Том 1 (1129743), страница 43
Текст из файла (страница 43)
New Haven: Yale University Press.220Часть 1. Введение в мир клеткиGoodsell D. S. (1991) Inside a living cell. Trends. Biochem. Sci. 16: 203–206.Karplus M. & McCammon J. A. (1986) The dynamics of proteins. Sci. Am.254:42–51.Karplus M. & Petsko G. A. (1990) Molecular dynamics simulations in biology.Nature 347:631–639.Kauzmann W. (1967) Thermodynamics and Statistics: with Applications to Gases.In Thermal Properties of Matter Vol. 2. New York: WA Benjamin, Inc.Kornberg A. (1989) For the Love of Enzymes. Cambridge, MA: Harvard University Press.Lavenda B. H. (1985) Brownian Motion. Sci. Am. 252: 70–85.Lawlor D. W. (2001) Photosynthesis, 3rd ed.
Oxford: BIOS.Lehninger A. L. (1971) The Molecular Basis of Biological Energy Transformations,2nd ed. Menlo Park, CA: Benjamin Cummings.Lipmann F. (1941) Metabolic generation and utilization of phosphate bond energy.Adv. Enzymol. 1: 99–162.Lipmann F. (1971) Wanderings of a Biochemist. New York: Wiley.Nisbet E. E. & Sleep N. H. (2001) The habitat and nature of early life. Nature409: 1083–1091.Racker E. (1980) From Pasteur to Mitchell: a hundred years of bioenergetics.Fed.
Proc. 39: 210–215.Schrödinger E. (1944 & 1958) What is Life?: The Physical Aspect of the LivingCell and Mind and Matter, 1992 combined ed. Cambridge: Cambridge UniversityPress.van Holde K. E., Johnson W. C. & Ho P. S. (2005) Principles of Physical Biochemistry, 2nd ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.Walsh C.
(2001) Enabling the chemistry of life. Nature 409: 226–231.Westheimer F. H. (1987) Why nature chose phosphates. Science 235: 1173–1178.Youvan D. C. & Marrs B. L. (1987) Molecular mechanisms of photosynthesis.Sci. Am. 256: 42–49.Как клетки извлекают энергию из пищиCramer W. A. & Knaff D. B. (1990) Energy Transduction in Biological Membranes.New York: Springer-Verlag.Dismukes G. C., Klimov W., Baranov S. V. et al.
(2001) The origin of atmosphericoxygen on Earth: The innovation of oxygenic photosyntheis. Proc. Nat. Acad. Sci.USA 98: 2170–2175.Fell D. (1997) Understanding the Control of Metabolism. London: PortlandPress.Flatt J. P. (1995) Use and storage of carbohydrate and fat. Am. J. Clin. Nutr.61: 952S–959S.Friedmann H. C. (2004) From Butybacterium to E. coli: An essay on unity inbiochemistry. Perspect. Biol. Med.
47: 47–66.Fothergill-Gilmore L. A. (1986) The evolution of the glycolytic pathway. TrendsBiochem. Sci. 11: 47–51.Heinrich R., Melendez-Hevia E., Montero F. et al. (1999) The structural designof glycolysis: An evolutionary approach. Biochem. Soc. Trans.
27: 294–298.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 221Huynen M. A., Dandekar T. & Bork P. (1999) Variation and evolution of thecitric-acid cycle: a genomic perspective. Trends Microbiol. 7: 281–291.Kornberg H. L. (2000) Krebs and his trinity of cycles. Nature Rev. Mol. CellBiol. 1: 225–228.Krebs H. A. & Martin A. (1981) Reminiscences and Reflections.
Oxford/NewYork: Clarendon Press/Oxford University Press.Krebs H. A. (1970) The history of the tricarboxylic acid cycle. Perspect. Biol.Med. 14: 154–170.Martin B. R. (1987) Metabolic Regulation: A Molecular Approach. Oxford:Blackwell Scientific.McGilvery R. W. (1983) Biochemistry: A Functional Approach, 3rd ed. Philadelphia: Saunders.Morowitz H. J. (1993) Beginnings of Cellular Life: Metabolism RecapitulatesBiogenesis.
New Haven: Yale University PressNewsholme E. A. & Stark C. (1973) Regulation of Metabolism. New York:Wiley.3БелкиКогда мы смотрим на клетку через микроскоп или анализируем ее электрическую или биохимическую активность, мы, в сущности, наблюдаем за белками.Белки составляют основную долю сухой массы клетки.
Они не только служат стандартными компоновочными блоками клетки, но и выполняют почти все ее функции.Так, ферменты обеспечивают клетку замысловатым молекулярным «ландшафтом»,где, как истоки рек, «берут начало» многочисленные химические реакции. Белки,погруженные в плазматическую мембрану, образуют каналы и насосы, которыеуправляют прохождением маленьких молекул в клетку и из нее.
Другие белки несут сообщения от одной клетки к другой или работают интеграторами сигналов,пересылая группы сигналов внутрь клетки – от плазматической мембраны к ядру.А есть такие, которые служат крошечными молекулярными машинами с подвижными органами: кинезин, например, проталкивает органеллы через цитоплазму;топоизомераза может распутать спутавшиеся молекулы ДНК. Некоторые специализированные белки функционируют как антитела, токсины или гормоны;есть белки – молекулы антифриза, эластичные волокна, канаты или источниклюминесценции. Прежде чем мы утвердимся в надежде постичь принципы работыгенов, механизмы сокращения мышц, природу нервных импульсов, таинство развития эмбриона или узнать, как работает наше тело, мы должны глубоко понятьто, что объединяет все эти процессы, – это белки.3.1. Форма и структура белковС химической точки зрения белки, безусловно, являются наиболее сложнымипо структуре и выполняют наиболее замысловатые функции по сравнению со всемипрочими известными молекулами.
Возможно, это не покажется удивительным, еслипредставить, что структура и химия каждого белка развивались, тонко настраивалисьи отлаживались на протяжении миллиардов лет истории эволюции. И все же даже искушенных специалистов не может не удивлять необычайная многогранность белков.В этом параграфе мы рассмотрим, как местоположение каждой аминокислотыв длинной цепи аминокислот, которая и образует белок, определяет его трехмерную структуру. Далее в этой главе, на фоне полученных представлений о строениибелка на атомном уровне, мы опишем, как точная форма каждой молекулы белкаопределяет ее функцию в клетке.3.1.1. Форма белка определяется последовательностью входящихв его состав аминокислотБелки собираются из 20-ти типов различных аминокислот, каждая из которыххарактеризуется своими химическими свойствами.
Молекула белка состоит из длинной цепи этих аминокислот, связанных между собой ковалентными пептиднымиГлава 3. Белки 223связями. Белки поэтому известны также под названием полипептидов. Каждомутипу белка свойственна уникальная последовательность аминокислот, и существует много тысяч различных белков, причем каждому присуща своя собственнаяспецифическая последовательность аминокислот.Повторяющаяся последовательность атомов, образующая стержень полипептидной цепи, называется полипептидной основной цепью (полипептидным каркасом). К этой цепи из повторяющихся звеньев прикреплены те звенья аминокислот,которые не участвуют в создании пептидной связи, но придают аминокислотам ихуникальные свойства: 20 различных боковых цепей аминокислот (рис.
3.1). Некоторые из этих боковых цепей неполярны и гидрофобны («боящиеся воды»), другиеотрицательно или положительно заряжены, некоторые легко образуют ковалентныесвязи и так далее. В приложении 3.1 (стр. 128–129) показаны их атомные структуры, а на рис. 3.2 приведены их полные и сокращенные названия.Как было сказано в главе 2, атомы ведут себя подобно твердым шарам с определенным радиусом (ван-дер-ваальсов радиус). Выполнение требования, что никакиедва атома не должны перекрываться, значительно ограничивает возможные углысвязей в полипептидной цепи (рис. 3.3).
Это условие и другие стерические взаимодействия накладывают строгие ограничения на число возможных вариантов трехмерного расположения атомов (или конформацию). Тем не менее длинная гибкаяцепь типа белка может все же сворачиваться огромным числом способов.Кроме того, сворачивание белковой цепи (фолдинг) определяется множествомслабых нековалентных связей, которые образуются между различными участками цепи.
В них участвуют как атомы основной полипептидной цепи, так и атомыбоковых цепей аминокислот. Известно три типа слабых связей: водородные связи,силы электростатического притяжения и ван-дер-ваальсовы силы, о чем былосказано в главе 2 (см. стр. 54). Отдельные нековалентные связи в 30–300 раз слабеетипичных ковалентных связей, определяющих целостность биологических молекул.Но множество слабых взаимодействий, действующих вместе, может прочно скрепить две области полипептидной цепи друг с другом. Вот так объединенная силабольшого числа таких нековалентных взаимодействий определяет устойчивостькаждой по-своему скрученной формы (рис.
3.4).Четвертая «слабая сила» также играет ведущую роль в формировании пространственной структуры белка. Как было описано в главе 2, гидрофобные молекулы, а вих числе и неполярные боковые цепи определенных аминокислот, имеют тенденциюпритягиваться друг к другу в водной среде, что минимизирует их разрушающеедействие на стянутую водородными связями сеть молекул воды (см. стр.
54 и приложение 2.2, стр. 108–109). Поэтому важный фактор, управляющий фолдингомлюбого белка, — это распределение его полярных и неполярных аминокислот.Неполярные (гидрофобные) боковые цепи в белке — таких аминокислот, какфенилаланин, лейцин, валин и триптофан, — стремятся группироваться во внутренней части молекулы (так же как и гидрофобные капельки масла объединяютсяв воде и образуют одну большую каплю). Это позволяет им избежать контактас водой, которая окружает их в клетке.
В отличие от них, полярные группы, — те,что принадлежат, например, аргинину, глутамину и гистидину, — как правило,устраиваются поближе к поверхности, где они могут образовывать водородные связис водой и другими полярными молекулами (рис. 3.5). Полярные аминокислоты,погруженные внутрь белка, обычно соединены водородными связями с другимиполярными аминокислотами или с основной цепью полипептида.224Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.1. Составные части белка.
Белок состоит из полипептидной основной цепи и присоединенныхк ней боковых цепей. Белки разных типов отличаются между собой по последовательности и числу аминокислот; поэтому именно последовательность химически различных боковых цепей придает каждомубелку его неповторимые качества.
Два конца полипептидной цепи химически различны: конец, несущийсвободную аминогруппу (NH3+, также записывается как NH2), называют аминоконцом, или N-концом,а тот, что несет свободную карбоксильную группу (COO–, также записываемую в виде COOH), величаюткарбоксильным концом, или C-концом. Аминокислотную последовательность белка всегда представляютв направлении N→C и читают слева направо.3.1.2. В результате фолдинга белок принимает конформациюс минимальной энергиейВ результате всех вышеперечисленных взаимодействий большинство белков принимает специфическую трехмерную структуру, которая предопределенаГлава 3. Белки 225Рис. 3.2. Двадцать аминокислот, из которых построены белки.
Каждой аминокислоте соответствуетопределенное трехбуквенное и однобуквенное обозначения. Аминокислот с полярными цепями столькоже, как и с неполярными; однако некоторые боковые цепи, приведенные здесь как полярные, достаточно велики, поэтому обладают и некоторыми неполярными свойствами (например, Tyr, Tre, Arg, Lys).Структуры аминокислот можно найти в приложении 3.1 (стр. 128–129).порядком расположения аминокислот в их цепях. В конечном счете, любая полипептидная цепь, как правило, принимает такую структуру, или конформацию,в которой ее свободная энергия будет минимальной. Биологи изучали фолдингбелка в пробирке, используя высокоочищенные белки. В результате обработкинекоторыми растворителями, которые разрушают нековалентные связи, удерживающие цепь в свернутом состоянии, белок разворачивается, или денатурирует.Подобная обработка преобразует белок в гибкую полипептидную цепь, утерявшуюсвою естественную форму.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
