Том 1 (1129743), страница 44

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 44)

После удаления денатурирующего растворителя белокв большинстве случаев вновь самопроизвольно сворачивается, или ренатурирует,в первоначальную конформацию (рис. 3.6). Это указывает на то, что последовательность аминокислот содержит всю необходимую информацию, определяющуютрехмерную структуру белка, что является важным моментом для понимания егофункции в клетке.226Приложение 3.1. 20 аминокислот, образующих белкиПриложение к главе 3227228Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.3 Стерические ограничения на углы связей в полипептидной цепи. а) Каждая аминокислота«привносит» в основную цепь полипептида три связи (обозначены красным цветом). Пептидная связьлежит в одной плоскости (выделена серым фоном) и не допускает вращения.

Но вращение может происходить вокруг оси связи Сα–С, угол вращения которой называют греческой буквой «пси» (ψ), и вокруг осисвязи N–Cα, угол вращения которой называют «фи» (j). По договоренности, боковые цепи аминокислотчасто обозначают как R-группы (показаны зелеными кружками).б) Конформация атомов в основной цепи молекулы белка определяется всеми парами углов вращения j и ψ — по паре от каждой входящей в цепь аминокислоты; из-за пространственных затрудненийв пределах каждой аминокислоты вращения вокруг указанных связей ограничены, и поэтому большогоразнообразия в парах углов j и ψ не возникает. На этой так называемой карте Рамачандрана каждаяточка представляет собой пару углов, наблюдаемую в белке. Группа точек в нижнем левом секторе даетпредставление о всех аминокислотах, которые расположены в структурах типа α-спирали (см. рис. 3.7, а).(Изображение на виде б заимствовано из J. Richardson, Adv.

Prot. Chem. 34: 174–175, 1981. С разрешенияиздательства Academic Press.)Каждый белок обычно сворачивается в единственно возможную устойчивуюконформацию. Однако при взаимодействии белка с другими молекулами клетки егоконформация несколько меняется. Как мы увидим позже, такое изменение формынередко оказывает огромной влияние на функцию белка.Хотя белковая цепь и способна свернуться в свою правильную конформациюбез какой-либо внешней помощи, в этом процессе часто участвуют специальныебелки, названные молекулярными шаперонами.

Этим молекулярные «наставники»Приложение 3.1. 20 аминокислот, образующих белки 229Рис. 3.4. Свернуться белку помогают нековалентные связи трех типов. Хотя каждая такая связь сама посебе весьма слаба, если они образуются одновременно и в большом количестве, как это часто и бывает,то создается прочная структура, как в представленном примере. Как и на предыдущем рисунке, боковыецепи аминокислот обозначены в общем виде буквой R.связывают частично свернутые полипептидные цепи и помогают им продвигатьсяпо наиболее энергетически благоприятному пути фолдинга.

В стесненных условияхРис. 3.5. Как белок принимает компактную конформацию. Полярные боковые цепи аминокислот, какправило, расположены на внешней стороне белка, где они могут взаимодействовать с водой; неполярные боковые цепи аминокислот погружены внутрь и образуют плотно упакованное гидрофобноеядро, которое спрятано от воды. На этом схематическом рисунке белок содержит всего лишь около30-ти аминокислот.230Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.6. Повторное сворачивание (рефолдинг) денатурированного белка. а) Этот эксперимент, впервыевыполненный более 40 лет назад, демонстрирует, что конформация белка определяется исключительноего аминокислотной последовательностью.

б) Структура мочевины. Мочевина очень хорошо растворима в воде и при высоких концентрациях разворачивает белки, для этого ее концентрация должнасоответствовать приблизительно одной молекуле мочевины на шесть молекул воды.цитоплазмы, заполненной множеством молекул, шапероны оберегают временнооткрытые гидрофобные области в недавно синтезированных белковых цепях отвзаимной ассоциации с образованием белковых агрегатов (см. стр. 388). Тем неменее окончательная трехмерная форма белка все же определяется его аминокислотной последовательностью: шапероны попросту повышают надежность процессафолдинга.Белки являют нам большое разнообразие форм, а их длина, как правило, составляет от 50 до 2 000 аминокислот.

Крупные белки обычно состоят из несколькихобособленных белковых доменов — структурных единиц, которые сворачиваютсяболее или менее независимо друг от друга, что мы обсудим ниже. Так как в точностипредставить структуру белка довольно сложно, для ее изображения прибегают кнескольким различным способам, каждый из которых подчеркивает определенныеособенности оной.В приложении 3.2 (стр. 132–133) представлены четыре различных рисункабелкового домена, получившего название SH2, который выполняет важные функции в клетках эукариот. Белковый домен SH2 построен из цепочки, включающейв себя 100 аминокислот; его структура приведена в виде: а) модели основнойцепи полипептида, б) ленточной модели, в) каркасной модели, которая включаетв себя боковые цепи аминокислот, и г) полусферической (объемной) модели.

Втрех горизонтальных рядах белок показан в различной ориентации и изображениеокрашено таким образом, что можно проследить полипептидную цепь — от N-конца(фиолетовый) до C-конца (красный).В приложении 3.2 показано, что даже для такой малой структуры, как доменSH2, конформация белка удивительно сложна. Но описание структуры белковможет быть упрощено, потому что они построены из комбинаций нескольких известных структурных мотивов, что мы обсудим позже.3.1.3.  Наиболее распространенные способы укладки полипептиднойцепи — это α-спираль и β-листПри сравнении трехмерных структур множества различных белковых молекулстановится ясно, что, хотя общая конформация каждого белка уникальна, в уклад-Глава 3.

Белки 231ке их областей чаще всего встречаются два типа структур. Обе формы открытыболее 50-ти лет назад в ходе исследований волос и шелка. Первой в этой чередеоткрытий, относящихся к укладке полипептидной цепи, стала структура, названнаяα-спиралью, которая была обнаружена в белке α-кератине — им изобилует кожаи ее производные, такие как волосы, ногти и рога. Спустя год после открытияα-спирали в белке фиброине, основном компоненте шелка, была обнаружена втораяформа укладки, названная β-листом. Эти две формы укладки полипептидной цепиособенно распространены, потому что представляют собой результат водородныхвзаимодействий между группами N–H и C=O в основной цепи полипептида —без участия боковых звеньев аминокислот. Таким образом, две эти укладки могутформироваться в белках с различной последовательностью аминокислот. В каждомслучае белковая цепь принимает регулярную, повторяющуюся конформацию.

Нарис. 3.7 показаны обе эти конформации, а также упрощенные их обозначения,которые обычно используют в ленточных моделях белков.Ядро многих белков содержит обширные области β-листов. Как показано на рис.3.8, такие β-листы могут быть образованы как соседними областями полипептиднойцепи, ориентированными в одном и том же направлении (параллельные цепи), таки полипептидной цепью, повернувшейся вспять, при этом каждый участок цепиориентирован в направлении, противоположном соседней цепи (антипараллельныецепи). Из β-листов обоих типов получается очень жесткая структура, скрепленнаяводородными связями, которые образуются между пептидными связями соседнихцепей (см. рис.

3.7, г).α-спираль образуется, когда одинарная полипептидная цепь закручиваетсявокруг себя и получается жесткий цилиндр. Между каждой четвертой пептиднойсвязью образуется водородная связь, соединяющая группу C = O одной пептиднойсвязи с группой N–H другой (см. рис. 3.7, а). В результате получается правильная спираль с полным витком на каждые 3,6 аминокислотных остатка. Обратитевнимание, что белковый домен, представленный на вклейке 3.2, содержит двеα-спирали, а также трехцепочечный антипараллельный β-лист.Областями α-спиралей особенно богаты белки, расположенные в клеточныхмембранах, такие как транспортные белки и рецепторы. Как будет сказано в главе 10, те части трансмембранного белка, которые пересекают липидный бислой,обычно находятся в форме α-спирали, состоящей в основном из аминокислотс неполярными боковыми цепями.

Полипептидная основная цепь, которая является гидрофильной, свернута за счет внутренних водородных связей в α-спиральи ограждена от гидрофобной липидной среды мембраны своими выдающимисянаружу неполярными боковыми цепями (см. также рис. 3.78).В некоторых белках α-спирали обвиваются друг вокруг друга и формируютособо устойчивую структуру, известную как суперскрученная спираль, или суперспираль (coiled-coil). Такая структура может образоваться, когда в двух (илив некоторых случаях в трех) α-спиралях большинство неполярных (гидрофобных)боковых цепей расположено на одной стороне, и эти α-спирали могут закручиватьсявокруг друг друга так, что боковые цепи направлены внутрь (рис. 3.9).

Длинныестержнеобразные суперспирали служат своего рода несущим каркасом для многихвытянутых белков. Примерами служат α-кератин, что образует внутриклеточныеволокна, которые укрепляют наружный слой кожи и ее придатки, а также молекулымиозина, ответственные за сокращение мышц.232Приложение 3.2. Четыре различных способа изображения небольшогобелка, домена SH2Приложение к главе 3233234Часть 1. Введение в мир клеткиГлава 3.

Белки 235Рис. 3.7. Регулярная конформация полипептидного остова в α-спирали и в β-листе. а, б и в) α-спираль.Группа N–H каждой пептидной связи соединена водородной связью с группой C=O соседней пептиднойсвязи, находящейся в той же цепи и отстоящей от первой на четыре пептидные связи. Обратите внимание,что все группы N–H на этой схеме смотрят вверх, а все группы C=O – вниз (к C-концу); это придает спиралиполярность — C-конец имеет частичный отрицательный заряд, а N-конец несет частичный положительныйзаряд. г, д и е) β-лист.

В этом примере смежные пептидные цепи ориентированы в противоположных(антипараллельных) направлениях. Водородные связи между пептидными связями различных цепейстягивают отдельные полипептидные цепи в β-лист, а боковые группы аминокислот в следующих друг задругом цепях выдаются из плоскости листа поочередно — то вверх, то вниз. На видах а и г показаны всеатомы полипептидной цепи, разве только боковые цепи аминокислот урезаны и обозначены буквой R.Напротив, на видах б и д показаны только атомы основной цепи, тогда как на видах в и е представленыупрощенные изображения α-спирали и β-листа, которые используются для обозначения α-спиралии β-листа в ленточных моделях белков (см.

вклейку 3.2, б).3.1.4.  Белковые домены — это те блоки, из которых построенымакромолекулы белковДаже маленькая молекула белка построена из тысяч атомов, соединенныхвоедино точно ориентированными ковалентными и нековалентными связями, и чрезвычайно трудно показать столь сложную структуру без трехмерного дисплея. Поэтой причине биологи используют различные графические и компьютерные вспомогательные средства. DVD-диск2, прилагаемый к этой книге, содержит полученные на компьютере изображения некоторых белков, которые можно посмотретьи повертеть на экране в разнообразных форматах.В биологии различают четыре уровня организации структуры белков.

Характеристики

Список файлов книги