А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

1-5).α-Chymotripsin  Subtilisin CarlsbergРис. 1-5. два разных по форме, но почти идентичных по функции белка (сериновые протеазы): химотрипсин, сложенный из β-структуры, и субтилизин, включающий, наряду с β-структурой, много α-спиралей (некоторые из них входят вактивный центр). Несмотря на кардинальное различие в укладке цепи, их каталитические центры состоят из одинаковых и одинаково в пространстве (но не вцепи!) расположенных остатков: Ser195 (S), His57 (H) и Asp102 (D) в химотрипсине, и Ser221 (S), His64 (H) и Asp32 (D) в субтилизине22Однако порой практически одна и та же пространственная структураможет обеспечивать совсем разные функции. так, из трех, изображенныхна рис.

1-4, сходных по «грубой» пространственной структуре белков —один (цитохром) связывает электрон, другой (гемэритрин) связываеткислород (эти функции немного похожи — обе они включены в цепь окислительных реакций), а третий (белок оболочки вируса) связывает гораздоболее крупные молекулы — рНк, а также другие оболочечные белки.как уже говорилось, структура белка определяет его функцию.Верно ли обратное, т. е. определяет ли функция белка его структуру?Здесь тоже прослеживаются некие частные корреляции, но, в общем, такоеопределяющее влияние функции прослеживается только на очень грубомуровне — уровне, определяемом «средой обитания» белковых функций.так, белки, несущие структурную функцию — например, те, из которыхслагаются волосы или фибриллы — как правило, фибриллярны; рецепторы — это мембранные белки, и т.

д. Но часто это совсем неверно на уровне архитектуры белка, т. е. на уровне его внутреннего строения. так, двесериновые протеазы (химотрипсин и субтилизин) имеют одну и ту же каталитическую функцию и даже почти одинаковую специфичность — присовершенно разной (см.

рис. 1-5) внутренней структуре глобул [эти белкисходны не более чем тюлень и жук-плавунец: лишь их (белков) «плавники» — т. е. их активные центры, включающие по полудюжине аминокислотных остатков из пары сотен звеньев цепи, — устроены одинаково, а всеостальное — по-разному]. Более того: существуют по-разному устроенныеактивные центры, исполняющие одну и ту же работу (например, у сериновых протеаз, с одной стороны, и у металлопротеаз, с другой).Итак, ряд примеров показывает, что функция белка не определяет егопространственную структуру.

Но, сказав это, надо иметь в виду масштабы.Если обрабатываемая молекула велика — с ней может взаимодействоватьпочти весь белок, и тогда почти вся его форма важна для его функции.Если же обрабатываемая белком молекула мала (что бывает чаще), тоименно мелкомасштабные детали небольшого участка поверхности белкаопределяют его функцию, а остальное его тело лишь фиксирует эти критически важные детали. Последнее означает, что основная задача большейчасти белковой цепи — соорудить твердый фундамент для активного центра. Иными словами, специфичность функции белка подразумевает еготвердость.Внутренний голос: Подчеркивая нетривиальные и пикантные фактыисполнения одной функции белками совершенно разной архитектуры, иразных функций — архитектурно-сходными белками, не следует забывать23о том тривиальном, но от этого не менее верном правиле, что похожие поархитектуре белки очень часто гомологичны (генетически родственны) иимеют идентичные или сходные функции…Лектор: Верно — но тривиально.

А я хотел подчеркнуть ту важнуюдля понимания физики белка мысль, что активные центры могут мало зависеть от устройства всего остального тела белка.Общим же у этого «всего остального» тела является то, что тело белка,во всяком случае «работающего» (а не ожидающего начала работы) белка — твердое: иначе нельзя обеспечить специфичность активного центра. В свое время мы подробно рассмотрим структуры белков, их способность к самоорганизации и причину их твердости, обсудим функции ипрочие интересные для биолога вопросы — но сначала необходимо рассмотреть аминокислотные остатки и их элементарные взаимодействиямежду собой и с окружающей средой.ЭЛЕМЕНтАрНЫЕ ВЗАИМОдЕЙстВИЯ В БЕЛкАХИ ВОкрУГЛекция 2стереохимия L-аминокислотных остатков.

Валентные связи и углымежду ними. Их колебания. Вращение вокруг валентных связей.Пептидная группа. транс- и цис-пролины.Аминокислоты, из которых сложена полипептидная цепь (рис. 2-1), могут находиться в двух стерических формах: L и D.Рис. 2-1. Боковые цепи двадцати стандартных аминокислотных остатков, исходящие из сα атомов главной цепи. справа показаны входящие в аминокислоты атомы25Эти формы, L и D, зеркально-симметричны: в них массивный боковойрадикал R (изображенный на рис. 2-1) и Н-атом, стоящие при α-углероде(сα) аминокислоты, меняются местами (стрелки, а также уменьшение размеров и яркости значков указывают углубление атомов в рисунок):L- и D-форм нет только у глицина Gly, «боковая цепь» которого состоит лишь из Н-атома.Белковые цепи сложены только из остатков L-аминокислот.

только оникодируются генами. D-аминокислотные остатки — они встречаются в пептидах — не кодируются при матричном синтезе белка, а синтезируютсяспециальными ферментами. рацемизация (L ↔ D переход) спонтанно вбелках практически не происходит. Не происходит она и при биосинтезе,хотя часто встречается при чисто химическом синтезе пептидов, где наборьбу с рацемизацией уходит много сил.Аминокислоты в белковой цепи связаны между собой пептидными связями C′ и N атомов (рис.

2-2).Рис. 2-2. Полипептид: главная цепь ибоковая группа (Ser) на ней. Пептидные группы заштрихованы. Показаныуглы внутреннего вращения в главной(φ, ψ, ω) и боковой (χ1) цепях. Индексыi – 1, i, i + 1 показывают последовательность аминокислотных остатков в цепи. стрелки указывают направлениевращения ближней к нам части цепиотносительно более отдаленной ее части, ведущее к росту угла поворота.картинка взята из [3] и адаптирована Важную роль в структуре белка играет как жесткость, так и плоскаяформа всей пептидной группировки.Ее плоская форма обеспечивается так называемой sp2-гибридизациейэлектронов N и с′ атомов. «Гибридизация» электронных орбит — эточисто квантовый эффект.

Sp2-гибридизация преобразует одну сферическую s- и две «восьмеркообразные» p-орбиты электронов атома в три вытянутые прочь от ядра sp2-орбиты. Эти три орбиты вовлекают атом в триковалентные связи, лежащие в одной плоскости (–•<). ковалентная связьсоздается «делокализованным» электронным облаком, охватывающим обасвязанных атома.жесткость пептидной группы возникает из-за дополнительной связиp-электронов, не задействованных в sp 2-орбитах. Эти p-электроны N-,C′- и O-атомов также вступают в связь и «делокализуются», создаваяэлектронное облако, охватывающее атомы N, C′ и O (именно поэтомусвязи C N и C O рисуются как равноправные «полуторные», ). И таккак p-орбита имеет форму «восьмерки», перпендикулярной всем трем sp2орбитам (–•<), то дополнительная ковалентная связь этих «перпендикулярных» p-орбит препятствует вращению вокруг с′-N-связи.Хочу напомнить, что делокализация электронов, их переход с атома наатом — основная причина образования химических связей.

Это следует изпринципа неопределенности Гейзенберга:∆p∆x ~ ћ .(2.1)Здесь ∆p — неопределенность в импульсе частицы, ∆x — неопределенность в ее координате, а ћ ≡ h/2π, где h — постоянная Планка. так как направление движения электрона в атоме не может быть известно, то ∆p ≈ |p| == mv, где v — скорость, а m — масса частицы. следовательно,v ~ ћ/m∆x.В то же время, кинетическая энергия частицы E = mv2/2, т.

е.E ~ ћ2/m∆x2.26(2.2)27следовательно, при делокализации, когда ∆x возрастает, энергия частицы падает, и она переходит в более стабильное состояние. Видно, что этотэффект наиболее силен для легких частиц, т. е. для электронов. так делокализация электрона приводит к химической связи.длина химической связи близка к Ван-дер-Ваальсову радиусу атома,т. е. составляет 1–2 Å (точнее: около 1 Å — для связи C–H, N–H или O–H;около 1,2–1,3 Å — для с=О, C O, C N и с=с; 1,5 Å — для с–с и около1,8 Å — для S–S).Характерные величины валентных углов составляют около 120 и 109о.Углы в 120о находятся при sp2-гибридизованных атомах типа –C′<, –N<,где три валентные связи направлены из центра к вершинам плоского треугольника, углы в 109о — при sp3-гибридизованных атомах типа >Cα<, гдечетыре связи направлены из центра к вершинам тетраэдра, а также при завязывающих по две связи O< или S< атомах. Остановимся теперь на характерных величинах флуктуаций, т.

е. тепловых колебаний валентных связей и углов. Они могут вносить вклад в гибкость белковой цепи.Частоты колебаний проявляются в инфракрасных (Ик) спектрах белков.Характерные частоты колебаний таковы: ν ~ 7⋅1013 с–1 для колебания атомаН, например, в с–Н-связи (при этом длина волны Ик света λ = c/ν ~5 мкм);и ν ~ 2⋅1013 с–1 для колебания «тяжелых» групп, например, в сН3–сН3 связи (при этом λ = c/ν ~15 мкм; здесь c — скорость света, 300 000 км/с).Возбуждены ли эти колебания теплом при комнатной температуре?для ответа на этот вопрос мы должны сравнить тепловую энергию,приходящуюся на одну степень свободы («тепловой квант» kT) с энергиейколебания.

Характеристики

Список файлов лекций