А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Еще быстрее рассеется кинетическаяэнергия при трении о более вязкое, чем вода, окружение (о мембрану или о другуючасть белка).Полезно еще оценить, каким может быть характерное время колебания белкаtvibr. Его величина следует из «колебательной» части уравнения (24.3), m (d2x / dt2) ≈≈ –EDx: tvibr≈ (m / ED) 1/2 ≈ D (ρ / E)1/2. При характерном для белков модуле упругостиE ~ 1010 г / (см. с2), tvibr≈ 10–12 с (D / нм). сравнивая tvibr с tkinet, мы видим, что в белкахразмером D < 10 нм упругие колебания вообще невозможны (сразу затухают)из-за трения.тов реакции.
Это свидетельствует, что их (Thr40 и His45) связываниес γ-фосфатом АтФ происходит только в переходном состоянии — при напряженном (из-за того, что он вступил в пять ковалентных связей) состоянии α-фосфора, атакующего сО-группу тирозина.Значит, (1) потенциальная энергия может продуктивно вкладываться только в субстрат (чтобы подвести его к переходному состоянию),а не в белок, и поэтому активный центр белка должен быть тверд; и (2) использование кинетической энергии белка в катализе невозможно. теория катализа за счет преимущественного связывания переходныхсостояний была обоснована Холденом и Полингом еще в 1930–40-х гг.В последние годы переходные состояния для ряда энзиматических реакций были «прощупаны» методами белковой инженерии, т. е.
путем целенаправленной замены аминокислот активного центра фермента. При этомудалось выяснить (и увидеть, при помощи рентгена), какие из аминокислотных остатков фермента отвечают за слипание разных компонентов, потребных для создания активированного комплекса, и какие — за преимущественное связывание именно и только переходного состояния реакции,дотоле гипотетического, так как его устройство не было видно структурному эксперименту.так, в тирозил-трНк синтетазе, исследованной А. Ферштом, были найдены те остатки (Thr40 и His45, рис. 24-13), что связываются с γ-фосфатомАтФ только в перехόдном состоянии, что и отличает это переходное состояние от просто связанных субстратов или продуктов реакции.Перехόдное состояние очень нестабильно (по определению: максимально нестабильно!), и прямо увидеть его нельзя.
так что рентген, видящий лишь стабильное расположение субстрата на ферменте, не видитего (субстрата) связывания с Thr40 и His45 (здесь расстояние слишкомвелико), между тем как замены Thr40 и His45 на маленькие аланиныснижают активность мутантного белка более чем в миллион раз — хотяэти замены почти совсем не влияют на связывание «мутантом» субстра-368Рис. 24-13. Предполагаемое строение переходного состояния в реакции образования тирозил-АМФ из тирозина и АтФ на ферменте тирозил-трНк синтетазе.В целях наглядности кольцо тирозина заштриховано и кольца аденозина — тоже.Атакующий тирозин активированный пяти-координатный α-фосфор (р) молекулыАтФ находится в центре рисунка, а γ-фосфат АтФ — в его верхней части.
Этотγ-фосфат образует водородные связи с Thr 40 и His 45 только в переходном состоянии реакции; при простом, непродуктивном связывании субстратов этих Н-связейнет. картинка, с небольшими изменениями, взята из [9] Говоря о ферментативной реакции, мы не можем упускать из виду также ее очень высокую специфичность.так, сериновые протеазы щепят полипептид только после определенных аминокислот: химотрипсин — после ароматических, трипсин — после положительно заряженных, эластаза — только после самых маленьких.
Этот эффект [он называется опознаванием субстрата по принципу«ключ (субстрат) — замок (фермент)»] достигается четкой структуройтой специфической части субстрат-связывающего «кармана» (рис. 24-14),куда должна улечься последняя (как на трипсине) или предпоследняя(как на папаине) перед точкой щепления боковая группа пептида. В термолизине же ключевым для специфичности является аминокислотный остаток, стоящий сразу после расщепляемой C–N-связи.369Рис.
24-14. Устройство специфического сайта субстрат-связывающего карманав разных сериновых протеазах. картинка, с разрешения, взята из [5]ключевые остатки достаточно точно намечают возможную точку щепления, но скорость щепления полипептида в намеченной точке зависиттакже и от того, какие другие остатки эту точку окружают (и это естественно: ведь они тоже как-то взаимодействуют с протеазой).Однако еще более важной для эффективности и самой возможностищепления является конформация полипептида в месте щепления. Если этаконформация не годится для щепления (т.
е. если ключевая боковая группаи подлежащая щеплению связь C–N не могут занять своего «правильного»положения на ферменте одновременно), то эта связь C–N не будет разорвана.Поэтому протеазы плохо расщепляют белки с жесткой пространственной структурой — но, как только эти белки денатурируют, легко с нимирасправляются.Имея определенную жесткую конформацию, полипептидная цепьможет даже просто прилипнуть к протеазе, закрыть ее активный центр,да так, нерасщепленной, на ней и остаться. На этом принципе «непродуктивного связывания» работают многие ингибиторы.Протеазы, о которых мы говорили сегодня, являются эффективными, но не абсолютно аккуратными ферментами. По-видимому, организмеще может позволить им изредка ошибаться в выборе точки щепления.Но есть белки, от которых требуется абсолютная надежность.
Она достигается работой нескольких активных центров одного белка.рассмотрев сегодня элементарные функции белков, мы рассмотримих более сложные функции на следующей лекции.Лекция 25сочетание функций. Переход субстрата с одного на другой активный центр. «двойное сито» повышает специфичность функции.Относительная независимость структуры белка от его элементарнойферментативной активности. Заметная связь структуры с окружением белка.
сопряжение элементарных функций белка и гибкость егоструктуры. Индуцированное соответствие. Подвижность доменовбелка. Перемешивание доменов при эволюции белков. доменнаяструктура: киназы, дегидрогеназы. Аллостерия — взаимодействиеактивных центров. Аллостерическая регулировка функции белка.Аллостерия и четвертичная структура белка. Гемоглобин и миоглобин. Механизм мышечного сокращения. Шагающий кинезин.рассмотрев на прошлой лекции элементарные функции белков, мы рассмотрим теперь их более сложные функции. как уже говорилось, есть белки, от которых требуется колоссальнаяточность работы, и эта точность достигается сопряженной работой нескольких активных центров одного белка.
так обстоит дело, например,в аминоацил-трНк синтетазах: они «заряжают» трНк нужными аминокислотами, и от точности их работы зависит точность синтеза белков. Поэтомуони не могут позволить себе ошибаться чаще, чем однажды на многотысяч синтезов аминоацил-трНк, а опознавание аминокислоты специфическим субстрат-связывающим карманом допускает порядка 1 % ошибок.для устранения этих ошибок используется эффект «двойного сита» (рис.25-1).
Этот эффект обеспечивается специальной конструкцией фермента.У фермента аминоацил-трНк синтетазы два активных центра:центр синтеза и центр гидролиза. Причем гидролиз аминоацил-трНкна аминоацил-трНк синтетазе не есть просто реакция, в точности обратная синтезу: обе эти реакции идут с выделением свободных фосфатов, т. е.обе — с понижением свободной энергии.371Рис. 25-1. схема «двойного сита» для механизма редактирования работы изолейцил-трНк синтетазы, заряжающей изолейцином (Ile) изолейциновую трНк (tRNAlle)При этом субстрат-связывающий карман центра гидролиза меньше,чем карман центра синтеза аминоацил-трНк.Принцип сита — не пропускать частицы, которые больше, чем ячейки сита.На первом сите — при синтезе аминоацил-трНк — трНк заряжаются«правильной» аминокислотой и некоторым числом «неправильных», болеемелких (более крупные аминокислоты отвергаются все, а большая часть«неправильных» мелких тоже отвергается по причине различий в гидрофобности / гидрофильности, но все же отбор по гидрофобности / гидрофильности не столь жесток, как отбор по возможности втиснуться в карман данного размера).
Итак, на выходе этапа синтеза — много аминоацил-трНкс «правильной» аминокислотой и некоторое количество аминоацил-трНкс «неправильными» аминокислотами — но только с теми, что меньше, чем «правильная»: более крупные аминокислоты отвергаются «карманом»синтетического центра, этим первым «ситом».На втором активном центре, на втором «сите» — у него «ячейка»(субстрат-связывающий карман) поменьше — идет гидролиз образовавшихся аминоацил-трНк, но только тех, где аминокислота меньше, чем «правильная». то есть «правильная» аминокислота отвергаетсякарманом гидролизного центра, этим «вторым ситом», а все остальныеаминоацил-трНк гидролизуются и распадаются.В сумме два эти сита и обеспечивают выход только «правильно заряженных» аминоацил-трНк. В завершение рассказа о специфичности ферментов стоит остановитьсяна двух прагматических аспектах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
