Lenindzher Основы биохимии т.1 (1128695), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Однако, как можно предположить, исходя из моделей, представленных на рис. 1-2, если в молекуле этапа один нлн большее число атомов водорода, связанных с двумя атомами углерода, заменить на более крупные илн электрически заряженные функциональные группы, то свобода вращения Рис. 7-Х Дяе кридние канфармяиии молекулы этянв.
Благодаря свободному врешению вокруг олниврноб С-- С.свми возможны н многие другие конформяцин. Рязли шые конфармвционные формы легко лереяолят алия в другую, и ня нельзя отпел нть друг ат друге. Зеторможеиве» конбюрмвция иянбалее устойчнве и преобладает нед всеми лругими. ГЛ. 7. ФИБРИЛЛЯРНЫЕ БЕЛКИ 167 вокруг одинарной С. †.С-связи окажется сильно ограниченной, что существенно уменьшит число возможных конформаций молекулы этапа. 7.2.
Как это нн парадоксально, натнвные белки имеют только одну или всего луипь несколько конформаций Поскольку в ковалентном остове полипезггидной цепи все связи одинарные, можно было бы ожидать, что полипептид способен принимать в пространстве бесконечное число конфорлчаций. Более того, естественно было бы предположить, что конформация полипептида претерпевает постоянные изменения вследствие ~силового движения и беспорзщочного вращения участков цепи вокруг каждой из одинарных связей ковалентного остова.
Поэтому может показаться парадоксальным тот факт, что полипептидная цепь нативного белка в нормальных биологических условияхпри обычной температуре и нейтральных значениях рН вЂ” имеет только одну или очень небольшое число конформаций. Эта натинная конформпцпя достаточно устойчива: если выделение белка вести осторожно, избегая воздействий, приводящих к развертыванию цепей и денатурации, то выделенный белок может полностью сохранить свою биологическую активность. Это свидетельствует о том, что вокруг одинарных связей полнпептидного остова в нативных белках свободное вращение невозможно. И мы скоро убедимся, что зто действительно так.
Но сначала мы вкратце ознакомимся с биологией керпнзинан -фнбриллярных белков, структура которых дала ключ к изучению конформации белков. 7З. !х-Кератины— фнбрнллирные белки, сннтезируемые клетками эпидермиса п-Корягины — зто основной тип фибриллярных белков, из которых образуются наружные защитные покровы позвоночных. На их долю приходится почти весь сухой вес волос, шерсти, перьев, рогов, ноггей, когтей, игл, чешуи, копыт и черепапзьего панцыря (см. рис. 5-1), а также значительная часть сухого веса наружного слоя кожи.а-Кератины представляют собой целое семейство белков.
Опн, как правило, сходны по аминокиспотному составу, содержат много остатков цнстина и имею~ одинаковое пространственное расположение полнпептндных цепей. Хотя волосы. перья, ногти и другие подобные им наружные образования можно было бы считатьч исходя из их ме- О,! нлл Рис. 7-3 Структура пера птицы. Хотя перья прелсзааляюз собой почти чистый о-кератии. их полипнындные цепи образуют исключительно сложные структуры, формирунлшигся н процессе их разяитин и «ясгках зпидермиса Перь» отличаются прочностью и гибкостью; они обеспечивают зашиз у от неблагоприятных еоздейстаий окрулкагощей среды, а благодаря их пигмсптання а «акоп-то мере н оз врагов.
Однако прежде всего перья лолжны быль очень легкими. Для них характерна также микроскопическая алаптацня к выполняемой нми бищлол «леской функции. Заесь показана фотография пера «олибри, полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа. Ог от«ржи» пера отходят тысячи бородок, на каждой из «отормх имеетс» множесгяо бородочск. Беро»очки на конце пер» снабжены крошечными крючочками, зацепляюшими вороночки си едних перь«и. Когда птица числ ил перья, она заде«акт клювом крючочки, н результате чего перла сходагс», как по»о»инки застежки «молния».
и ясе оперенье приобретает обтекаемую форму. 168 чжсть 1, БиОмОликулы стоположения, внеклеточным материалом, на самом деле кератины синтезируются в клетках эпидермиса, иэ которого происходят и волосы, и перья, и ногти. В клетках волос полипептцдные цени кератина сначала организуются в волокна, из которых затем формируются структуры наподобие каната нли скрученного кабеля, заполняющие в конце концов все пространство клетки.
Клетки волос становятся прн этом уплощенными и наконец отмирают, а клеточные стенки образуют вокруг каждого волоса трубчатый чехол. называемый куязикулой. Ногги и перья, а также чешуя пресмыкающихся развиваются аналогичным образом, хотя онн н представляют намного более сложные структуры (рис. 7-3). п-Кератин, особенно та его форма, которая встречается в составе волос и шерсти, сыграл очень важную роль в развитии наших представлений о структуре белков.
Полипептидные пепи и-кератина образуют ддинные регулярно скрученные волокна„структуру которых можно исследовать методом ренттеноструктурного анализа; поэтому изучение а-кератина и стало важнейшим этапом в создании наших сегодняшних представлений о значительно более сложных глобулярных белках. 7.4. Рентгеноструитурный анализ показывает, что в кервтннах имеются повторяющиеся структурные единицы Чтобы определить расстояния между атомами в кристалле, на него направляют пучок рентгеновских лучей определенной длины волны и измеряют углы отклонения рентгеновских.
лучей электронными оболочками атомов кристаллической решетки 1углы днфракции); кроме того, измеряют интенсивности отклоненных (дифрагированных) лучей. Рентгеноструктурный анализ, например, кристаллов хлористого натрия показывает, что ионы )Ча и С) образуют простую кубическую решетку. Методами, основанными на дифракции рентгеновских лучей, можно установить также расстоя- ния между атомами в сложных органических молекулах, даже в таких крупных, как белки.
Однако это более трудная задача, чем исследование кристаллов простых солей, так как очень большое число ат омов в молекуле белка дает тысячи дифракционных пятен, интенсивности которых можно проанализировать только при помощи вычислительных машин. В начале 30-х годов Уильям Астбери в Англии провел первые рентгеноструктурные исследования белков, положившие начало новому научному направлению. Он показал, что пучок рентгеновских лучей, направленный на волос или шерстяную нитку, в состав которых входит в основном а-кератнн,дает характерную дифракцнонную картину.
На основе анализа этой картины Астбери заключил, что волос и шерсть обладают периодичностью, т.е. содержат повторяющиеся структурные елинипы длиной около 0,54 нм, расположенные вдоль оси волоса. Его наблюдения привели в дальнейшем к предположению о том, что полипецтндные цепи в белках этого семейства не вытянуты полностью, а скручены или свернуты каким-то регулярным образом. Кроме того, Астберн обнаружил, что фибровн 1белок нз которого состоят нити шелка), представляющий собой ))-кератин, дает несколько иную дифракционную картину, соотвезствующую структуре с периодом повторяемости 0,70 им. Интересно, что дифракционная картина, полученная после вытягивания волос или шерсти под горячим паром, характеризуется периодичностью, близкой к 0,70 нм, и сходна с дифракпионной картиной шелка.
В течение ряда лет из этих наблюдений ве удавалось сделать никаких дальнейглнх выводов из-за отсутствия сведений о трехмерной структуре полипептидов. 7.5. Реитгеяоструктурные исследования пептидов свидетельствуют о жесткости и плоской конфигурации пептндных групп Следующий шаг в развитии наших знаний о пространственной структуре бел- ГЛ.
7 ФИБРИЛЛЯРНЫБ БЕЛКИ 169 Плескал поптиднпя группа Вокрж этих С-П-связей вращение невоэмохао Н -«янек Плоские пептианью грулше Рис. 7-4 Плоская пептидная группа. С " Невязь частично имеет характ ер двойной связи и поэтому вокруг нее свободное вращение невозможно. Обратите внимание, что атомы кислорода и шшорода лежат е этой плоскости цоразныестороныотС Всвязи Это соответствует мраке-конфигурации пептидной связи.
ков был сделан в 40-х и начале 50-х годов Лайнусом Полингом и Робертом Кори (США). Они получили дифракционные картины кристаллов аминокислот и простых ди- и трнпептидов. На основе этих рентгенограмм им удалось установи~ь Рис. 7дл Ограничения. налагаемые на вращение вокруг одинарных связей полипептилной цепи. С Х-связи, входящие восстав плоских пептндных групп (показанных на красном фоне) н составляющие третью часть всех связей остова. не попускают свободного вращения. Вращение вокруг других одинарных связей остова также в той илн иной мере ограничено в зависимое ~и от размеров и заряда а-групп. точную структуру пептидной группы.
Они обнаружили, что С )ч)~вязь, соединяющая два аминокислотных остатка в пептидной цепи (рис. 7-4), короче большинства других С вЂ” )ч)-связей, например С вЂ” Х-связи в простых аминах. Более того, пептидная С Х-связь имеет в какойто степени характер двойной связи и поэтому вокруг нее не может происходить свободного вращения. Далее эти ученые сделали вывод, что четыре атома пептндной группы лежат в одной плоскости, причем атом кислорода карбонильной группы и атом водорода — )ч)Н-группы находятся относительно пептидной связи в глранс-положении (рис.
7-4). Исходя из всех этих исследований, они заключили, что С вЂ” зч-связи, составляющие одну треть всех связей полипептндного остова, не допускают свободного вращения и имеют частично характер двойных связей. Таким образом, остов полипептидной цепи можно представить в виде ряда жестких плоскостей, разделенных замешенными метиленовыми группами ( — СН)(--), как показано на рис. 75.
Теперь нам ясно, что жесткие пептидные связи накладывают некоторые ограничения на число возможных пространственных конформаций полнпептидной цепи. Используя специально изготовленные точные модели, Полнит и Кори изучили возможные способы скручивания илн 170 ЧАСТЬ 1. БИОМОЛНКУЛЫ -:(— б,ггли г 1х.б остатк свертывания полипептидной пепи с учетом ограничений, налаг'аемых присутствием жестких связей в плоских пептидных группах. Особый интерес они проявили к конформациям, которые могли бы объяснить существование в и-кератине волос периодически повторяющихся елиниц длиной около 0,54 нм. Простейшая форма полипсптидной цепи. содержащей жесгкие псптидцые связи (при том, что вокруг всех остальных одинарных связей свобода вращения сохраняется)г это показанная на рис. 7-6 спиральная структура, которую Г! охгинг и Кори назвали и-спиралью.
В этой структуре полипептидный остов образует плотные витки вокруг длинной оси молекулы, тогда как В-группы аминокислотных остатков выступают из спирального остова наруягу. Периодически повторяющаяся единица соответствует одному витку спирали, щаг которой составляет приблизительно 0,54 нм, что хорошо согласуется с периоличностью, наблюдающейся при реггггеноструктурном исследовании кератина волос.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
