Биохимия 1 (1984) (1128709), страница 50
Текст из файла (страница 50)
9.5. Сзруктура тропоколлагена.-это тройной спирально скрученный тяж Обратимся к конформации основной структурной единицы коллагенового волокна типа !. Как показали электронно-микроскопические и гидролинамическне исследования, тропоколлаген имеет фарид стержня длиной 3000 А и диаметром /5 А. Это один из самых длинных среди известных белков. Для сравнения укажем, что по длине тропоколлаген в 60 раз больше диаметра химогрипснна, а по диаметру — в 2 с лишним раза меньше.
Каждая из трех полипептидных цепей имеет форму спирали (рис. 9.5). Кроме того, эти три спирализованные пепи закручиваются относительно друг друга, образуя тугую нить. И действительно, коллагеновое волокно обладает уливительной прочностью: для разрыва волокна диаметром 1 мм нужна сила в 1О кг. Характер спирализации каждой из цепей в трсхцепочечной нити коллагена хорошо Такая же спираль составляет основу пространственной структуры каждой из трех цепей тропоколлагена. Рис. 9.7. Виден на и поли-роро пептнд им совершенн отсутсз ву стибилиза етерическ колец е ос ции полип кольца ра дру1 от транс-спи оказывает сравнению Расстоянн остатками составляе равно 1,5 проливе п остатка. Рассмот дельной коллагена зована ан три спира одна вокр (рис. 9.8).
кислотны Скелетная модель гройной спирали коллагена. Показана повторяющаяся последовательность -Сз!у-Рго-Рго. 9. Белки соединительной ткани ставляет 2,9 А, а на один виток спирали приходится почти 3,3 остатка. Три цепи связаны .мезкдусобой водородными связями. Донорами водорода служат пептидные )ч)Н-группы остатков глицина, а акцепторами -пептидные СО-группы аминокислотных остатков на других цепях. Водородные связи направлены поперечно к длинной оси тропоколлагенового тяжа, В образовании водородных связей, стабилизирующих тройную спираль, участвуют также гидрокснльные группы остатков гидроксипролина и молекулы воды. Пространственная модель тройной спирали коллагена показана на рис.
9.9. 9.6. Малые размеры глицина делают еч.о не- заменимым компонентом структуры Теперь мы можем поставить вопрос: поче- му каждое третье положение в аминокис- латной последовательности тропоколлаге-. на занято глицнном? Во внутреннем пространстве тройного спирального волокна очень тесно (рис. 9.10). По существу, кроме глиципа ни один амипокигютпый остаток не,иог бы уместитьея внутри тройной спирали. Поскольку на один оборот спирали приходится трн аминокислотных остатка, соответственно каждый третий остаток в каждой из цепей неизбежно глнцин.
Два остатка по обе стороны от глицина оказываются с наружной стороны тройной спирали, где легко размещаются громоздкие кольца остатков пролина и гидрокснпролина. Казалось бы, из всех аминокислот глицин наименее важная, так как его боковая цепь — это всего лишь один атом водорода. Однако в организации белковой структуры такая простота може~ оказаться достоинством. Глицин играет очень важную роль именно потому, что он мал н, занимая очень мало места, не препятствует соединению полипептидных цепей друг с другом. Мы уже сталкивались с этим, рассматривая миоглобнн н гемоглобин, где глипин инвариантно стоит в положении Вб, способствуя сближению спиралей В и Е. В химотрипсине в полости, где происходит связывание субстрата, может уместиться большая ароматическая группа только потому, что два остатка, выстилающие полость,-это остатки глицнна.
В эволюции переносчика электронов пито- хрома е самым консервативным аминокислотным остатком оказался глицин. В коллагене мы вновь сталкиваемся с тем, что глицин играет особо ваясччую роль, расширяя диапазон возможччьчх копформаций при скручивании полипептидпой цепи. Рис. 9.9. Пространственная модель тройной спирали коллагена. (Печатается с любезного разрешения д-ра А. йю)ь) Часть ! 184 Конформации н дннвмнкв 9.7. Стабильность спирали коллагена зависит от кооперативных взанмодейсз.внй Если раствор тропоколлагена нагреть, то при характеристической температуре происходит изменение его физических свойств (рис. 9.11).
Так, резко падает вязкость раствора, что указывает на потерю волокнистой структуры. Судя по изменению оптического врашения, исчезает спиральность структуры отдельных цепей. Отсюда следует, что тепловое движение преодолевает те силы, которые стабилизируют тройную спираль, и в результате возникает разорванная структура — желатин, имеющий конфигурацию статистического клубка. Этот структурный переход возникает дискретно, прн определенной температуре, аналогично тому, как происходит плавление кристалла. Количество Термоста- бильность пролииа Ч- г идроксилролина 1в расчете иа 1000 остам «ов) Источник Темпе- рату- ра те- ла, ьп 7„7;, Кожа теленка 232 Кожа акулы 191 Коже трески 155 65 39 37 53 29 24-28 40 16 10-14 Рнс. 9.10.
100 и о бо 2 к а о о 0 20 40 Температура, 'С 189 Поперечный срез через модель коллагена. Каждая цепь соединена водородной связью с двумя другими цепями (точки означают водородную связь). и- Углеродный атом остатка глицина в каждой цепи обозначен буквой О. Каждым третьим остатком в последовательностях аминокислот должен быть глнпин, так как вблизи осн(центра)спирали не остае)- ся места для более крупного остатка. Обратите внимание, что пирролидоновые кольца расположены снаружи. Различные цепи тройной спирали показаны разным цветом. Перешедший в биохимию термин «плавление» стал применяться в случаях, когда потеря высокоорганизованной структуры происходит в узких температурных пределах. Спираль тропоколлагена характеризуется высокой степенью упорядоченности по длине.
Дискретность структурного перехода при повышении температуры указывае~ на то, что стабилизация тройной спирали обусловлена кооперативными взии.модействиялчи. Другими словами, спирализация обусловлена образованием множества усиди- вающих друг друга связеи, каждая иэ которых сама по себе относительно слаба. Образование каждой из зтих стабилизирующих связей в большой степени зависит от того, образуются ли одновременно и сосед- Таблица 9.2. Зависимость термосгабильности колла~с- на ог содержания иминокислот ние связи.
Примером такой кооперативной структуры может служить застежка-молния, В последующих главах мы рассмотрим ряд других высококооперативных макромолекулярных структур: ДНК, вирусы, клеточные мембраны. Температура, при которой спирализованность структуры утрачивается наполовину, называется температурой плавления (Ти,). Тал тропоколлагена слу:кит критерием стабильности его тройной спирали. Для интактных коллагеновых фибрилл сопоставимым показателем является температура сжатия Т.и.
Коллагены различных видов организмов различаются по температуре плавления. Оказалось, что Тлл и Тси колла- генов связаны с температурой тела животного (табл. 9.2). Самой низкой Ти, характеризуются коллагены корюшки, тогда как у теплокровных Тал достигает наиболее высоких значений. Различия в термостабнльности коррелируют с содержанием иминокислот (пролина и гидрокснпролина) в коллагене. Чвм выше еодержиниг имино- Рнс.
9.11. Кривая плавления молекулы коллагена. 9. Белки соедниительиои ткани кислое, тем стабильнее коллагеиовая снирагь. Солержание иминокислот в коллагене увеличивалось в процессе эволюции от холоднокровных к теплокровным. Итак, стабильность спирали отдельной цепи тропоколлагена зависит от пролина и гидроксинролина, действующих в качестве замков. Далее тройная спираль стабилизируется поперечными водородными связями и вандерваальсовыми взаимодействиями между остатками на разных цепях.
Наличие глицина в каждом третьем положении последовательности аминокислот служит стерическим разрешением для существования суперспирали. Определение температуры плавления химически синтезированных полипептидных моделей коллагсна пролило свет на биологическое значение процесса гидроксилирования пролина. Так, обнаружилось, что Тк, ро!у(рго-Рго-О!у) составляет 24"С, гоь да как Тьк ро1у(Рго-Нур-О(у) равна 58"С; отсюда следует, что гидраксилираванис значительна увеличивист стабильность тройной с»арала. Этот вывод подтверждается результатами изучения не~идрокснлированного коллагена, полученного путем инкубации клеток сухожилия с па'-бипирндилом - соединением, образующим хелатное соединение с железом и потому ннгибирующим пролилгидроксилазу.
Синтезированный этими клетками негидрокснлированный коллаген не образует тройной спирали при 37"С, но быстро спирализуется при температуре ниже 24" С. 9.8. Нарушение гидроксилнровання — один из биохимических дефектов прн цинге Значение гидроксилирования коллагена со всей очевидностью выступает при цинге. Жак Картье (3. Сагйег) в 1536 г.
очень живо описал эту болезнь, поразившую его спутников во время путешествия по реке Св. Лаврентия: «Одни лишились всех своих сил и не могли стоять на ногах... У других к тому же появились на коже багровые пятна крови, которые постепенно покрывали голени, колени, бедра, ягодицы, плечи, руки, шею. Изо рта стал идти зловонный запах, десны так загнили, что отпало все мясо до корней зубов, а сами зубы почти все выпали», Часть 1 186 Конформация н динамика Способы предупреждения цинги были в сжатой форме сформулированы ан~лийским врачом Джеймсом Линдом (1. (лпг(), который писал в 1753 гл «Не раз уже убеждалнсь в том, ч го зелень, свежие овощи и спелые фрукты — не только .чучшее лекарство, но и самое лейственное средство для предупреждения этой болезни». Линд настаивал, чтобы в рацион моряков входил лимонный сок. Британское Адмиралтейство прислушалось к его сове гу примерно через 40 лет.
Цинга обусловлена недостаточностью аскорбиновой кислоты (витамина С) в пище. Приматы и морские свинки утратили способность синтезировать аскорбиновую кислоту н поэтому должны получать ее с пищей. Являясь сильным восстановительным агентом. аскорбиновая кислота (рис. 9Л2) предохраняет от инактивации пролилгидроксилазу, вилимо, по!перживая восстановленное состояние атома железа ОН О О С вЂ” СН2ОН вЂ” Н НО ОН яоковонноввк ккокотв ОН О. О" С-СН ОН вЂ” Н НО О яековвкг-иои ОН О О двгиявококовбииовкк кнояота Рне. 9Д2. Формулы аскорбиновой кислоты (витамина С) и ее ионизированной формы — аскорбатиона.
рК, кислотных гидроксильных групп аскорбиновой кислоты равно 4,2. Дегндроаскорбиновая кислота является окисленной формой аскорбат-иона. М.концввьсо лвлгиды С.концевые лолтиды (соодинвнные дисульфидными мостиками) Проволлвгвн тролвсолллгон Рнс. 9.13. Схематическое изображение превращения проколлагена в коллаген путем отщепления Х-концевого пептида (около 15 кДа) и С-концевого пептила (около 30 кДа) от каждой из трех цепей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
