А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 46

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

Текст из файла (страница 46)

Ее пространственнаяструктура, действительно, уникальна: сплошь левые перемычки междуβ-участками. А как насчет первичной структуры? Оказывается, она тоже223уникальна для глобулярных белков: она выглядит вовсе не как «случайная»(что столь типично для глобулярных белков): она очень периодична, онасостоит из десятка повторов 18-членного пептида, образующего один виток левой суперспирали (с тремя β-тяжами в каждом витке; а в этих тяжаханомально много глицинов, не скручивающих β-лист).

так что, нетипичнаяпространственная структура сочетается с нетипичной первичной… рассмотрим еще одну задачу, связанную с энтропийными дефектами.Она уже относится не к мотиву укладки цепи, а к слоевой структуре глобулы.Что должно чаще наблюдаться: белки, через центр которых проходитслой α-спиралей, или белки, через центр которых проходит β-лист?Рис. 16-7. Многослойная упаковка, в центре которой лежит α-спираль, должна бытьменее вероятна (и на самом деле встречается гораздо реже), чем многослойнаяупаковка, в центре которой лежат два β-участка. дело в том, что лежащий в центреглобулы участок должен состоять из одних гидрофобных остатков, причем большаядлина такого структурного участка диктуется диаметром глобулы, а, при равной длине, α-спираль состоит из вдвое большего числа остатков, чем вытянутый β-тяж; поэтому для создания внутренней α-спирали (одного большого блока из гидрофобныхгрупп) нужна более «редкая» последовательность, чем для создания двух внутренних β-участков (двух вдвое меньших гидрофобных блоков, как-то расположенныхв цепи).

Вероятность существования одного большого (из m остатков) гидрофобногоблока в данном месте случайной цепи — порядка pm (где p — доля гидрофобныхостатков в цепи); и такова же вероятность существования двух вдвое меньшихблоков в двух данных местах случайной цепи — (pm/2) (pm/2) = pm.

Однако один блокможет размещаться в цепи из N остатков примерно N способами, а способов разместить два блока много больше, примерно N × N / 2, т. е. цепей с двумя короткимигидрофобными блоками много больше, чем цепей с одним длинным блокомИмея одну и ту же скрытую от воды поверхность, обе эти структурыдолжны иметь примерно одинаковую гидрофобную свободную энергию,если цепи удастся вписаться в такую структуру, не допустив полярныхбоковых групп внутрь белка.

рассмотрим только «самые трудные» для случайной последовательности структурные сегменты, лежащие в самом224центре глобулы. В первом случае (рис. 16-7) цепи предстоит сотворитьвнутреннюю спираль; длина этой спирали определяется диаметром глобулы. для создания спирали, стабильной в центре глобулы, цепь должнаобладать одним длинным гидрофобным участком. Во втором случае онадолжна обладать двумя вдвое более короткими (так как на один остатокцепи приходится около 3 Å длины β-тяжа и 1,5 Å — α-спирали) гидрофобными участками (они, практически вне зависимости от расстояния междуними по цепи, годятся на роль двух внутренних β-участков).

рисунок 16-7объясняет, почему для создания внутренней α-спирали (единого большогоблока из гидрофобных групп) нужна более «редкая» последовательность,чем для создания двух внутренних β-участков (двух вдвое более короткихгидрофобных блоков, как-то, т. е.

любым из большого числа способов,расположенных в цепи).Итак, ожидаемый ответ (см. рис. 16-7) гласит, что глобулы, через центркоторых проходит β-лист, стабилизируются гораздо большим числом первичных структур, чем глобулы с α-спиралью по центру.И, действительно, внутренняя α-спираль в белках очень редка (в качестве известного носителя такого редчайшего признака назову «зеленыйфлуоресцентный белок», рис. 16-8), а внутренние β-тяжи — типичны (например, в «укладках россманна»).Рис. 16-8. Необычная архитектура зеленого флуоресцентного белка: α-спиральокружена β-листом. Центральная спираль на самом деле не сплошная: она изломана хромофором примерно посередине (этот излом не показан на рисунке) с той же точки зрения — «насколько часто данная структурная деталь стабилизируется случайными аминокислотными последовательностями?» — можно объяснить и многие другие закономерности, наблюдаемыев глобулярных белках.

Например, средний размер домена для цепи с заданным соотношением гидрофобных и гидрофильных групп (этот вопрос исследовался еще ленинградскими учеными Бреслером и талмудом в 1944 г.,225а затем американским ученым H/Fisher’ом), а также — мы уже об этом говорили — средние длины α- и β-участков и нерегулярных петель. Итак, наш анализ показывает, что вероятность обнаружения заданногоструктурного элемента в стабильных (т. е. наблюдаемых) глобулах, образованных теми из случайных последовательностей, что вообще способны сделать стабильной хоть какую-то глобулярную структуру, — эта вероятность должна быть тем больше, чем ниже его, этого элемента, энергияи чем большим числом конформаций его можно создать.А так как энергия и число конформаций объединяются в единое целоев свободной энергии, то статистика наблюдения самых разных структурныхэлементов в «случайно сделанных» стабильных глобулах должна иметь видВстрЕЧАЕМОсть ~ exp (–сВОБОдНАЯ_ЭНЕрГИЯ / kTC),(16.9)где TC близка (не в точности равна, как показывает более тщательный анализ, но близка) к температуре затвердевания глобулы, образованной «случайной» аминокислотной последовательностью, которая, в свою очередь,близка к температуре денатурации белка.И действительно, белковая статистика, в общем, имеет задаваемыйформулой (16.9) вид — вид, присущий статистике структур, сложенныхиз случайных последовательностей, отобранных только на предмет создания стабильной глобулярной структуры. Еще раз напомню физическую причину соотношения (16.9).

Она заключается в том, что свободная энергия рассматриваемого элемента белковой структуры экспоненциально изменяет число аминокислотных последовательностей, способных придать стабильность белку, нативная структуракоторого содержит этот элемент. Если он сам по себе стабилен — белокс ним «терпит» много даже неблагоприятных мутаций, т. е. довольномного аминокислотных цепей стабилизируют белок с этим элементом.Если же рассматриваемый элемент нестабилен, белок с ним требует оченьтщательного подбора своей первичной структуры (стабильность его пространственной структуры легко разрушается даже немногими мутациями),а таких «тщательно отобранных» последовательностей мало.Здесь нужно подчеркнуть, что так называемые «запрещенные», т.

е.не наблюдаемые (или редко наблюдаемые) в белках структуры не невозможны в принципе — они просто маловероятны, т. е. создаются малымчислом аминокислотных последовательностей. Похоже, что глобулярные белки могли относительно легко возникнуть из случайных гетерополимеров аминокислот (или, точнее: из кусков226дНк, кодирующих случайные последовательности аминокислот), нужнобыло только немного, при помощи нескольких мутаций, стабилизироватьсамую стабильную пространственную структуру исходного случайногополипептида (и тем самым сделать ее единственной наблюдаемой структурой цепи), да еще «навесить» на ее поверхность активныый центр(для «биологически-нужного» взаимодействия с окружающими молекулами). да еще — убрать с поверхности белка те остатки, что могут вовлечьего в «биологически-вредные» ассоциаты (типа тех, что, склеивая гемоглобины, вызывают серповидно-клеточную анемию).Внутренний голос: следует ли Вас понимать так, что Вы предполагаете,что белки с «новыми» архитектурами возникали из случайных последовательностей, а не путем сильной мутации белков с какой-то «старой» архитектурой? И что те мотивы укладки цепи, стабильность которых совместимасо многими случайными последовательностями, много раз (столько, сколькоесть в них гомологических семейств) возникали из случайных последовательностей — в то время как те мотивы, которые охватывают только односемейство гомологов, смогли возникнуть только единожды?Лектор: достаточно уверенно можно говорить лишь о том, что не безумно малая доля случайных последовательностей способна породить белки; и о том, что стабильность некоторых мотивов (причем тех, что частовстречаются в белках) совместима с бόльшим числом случайных последовательностей, чем стабильность других, «редких» мотивов.

Что касаетсяВаших вопросов об имевших место быть исторических событиях, я думаю,ответить на них сейчас невозможно. В частности, невозможно сказать,много ли раз возникали представители «популярных» мотивов укладкицепи или нет. Возможно, они возникали многократно, из разных случайных последовательностей. Возможно — однократно (и не из случайнойпоследовательности, а из кусков каких-то других белков), — а потом,в ходе эволюции, имеющие общий корень последовательности так широкоразошлись в рамках сохраненного пространственного мотива (благо «популярные» мотивы совместимы со столь разными последовательностями),что все следы гомологии, генетического родства этих белков изгладились,и мы их не можем опознать.

Характеристики

Список файлов лекций