А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 42
Текст из файла (страница 42)
15-6. Петли, как правило, соединяют антипараллельные (а не параллельные)друг другу соседние участки вторичной структуры (а), причем перекрывание петель редко наблюдается в белках, будь то проход одной петли над другой или обхододной петли вокруг другой (б)Рис. 15-5. Мотивы укладки белковой цепи и орнаменты на индейских и греческих вазах: два решения задачи окружения объема несамопресекающейся линией. Вверху: мотив меандра; в середине: мотив греческого ключа; внизу: мотив зигзага-«молнии».
рисунок взят (с разрешения) с обложки Nature, v. 268,No. 5620, 1977 (© 1977, Macmillan Magazines Limited), где была напечатана статьяJ. Richardson о мотивах укладки белковых цепей204Итак, «структурные дефекты» сильно влияют на встречаемость разных белковых структур в природе. Здесь, правда, нас должно смутить то,что при «дефекте» типа петель пропадет лишь одна, максимум две водородные связи, т. е. энергии потеряется немного, килокалорий три или пять.Это не только много меньше, чем полная энергия взаимодействий в белке,измеряемая обычно сотнями килокалорий (судя по опытам по плавлениюбелков), но и заметно меньше, чем обычный «запас стабильности» белка(т.
е. разность свободных энергий его нативного и денатурированного состояния). В нативных условиях этот запас составляет (по тем же опытам)порядка 10 ккал / моль. Почему же «дефект» ценой всего в 5 ккал / моль запрещает, или почти запрещает, перекрывание петель в нативных белковыхглобулах?И еще вопрос: что мешает сделать в петле дополнительный изгиб (пунктир на рис. 15-6) и тем избежать физического перекрывания одной петлидругой (т.
е. заменить перекрывание петель обходом)? Может быть, здесьдело опять в упругости полимерной цепи — ведь за дополнительный изгиб петле пришлось бы заплатить (как показывает расчет) несколько (всете же несколько!) ккал / моль?Отложим ответ на эти вопросы, а пока рассмотрим еще одну характерную черту белковых архитектур — то, что перемычка между параллельными β-участками почти всегда образует с ними правозакрученную,а не левозакрученную спираль (рис. 15-7).205Рис.
15-7. Левовинтовой ход перемычек между параллельными β-участками оченьредко наблюдается в белках, правовинтовой — часто. [Перемычки, изображенныездесь просто веревочками, на самом деле обычно включают в себя участок αили β-структуры.] При правовинтовом ходе цепь, приближаясь к нам (смотрящимвдоль оси витка), движется против часовой стрелки; при левовинтовом — по часовой стрелкекритерий стабильности позволяет и в этом случае выделить «лучшую»из двух зеркально-симметричных белковых архитектур. В основе различиялежит зеркальная асимметрия природных аминокислот.
Она приводит, как выпомните, к преимущественно правому (показанному на рис. 15-7) скручиванию β-слоев, состоящих из L-аминокислот. При этом угол между осями соседних β-участков близок к 30°, так что полный угол поворота близок к 330°для правовинтовой перемычки и к 390° — для левовинтовой. В результате,из-за жесткости полипептидной цепи, правовинтовая перемычка выгоднее,ее свободная энергия ниже — но опять немного, на пару ккал/моль.Здесь любой человек, знающий физику полимеров, должен прерватьменя и сказать: «Упругость полимера — энтропийный, а вовсе не энергетический эффект! то есть сильно изогнутая цепь не может флуктуироватьтак свободно, как прямая или слабо изогнутая.
Иными словами, с сильно изогнутой формой цепи совместимо гораздо меньше конформаций,чем с ее более или менее вытянутой формой. Однако эффект, о которомВы говорите, относится к флуктуирующей цепи, т. е. к цепи, не фиксированной в глобуле. Но в нативном белке цепь фиксирована, и — так лиона идет, иначе ли — она все равно будет иметь лишь одну какую-то конформацию. какое отношение имеют описываемые Вами энтропийные потери к нативной структуре белка, где цепь все равно фиксирована, т. е.
всеравно имеет нулевую энтропию?»Ответить на этот вопрос — об энтропийных, по видимости, дефектахслишком крутых поворотов цепи — не очень сложно. дадим его, пока что,на качественном уровне. Здесь дело в том, что «зажатость» конформациицепи лишает ее возможности подстроиться под слагающую ее аминокислотную последовательность. такая конформация будет иметь низкую энергию206только для строго определенной последовательности (или узкой группы последовательностей) и высокую — для других, т. е.
для большинства. такимобразом энтропийный дефект преобразуется в энергетический. А вот еслицепь может выбирать из большого набора конформаций, то почти каждаяпоследовательность найдет там что-то для себя приемлемое.На следующей лекции мы рассмотрим вопрос об энергетических и энтропийных дефектах более строго. рассмотрим мы и оставшийся у насвопрос о том, почему «дефект» ценой всего в несколько килокалорий на мольиграет столь существенную роль для встречаемости белковых структур.А пока, вместо ответа на последний вопрос, но в качестве намека, посмотрим, как связаны с энергией другие статистические закономерности,отмеченные в белковых структурах.
Например, погруженность в глобулугидрофобных и гидрофильных боковых групп, разные углы вращенияв цепи и т. д. Оказывается, точно так же, как то отмечено для мотивовукладки белковой цепи: «дефекты» встречаются редко, а «хорошие детали» часто! Но здесь мы располагаем большей статистикой и можем получить не только качественные, но и количественные оценки.Все эти оценки сводятся к следующему. И пониженная встречаемость«дефектов» (будь то «плохой» угол внутреннего вращения или сильнаяпогруженность в глобулу полярной группы), и повышенная встречаемость«хороших деталей» (например, солевых мостиков, образуемых группамис противоположными зарядами) описывается общей феноменологическойформулойВстрЕЧАЕМОсть ~ exp ( — ЭНЕрГИЯ_дЕтАЛИ / kTC),(15.1)где ТС — какая-то температура, близкая не то к комнатной температуре,не то к характерной температуре плавления белка: ведь 300 к и 370 к совпадают «по порядку величины».Формула (15.1) для встречаемости структурных деталей в белках удивительно похожа на статистику Больцмана, правда, похожа только по своей экспоненциальной форме, а не по физическому смыслу.
стоит напомнить,что статистика Больцмана поддерживается тем, что частицы бродят с места на место, и каждая из них больше времени проводит там, где ее энергия ниже. В то же время в наблюдаемых (нативных) белковых глобулах всеструктурные детали закреплены, они не возникают и исчезают, не бродятс места на место!то есть обычная Больцмановская статистика здесь, в применениик встречаемости деталей белковой структуры, вовсе ни при чем. А еслитак, почему статистика встречаемости этих деталей в белках имеет такуюзнакомую, «квази-Больцмановскую» форму?207Отложим обстоятельный ответ и на этот вопрос до следующей лекции,а пока примем как феноменологический факт, что дефект ценой в kTC,то есть примерно в 1 ккал / моль, в несколько раз снижает наблюдаемостьструктур, отличающихся этим дефектом.
И, как мы уже понимаем, это означает, что такой дефект снижает в несколько раз число аминокислотных последовательностей, придающих стабильность белку с этим дефектом.Итак, мы приходим к следующим выводам:1. «Популярные» мотивы укладки белковой цепи выглядят так «стандартно», т. е. так просто и регулярно потому, что каркас белковой структурыпредставляет собой компактную упаковку слоев вытянутых стандартныхтвердых тел (α-спиралей и β-участков), а нерегулярные перемычки идутпо поверхности глобулы, не пересекая ни друг друга, ни торцов структурных сегментов. Физическая причина такого устройства в том, что ононаиболее благоприятствует стабильности нативной глобулы, позволяя неполярным боковым группам укрываться от воды, а всем пептидным группамглавной цепи — насытить свои водородные связи даже при погружениив компактную глобулу.2.
Число таких «стандартных» стабильных мотивов укладки цепи относительно невелико (порядка сотен, а белков — многие десятки тысяч);неудивительно поэтому, что некоторые из этих «стандартных» структурвстречаются в разных, со всех остальных точек зрения, белках.3. В то же время и другие, «дефектные» мотивы укладки белковойцепи не запрещены, они просто маловероятны (т.
е. лишь относительнонебольшое число последовательностей может придать им стабильность),и тем менее вероятны, чем сильнее дефект.4. По-видимому, для структур доменов водорастворимых глобулярныхбелков, с их «квазислучайными» аминокислотными последовательностями, можно сформулировать «принцип множественности»: чем больше аминокислотных последовательностей можно вписать в данную архитектуру без разрушения ее стабильности, тем чаще эта архитектура встречается в природе.Лекция 16какую вторичную структуру можно ожидать для случайных и квазислучайных аминокислотных последовательностей? доменное строениестабильных пространственных структур длинных квазислучайныхпоследовательностей наиболее вероятно.
квази-Больцмановскаястатистика мелких деталей белковых структур. Она возникаетиз физического отбора стабильных белковых структур. Влияниестабильности структурного элемента на строгость отбора первичных структур, не разрушающих пространственную структуру глобулярного белка, или: почему одни белковые структуры встречаютсячасто, а другие — редко? какую структуру — α или β — следуетчаще ожидать в центре большой глобулы? связь «энтропийных» дефектов с «энергетическими». Глобулярные белки возникли как «отобранные» случайные полипептиды? Отбор «белковоподобных» случайных последовательностей в белковой инженерии.теперь мы более подробно поговорим о связи общих закономерностей, наблюдаемых в структурах белков, со стабильностью этих структури с числом кодирующих их аминокислотных последовательностей.Посмотрим на рис.
16-1, чтобы вспомнить, что каркас типичной белковой глобулы представляет собой компактную упаковку слоев вытянутыхрегулярных твердых тел (α-спиралей и β-участков), а нерегулярные перемычки идут по поверхности глобулы, не пересекая ни друг друга, ни торцов структурных сегментов.Мы говорили, что физическая причина такого устройства белка в том,что оно наиболее благоприятствует стабильности глобулы, позволяя неполярным боковым группам укрыться от воды, а пептидным группам главнойцепи — насытить свои водородные связи даже при погружении в компактную глобулу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
