А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Здесь нет принципиальной разницы: как мы ужезнаем, квази-Больцмановская статистика белковых структур определяетсяпотенциалами взаимодействий. Поэтому я буду говорить о «потенциалах»,даже если их оценка восходит к белковой статистике, а не к физическомуэксперименту. Взаимодействия с молекулами воды обычно не рассматриваются в явном виде; вместо этого используются потенциалы взаимодействий, опосредованных водой (например, гидрофобных взаимодействий). Начнем с определения стабильной вторичной структуры белка по егоаминокислотной последовательности; α-спирали и вытянутые β-участки —важнейшие элементы белковых глобул, во многом определяющие, как выпомните, их общую архитектуру (см.
рис. 22-5).324Забудем пока о том, что белковая цепь уложена в твердую глобулу:слишком сложно рассчитывать вторичную структуру одновременно с третичной. Можем ли мы предсказать вторичную структуру цепи по ее аминокислотной последовательности до предсказания третичной структуры?Оказывается — да, в основном да, пусть и не абсолютно точно.Прежде всего, какие аминокислотные остатки будут стабилизироватьотдельно взятую вторичную структуру, например, α-спираль, а какие будут разрушать ее?Эксперименты дают прямой ответ на этот вопрос. Я имею в виду огромную работу по оценке α- и β-образующих способностей аминокислотныхостатков, проведенную в группах Шераги, Фасмана, Болдвина, Фершта,серрано, деГрадо, кима и в ряде других групп (и, в частности, у нас —В.
Е. Бычковой и О. Б. П.). кроме того, богатый (хорошо совпадающийс физико-химическим экспериментом и дополняющий его) материал даетстатистика аминокислотных последовательностей α- и β-структур в белках. рисунок 22-6 суммирует важнейшие (те, которые стоит запомнить)из оценок, полученных всеми этими методами.Рис. 22-6. «Шаблоны» для опознавания α-спирали, петли, β-структуры и β-изгиба;выделены те остатки, которые стабилизируют их или их отдельные части. «+»означает все положительно заряженные аминокислоты, «–» — все отрицательнозаряженные, «+ –» — все аминокислоты с диполем в боковой цепи.
Показан также стабилизирующий α- и β-структуру порядок чередования гидрофобных группв цепи (см. нумерованные группы). такого типа чередование приводит также к образованию гидрофобных и полярных поверхностей α-спиралей и β-тяжейЗдесь надо, однако, сразу сказать, что все закономерности, наблюдающиеся в структурах белков, носят вероятностный, частотный характер.Несмотря на многочисленные попытки, не удалось выделить никакогочеткого «кода» белковых структур, т. е. ничего похожего на то четкое A–Tи G–C-спаривание нуклеотидов, которое свойственно двойной спиралидНк. Впрочем, надо признать, что уже в рНк — с их разнообразным,325в отличие от дНк, репертуаром пространственных структур — спаривание нуклеотидов происходит далеко не столь однозначно…Подавляющее большинство из полученных экспериментальных и статистических оценок можно легко понять, исходя из физики и стереохимииаминокислот. Мы уже говорили об этом на одной из прошлых лекций.так, Pro не любит входить ни в α-спираль (кроме ее N-концевого витка),ни в β-структуру.
Почему? Потому, что у него нет NH-группы, и он не может завязывать соответствующие α- и β-структуре водородные связи;а на N-конце спирали NH-группа таких связей и не должна завязывать, —и Pro там встречается часто, тем более что у Pro один из двух углов вращенияв главной цепи (угол φ) уже фиксирован пролиновым кольцом в подходящемположении. По тем же причинам часто встречается Pro и на N-конце изгибов.А вот, например, Ala стабилизирует α-спираль, а Gly разрушает и ее,и β-структуру, и способствует образованию нерегулярных участков.с чем связана эта разница? с тем, что область конформаций, т.
е. областьдопустимых углов φ, ψ для Gly в клубке гораздо больше, чем для Ala,в то время как допустимые конформации для обоих этих остатковв α-спирали примерно совпадают.По аналогичным причинам C β-разветвленные остатки — Val, Ileи Thr — больше стабилизируют β-структуру, где их боковые группы имеют 3 разрешенных поворотных изомера, чем α-спираль или клубок, гдеони имеют только 1 изомер (при каждом значении φ и ψ).Вообще же гидрофобные группы склонны несколько чаще входить в αи β-структуру, где они могут «бесплатно» (все уже оплачено водороднымисвязями!) слипаться в гидрофобные кластеры (см. рис.
22-6), чем в клубок,где они этого делать не могут. А вот боковые группы с диполями, особеннов короткой боковой цепи, больше склонны входить в нерегулярные участки цепи, где они могут завязывать дополнительные нерегулярные водородные связи, чем в α- и β-структуры, где доноры и акцепторы водородныхсвязей уже насыщены внутрицепными связями.Влияние аминокислотных остатков на вторичную структуру можно не только объяснить, но и a priori оценить теоретически. так, еще до получения экспериментальных оценок, в начале и середине 1970-х гг., А. В. Ф.
и О. Б. П.предсказали, что отрицательно заряженные остатки должны стабилизироватьN-конец спирали, притягиваясь к его положительному парциальному заряду,и дестабилизировать ее с-конец, отталкиваясь от отрицательного парциального заряда спирального диполя. Положительно же заряженные остатки должныдействовать в прямо противоположном направлении.
При этом потенциалкаждого такого взаимодействия должен, по теоретической оценке, составлять1/4 или 1/3 килокалории. Что и было подтверждено экспериментально.326 Зная, какие аминокислотные остатки стабилизируют середину спирали, какие — ее N-конец, а какие — C-конец, мы получаем нечто вроде«шаблона» спирали.Шаблон α-спирали можно описать так: если начало фрагмента белковойцепи обогащено отрицательно заряженными группами, да еще там стоитPro; если середина этого фрагмента обогащена остатками Ala, Leu и Met,а Pro и Gly там нет; и если его с-конец содержит положительно заряженные боковые группы — перед нами α-спиральный участок.
кроме того,для стабильности α-спирали полезен, а для ее включения в глобулу —просто необходим определенный (см. рис. 22-6) порядок чередования гидрофобных групп в цепи: этот порядок способствует слипанию этих группи, кроме того, приводит к образованию на спирали сплошной гидрофобной поверхности, необходимой для ее прилипания к глобуле. Важностьправильного чередования боковых групп для формирования вторичнойструктуры была показана В. И. Лимом.то есть «шаблон» качественно описывает аминокислотную последовательность, подходящую для образования α-спирали.
Чем лучше аминокислотная последовательность удовлетворяет этому шаблону, тем вероятнееспираль в данном месте цепи. такое же описание — «шаблон» — можносоставить и для участков, пригодных для образования β-структуры. А также для участков, особо пригодных для образования β-изгибов и петель.Более того, «шаблоны» можно применять и для описания кусков цепи,образующих более сложные структуры, например, для описания β-α-βсуперспиралей, состоящих из двух параллельных β-участков и α-спиралимежду ними (рис. 22-7). такие структуры типичны для доменов, связывающих нуклеотиды. Особо важную роль в «шаблоне» играют так называемые «ключевые позиции», которые могут быть заняты только строгоопределенными аминокислотными остатками, например, Gly: только этотостаток может находиться в конформации с ϕ ≈ 60°, недоступной всемостальным остаткам.
Отметим, что «шаблоны» могут содержать, помимоструктурной, и функциональную информацию (см. последний остатокв нуклеотид-связывающей β-α-β-субъединице на рис. 22-7). Но вернемся к расчету вторичной структуры. для начала, рассмотримвторичные структуры в «развернутой» цепи, т. е. не учитывая взаимодействия между ними.Зная вклады отдельных взаимодействий в стабильность α-спиралейи β-шпилек, мы можем рассчитать их свободную энергию в любом месте цепи. Вот уже 30 лет мы используем для этого нашу программу ALB.В одном из режимов (“unfolded chain” — «развернутая цепь») она позволя-327тального строения, но знаем, что участки цепи как-то примыкают к гидрофобному ядру белка.
В простейшем приближении взаимодействие с ядромможно аппроксимировать взаимодействием с «гидрофобным озером»,на котором плавает белковая цепь (рис. 22-9).Рис. 22-7. «Шаблон» суперспирали β-α-β, связывающей нуклеотиды. квадратикиотмечают позиции, обычно занимаемые сравнительно небольшими гидрофобнымиостатками (Ala, Ile, Leu, Val, Met, Cys): это — гидрофобное ядро суперспиралиβ-α-β. Черные кружки — ключевые позиции, занимаемые только Gly: здесь находятся резкие повороты цепи. светлый треугольник отмечает первую позициюмотива β-α-β, где обычно находится положительно заряженная или дипольнаябоковая цепь.
В последней (–) позиции мотива β-α-β находится аминокислота Aspили Glu, связывающая лиганд (нуклеотид). рисунок, с небольшими упрощениями,взят из R. K. Wierenga et al., J. Mol. Biol. (1986) 187:101–107ет рассчитывать вероятность образования α- и β-структур в каждом местецепи и среднее их содержание в полипептидах и в неглобулярных (еще)белковых цепях, причем при разной температуре, ионной силе и рН раствора. Потом результат можно сравнить с опытными данными, например,с содержанием вторичной структуры в тех же полипептидах, судя по кдспектрам. рисунок 22-8 показывает, что теоретический расчет неплохо совпадает с опытом.Рис. 22-8. теоретическая (вычисленная программойALB — unfolded chain) и экспериментально найденная спиральность нескольких десятков пептидовпри температуре 0–5 °с и разной ионной силе и рНраствора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
