чем плохи перекрывания петель — ведь при этом цепи не врезаютсядруг в друга, а просто одна из них проходит над другой? Может быть, тем,что «нижняя», прижатая к ядру петля лишается водородных связей с водой? А чтобы залечить эту потерю (этот «энергетический дефект»), опятьнужны «редкие» последовательности…Надо отметить, что белковые структуры с относительно небольшимидефектами типа перекрывания петель все же встречаются в природе (в отличие от структур с большими дефектами, типа смешения α- и β-слоев).203Но они встречаются весьма редко — и эта редкость дефектов тем болеезнаменательна, что уложить цепь в «структуру с дефектом» можно гораздобольшим числом способов, чем в «бездефектную» структуру.Рис.

Характеристики

Список файлов лекций