А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 43
Текст из файла (страница 43)
А это «благоприятствование стабильности», в свою очередь,позволяет бoльшему числу разнообразных аминокислотных последовательностей вписаться в данную архитектуру глобулы без разрушения ее стабильности (что и приводит к более частому наблюдению этой архитектурыв природе — мы назвали это «принципом множественности»).209как мы уже отмечали, «своеобразие» типичных водорастворимыхглобулярных белков состоит в отсутствии каких-либо общих ярких чертв их первичных структурах (и потому-то эти последовательности наиболееразнообразны и многочисленны, что и позволяет рассматривать их с точкизрения «принципа множественности»). действительно, в их первичныхструктурах не прослеживается каких-либо явных корреляций: ни периодичности, характерной для фибриллярных белков, ни чередования блоков,характерного для белков мембранных.
Наоборот, полярные группы в водорастворимых глобулярных белках довольно равномерно «перемешаны»с неполярными. к тому же эти белки содержат примерно поровну полярных и неполярных аминокислотных остатков. В результате первичныеструктуры водорастворимых глобулярных белков больше всего напоминают наугад синтезированные «случайные сополимеры» из гидрофобныхи гидрофильных аминокислот. Но совместимы ли «случайные» последовательности с компактнойукладкой цепи в глобулу? совместимы ли они с наблюдаемыми в белках(и обычно охватывающими в сумме добрую половину белка) вторичными структурами? для ответа на эти вопросы рассмотрим гипотетические«белковые цепи», получаемые случайной сополимеризацией равного числа полярных и неполярных групп.для того, чтобы α- или β-структурный сегмент мог уложиться в компактную глобулу, он должен обладать непрерывной гидрофобной поверхностью.
такая поверхность образуется неполярными боковыми группами,занимающими в цепи позиции i — i + 4 (или i — i + 3) друг от другав α-спирали и i — i + 2 в β-участке. Легко показать, что даже в случайном сополимере имеется достаточно периодических сгущений неполярных групп (рис. 16-2) для образования гидрофобных поверхностей αи β-сегментов, способных уложиться в глобулу, характерную для белковыхдоменов среднего размера.Рис. 16-1. Характерные мотивы укладки белковой цепи в α-, β-, α/β- и α + β-белках.Внизу — их упрощенные схемы.
Обратите внимание на слоевую упаковку αи β-структур и на то, что каждый слой сложен либо только из α-спиралей, либо только из β-тяжей, но не из α-спиралей и β-тяжей одновременно210Рис. 16-2. Характерный мотив чередования гидрофобных (•) и полярных (о)аминокислот в «квазислучайной» первичной структуре водорастворимых глобулярных белков. дуги и уголки указывают на расположение в этой первичнойструктуре потенциальных гидрофобных поверхностей, годных для α-спиральныхи β-структурных участков, т. е. пар гидрофобных остатков в положениях i — i + 4и i — i + 2, соответственно211Пусть p — доля неполярных, и 1– p — доля полярных групп в сополимере. Вероятность того, что в данной точке цепи начинается периодическая последовательность из ровно r неполярных групп (и ограниченная,следовательно, с начала и с конца двумя полярными) естьW(r) = (1– p)pr (1– p).(16.1)О «гидрофобной поверхности» α- или β-сегмента имеет смысл говорить,когда она охватывает больше одного витка соответствующей структуры.Иначе говоря, в гидрофобной поверхности α-спирали r ≥ 2 гидрофобныхгрупп расположены в периодических позициях i — i + 4 –… (на стоящиемежду ними остатки мы внимания не обращаем, так как они не входятв рассматриваемую поверхность спирали).
В гидрофобной поверхностиβ-тяжа r ≥ 2 гидрофобных групп расположены в позициях i — i + 2 –…(см. рис. 16-2). Применив формулу (16.1) к таким периодическим позициям, мы видим, что средне-ожидаемое число витков и α-, и β-сегмента, покрытое гидрофобной поверхностью, есть〈r〉 = Σr ≥ 2 [W(r)r] / Σr ≥ 2 W (r) = Σr ≥ 2 [rpr] / Σr ≥ 2 pr = 2 + p / (1 – p)(16.2)(я позволю себе не останавливаться на суммировании рядов Σ r≥2 [rpr]и Σ r≥2pr — все это можно найти в математическом справочнике). Итак,и «средняя» α-спираль, и «средний» β-участок включают (при p = 1 / 2)〈r〉 = 3 регулярно расположенных гидрофобных групп, т. е. 3 ± 0,5 полныхпериода α- или β-структуры (± 0,5 — так как гидрофобная группа можетбыть и в начале, и в середине, и в конце витка).
среднеожидаемые числа остатков в α- и β-участках (периоды этих участков — 3,6 и 2) суть〈nα〉 =11 ± 2 и 〈nβ〉 = 6 ± 1, соответственно. Это практически совпадаетсо средними длинами α- и β-участков в глобулярных белках. Интересно,что в случайных последовательностях — так же, как и в первичных структурах реальных белков, — на одном и том же участке цепи часто перекрываются (см. рис. 16-2) сгущения неполярных групп, способные образоватьгидрофобные поверхности и α-, и β-участков.Аналогичные оценки показывают, что средняя длина петель междувторичными структурами в случайном сополимере — величина порядка3 + 0,5p–2, т.
е. при p ~ 1 / 2 петли в среднем короче, чем участки вторичнойструктуры, что и наблюдается.Итак, в случайном сополимере при p ~ 1 / 2 «сами собой» образуютсянепрерывные гидрофобные поверхности для α- и β-участков, способныхприлипнуть к гидрофобному ядру по крайней мере одной своей стороной,а петли относительно коротки. Поэтому «заурядные», случайные последовательности вполне могут формировать укладки из по крайней мере двухслоев вторичной структуры.212Внутренний голос: Не следует, однако, забывать, что в некоторых, пустьнемногих, глобулярных белках (например, в гемагглютинине или в лейциновом зиппере) встречаются чрезвычайно длинные спирали, не укладывающиеся в описанные выше принципы. А в некоторых (в супероксиддисмутазе,например) — чрезвычайно длинные неупорядоченные петли…Лектор: Верно.
И при этом они выглядят либо как блоки, позаимствованные из фибриллярных спиральных белков, либо (если речь идет о длинныхпетлях) как аномально гидрофильные блоки. Но в среднем, массово и α-, и β-,и нерегулярные участки глобулярных белков невелики и имеют как раз такуюдлину, какую можно ожидать для «случайной» аминокислотной последовательности с равным содержанием гидрофобных и полярных групп. Гармония между «случайными» последовательностями и компактными,потенциально наиболее стабильными формами глобул существует, пока длина цепи не превосходит ~150 остатков.
Однако, по мере роста размеров глобулы, по мере роста числа слоев вторичной структуры в ней, ее «годность»для случайной аминокислотной последовательности падает. Ведь участки,расположенные внутри белка, должны быть велики (длиной с диаметр глобулы) и почти целиком сложены из одних только гидрофобных остатков —глобула не вынесет наличия многих гидрофильных групп, укрытых от воды,и взорвется. Небольшое число таких длинных и почти целиком гидрофобныхучастков первичной структуры тоже может «случайно» образоваться в случайном сополимере из ~50 % гидрофобных и ~50 % гидрофильных остатков — но только небольшое число.
Поэтому для случайной последовательности мы можем ожидать наличия только двух-трех, изредка — четырехслоев структурных сегментов, не более, — что и наблюдается в не слишкомбольших водорастворимых глобулярных белках и в доменах более крупныхводорастворимых глобулярных белков (см. рис. 16-1). А крупные белкидолжны состоять из субглобул, доменов — что и наблюдается. теперь нам предстоит ответить на два поставленных на прошлой лекции (и пока оставленных без должного ответа) вопроса:1) Почему «энергетический дефект» ценой всего в несколько килокалорий на моль — на фоне гораздо большей полной энергии белка — можетпрактически запрещать многие мотивы белковых архитектур?2) какое отношение имеют «энтропийные» эффекты к нативной структуре белка, где цепь все равно фиксирована?Начнем с первого вопроса — о проявлении энергии «дефекта» в статистике белковых архитектур.
Но сначала усугубим его, вспомнив, что отмеченная нами на качественном уровне редкость «структурных дефектов» подкрепляется наблюдаемой квази-Больцмановской (т. е. «похожей213на Больцмановскую») статистикой «малых деталей» белковых структур,которую нам также следует понять. И начнем именно с нее — со статистики «малых деталей». для примера, рассмотрим статистику распределения аминокислотныхостатков между внутренностью и поверхностью белковой глобулы и посмотрим, как она связана с гидрофобностью аминокислотных остатков.Гидрофобность аминокислотных остатков обычно измеряется в свободной энергии их переноса — переноса из октанола, моделирующего гидрофобное ядро белка, в воду.
На рис. 16-3 эта свободная энергия переноса(деленная на RT, где Т = 300 к) отложена по вертикальной шкале. По горизонтальной шкале отложен логарифм отношения числа поверхностныхи внутренних остатков в белках. Мы видим, что точки более или менее ложатся на прямую линию, и наклон такой прямой более или менее близокк 1–1,5.Рис. 16-3. Экспериментально определенная свободная энергия переноса боковых групп аминокислотных остатковиз неполярного растворителя в воду,∆G, выраженная в единицах RT, и «кажущаяся свободная энергия переносаостатка из ядра на поверхность белка»,вычисленная из наблюдаемых частотвстречаемости аминокислотных остатковвнутри (fcore) и на поверхности (fsurf) белкапо формуле ∆G1 / RT = –ln [fsurf / fcore].
картинка, с небольшими изменениями, взятаиз S. Miller, J. Janin, A. M. Lesk, C. Chothia,J. Mol. Biol. (1987) 196:641–656таким образом, наблюдаемая статистика распределения остатков между нутром и поверхностью глобулы неплохо описывается формулойВстрЕЧАЕМОсть ~~ exp ( — сВОБОдНАЯ_ЭНЕрГИЯ_В_дАННОЙ_срЕдЕ / kTC), (16.3)где «конформационная температура» ТС близка к 300–400 к по порядкувеличины.214Внутренний голос: Я бы рекомендовал быть более осторожным с данными,приведенными на рис. 16-3… Ведь экспериментальная гидрофобность там определяется по переносу аминокислот из воды в высокомолекулярный спирт. Но кто сказал, что гидрофобное ядро белка похоже именно на спирт? Не говоря уже о том,что спирт — жидкий, а ядро — твердое: не является ли, скажем, чисто гидрофобный циклогексан лучшей моделью гидрофобного ядра, чем спирт? А ведь растворимость полярных групп в циклогексане очень низка, что неизбежно сильнорастянет шкалу гидрофобности рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
