А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 47

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

Текст из файла (страница 47)

Хочу только подчеркнуть, что «популярные»,совместимые с большим числом последовательностей структурные мотивы предоставляют куда большее пространство для любого сценария происхождения и дальнейшей эволюции белков, чем «редкие». Не могу не отметить в этой связи, что современные работы по дизайнубелков de novo широко используют как множественные случайные мутации аминокислотных последовательностей, непременно сопровождаемые227отбором «подходящих» (скажем, с чем-то связывающихся) вариантов, таки случайное перемешивание олигопептидов (сопровождающееся таким жеотбором).

современные методы отбора «подходящих» случайных последовательностей (упомяну только название самого, пожалуй, мощного из них:фаговый дисплей; читайте о нем в учебниках по молекулярной биологии!)позволяют проанализировать порядка 1010 и более случайных последовательностей. то, что среди них порой находят «белковоподобные» продукты, показывает, что такие «белковоподобные» цепи составляют долюпорядка 10–10 от всех случайных полипептидов, состоящих из несколькодесятков аминокислотных остатков.Я специально подчеркиваю: возникновение белков из случайных последовательностей можно предположить именно для глобулярных белков,так как именно их последовательности внешне напоминают «случайные»(т. е.

самые массовые) сополимеры (см. рис. 16-2). В то же время для первичных (а равно и пространственных) структур фибриллярных и мембранных белков ясно просматривается их «неслучайное» строение (но кстати:строение, также простое с точки зрения его создания, — повтор короткихблоков для фибриллярных, и чередование гидрофобных и гидрофильныхблоков — для мембранных белков). Проведенный анализ подчеркивает тот факт, что получающиеся в результате эволюции структуры белков выглядят очень «разумно» с физической точки зрения — так же, как и двойная спираль дНк, как и мембранный бислой.

Видимо, и на уровне архитектур белковых доменов эволюцияне «изобретает» нечто физически маловероятное, а «выбирает» среди физически разумных (т. е. стабильных и потому способных к быстрой самоорганизации, мы это скоро увидим) структур. В этом и заключается смысл«физического отбора» белковых структур.кООПЕрАтИВНЫЕ ПЕрЕХОдЫ В БЕЛкОВЫХМОЛЕкУЛАХЛекция 17денатурация белка. Нативно-развернутые белки. кооперативные переходы. Обратимость денатурации белков. денатурация глобулярного белка — переход типа «все-или-ничего». критерий Вант-Гоффадля перехода «все-или-ничего».

тепловая и холодовая денатурация.диаграмма фазовых состояний белковой молекулы. как выглядитденатурированный белок? клубок и расплавленная глобула. Неоднородность расплавленной глобулы. Отсутствие фазового перехода типа«все-или-ничего» при набухании «обычных» полимерных глобул.ранее мы рассматривали стабильность фиксированных, «твердых»белковых структур. Но, при определенных внешних условиях, самой стабильной может оказаться не твердая, а расплавленная или даже развернутая форма белковой молекулы.

тогда белок «денатурирует», теряет своюнативную, «рабочую» структуру. Обычно денатурация белка наблюдается in vitro, при воздействии на негоаномальной температуры или денатуранта [мочевины, H+ или OH– ионов (т. е.аномального рН) и т. д.]. Однако распад «твердой» структуры белка и затем ееповторная самоорганизация происходит и в живой клетке, что играет важнуюроль, например, в процессе транспорта белков через мембраны.Более того. Вовсе не все белки «сами по себе» имеют определеннуюпространственную структуру при физиологических условиях.

Не имеющиеполучили название «нативно-развернутых». Иногда «нативно-развернут»весь белок, иногда развернуты какие-то участки его цепи. Некоторыеиз нативно-развернутых белков (или нативно-развернутых участков цепи)имеют странный, упрощенный аминокислотный состав и, возможно, никогда не имеют определенной пространственной структуры.

Пока непонятно,зачем они нужны клетке. Возможно — как источник каких-то олигопепти-229дов. Возможно — «низачем», как «эгоистическая дНк». Однако многие«нативно-развернутые» белки приобретают свою уникальную пространственную структуру, связав лиганд или сев на другой белок, дНк или рНк.[Предполагается, что у связывания белка с нестабильной структурой естьто преимущество, что при большой поверхности (а значит, и выборочности)связывания оно оказывается не слишком прочным.] таким образом, изучение «денатурированного» (неупорядоченного) состояния белковых цепейимеет прямое отношение и к состоянию некоторых белков в клетке.денатурация и ренатурация глобулярных белков in vitro — объект интенсивных исследований, интерес к которым поддерживается их связьюс проблемой самоорганизации белка, т.

е. с вопросом о том, как белковаяцепь находит свою уникальную структуру среди гигантского числа возможных альтернатив.В этой лекции я практически не буду касаться кинетических аспектовденатурации и самоорганизации белков и сосредоточусь на термодинамических и структурных аспектах этих явлений. Больше всего изучены водорастворимые глобулярные белки, и именно о них я буду рассказывать. Что показывает эксперимент?твердо установлено, что денатурация малых белков является кооперативным переходом с одновременным и резким, «S-образным» изменением многих (хотя порой и не всех) характеристик молекулы (рис. 17-1).S-образность экспериментальных кривых показывает, что соответствующие характеристики молекулы меняются от тех, что характерны для нативного белка, до тех, что характерны для белка денатурированного; а узостьэтих S-образных кривых свидетельствует о кооперативности перехода, т.

е.о том, что он охватывает сразу много аминокислотных остатков.абРис. 17-1. денатурация белка сопровождается резким, «S-образным» изменением многиххарактеристик молекулы. В данном случае денатурация белка вызывается повышениемконцентрации денатуранта, которая измеряется в числе молей молекул на литр раствора(обозначение: моль/л, или М). (а) синхронное изменение кд (длина волны — 220 нм)и флуоресценции при денатурации фосфоглицераткиназы в растворе гуанидингидрохлорида. картинка, с небольшими изменениями, взята из H. Nojima et al., J. Mol. Biol. (1977)116:429–442. (б) Электрофорез цитохрома с при разных концентрациях мочевины: замедление миграции вызвано разбуханием молекулы при денатурации. картинка, с разрешения, взята из T.

E. Creighton, J. Mol. Biol. (1979) 129:235–264230Более того: денатурация белка происходит как переход типа «все-илиничего» (рис. 17-2).Рис. 17-2. калориметрическое исследование тепловой денатурации лизоцимапри разных рН. Положение пика удельной теплоемкости Ср определяет температуру перехода T0, его ширина — ширину перехода ∆T, площадь под пиком — поглощенное при плавлении тепло ∆Н в расчете на грамм белка. то, что они (∆T, ∆Н,T0) удовлетворяют условиям (17.4), (17.5), свидетельствует, что денатурация происходит как переход типа «все-или-ничего».

Увеличенная теплоемкость денатурированного белка — следствие увеличения поверхности контакта его гидрофобныхбоковых групп с водой при (частичном или полном) разворачивании белка. картинка, с небольшими изменениями, взята из P. L. Privalov & N. N. Khechinashvili,J. Mol. Biol.

(1974) 86:665–684Последнее (вы должны это помнить) означает, что при таком переходетолько начальное (нативное) и конечное (денатурированное) состояниянаблюдаются в заметных количествах (рис. 17-3), а «полуденатурированных» молекул практически нет. [Хотя, конечно, они тоже должны быть,пусть в мизерном количестве, ведь не переходит же одно состояние в другое при помощи «нуль-транспортировки»; но наличие «полусвернутых»структур отражается только на кинетике перехода, разговор о которойеще впереди.] Иначе говоря, переход «все-или-ничего» является микроскопическим аналогом фазового перехода первого рода в макроскопических системах (например, плавления кристалла).

Однако, в отличиеот истинного фазового перехода, S-образность перехода «все-или-ничего»имеет не нулевую, а конечную ширину, так как этот переход охватываетне макроскопическую, а микроскопическую, очень небольшую систему.каким образом было экспериментально показано то, что денатурация небольших белков подчиняется принципу «все-или-ничего», об этом чутьпозже, а пока уместно уточнить, что денатурация типа «все-или-ничего»относится к небольшим глобулярным белкам и отдельным доменам крупных белков, а денатурация больших глобулярных белков, как показываютмногочисленные опыты, слагается из плавления входящих в них доменов.231Рис. 17-3. При одном и том же виде зависимости энергии Е (или другого наблюдаемого параметра) от температуры, кооперативный («S-образный») переход можетбыть и переходом типа «все-или-ничего» (пример: денатурация белка), и постепенным, «безродным» (пример: переход спираль-клубок в полипептидах).

различияпроявляются не в виде кривой Е(Т), а в виде функции распределения w(E) молекулпо энергии (или по другому наблюдаемому параметру). Штриховые линии на левомрисунке поясняют графическое определение ∆T, температурной ширины переходаденатурировать белок можно не только теплом (см. рис. 17-2), но порой и холодом (о чем речь пойдет несколько позже). кроме того, белки денатурируютпод действием слишком высоких или слишком низких pH (вызывающих исчезновение зарядов одного знака и, тем самым, — расталкивание оставшихся зарядовдругого знака). денатурируют белки (см.

Характеристики

Список файлов лекций