Том 1 (1129743), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Последовательность аминокислот известна как первичная структура. Участки полипептиднойцепи, которые образуют α-спирали и β-листы, составляют вторичную структурубелка. Полная трехмерная организация полипептидной цепи иногда упоминаетсякак третичная структура, а если специфическая молекула белка образована в видекомплекса из нескольких (более одной) полипептидных цепей, то полная структураназывается четвертичной структурой.Исследования конформации, функции и эволюции белков открыли такжекрайнюю важность еще одной единицы организацииструктуры, отличной от вышеозначенных четырех. Этобелковый домен — субструктура, образованная любойчастью полипептидной цепи, способной независимо укладываться в устойчивую компактную структуру. Доменыобычно содержат от 40 до 350 аминокислот и служатуниверсальными модульными блоками, из которых собираются многие более крупные белки.Различные домены одного белка часто наделеныразличными функциями.
На рис. 3.10 представлен пример — протеинкиназа Src, которая выполняет важнуюРис. 3.8. Структуры типа β-листа двух типов. а) Антипараллельныйβ-лист (см. рис. 3.7, г). б) Параллельный β-лист. Обе эти структурысвойственны всем белкам.2Эта информация относится к оригинальному изданию «Molecular Biology of the Cell. FifthEdition».236Часть 1. Введение в мир клеткиРис.
3.9. Суперспираль (coiled-coil). а) α-спираль, в которой боковые цепи аминокислотной последовательности обозначены как abcdefg (сверху вниз). Аминокислоты a и d в такой последовательности лежатблизко друг к другу на поверхности цилиндра, образуя «полосу» (красную), обвивающую α-спираль.У белков, образующих суперспирали, в позициях a и d обычно находятся неполярные аминокислоты.Следовательно, как показано на виде б, две спирали могут обвиться одна вокруг другой, при этом неполярные боковые цепи аминокислот одной α-спирали взаимодействуют с неполярными боковымицепями другой, а более гидрофильные боковые цепи остаются снаружи – открытыми для водной среды.в) Атомная структура суперспирали, определенная рентгеноструктурным анализом.
Красным цветомотмечены неполярные боковые цепи.роль в процессах передачи сигналов в клетках позвоночных (название Src следуетпроизносить «сарк»). В этом белке принято выделять три домена: домены SH2 иSH3 выполняют регуляторные функции, а C-концевой домен отвечает за каталитическое действие киназы. Ближе к концу этой главы мы возвратимся к этому белку,с тем чтобы объяснить, как белки могут формировать молекулярные переключатели,которые передают информацию по клеткам.На рис.
3.11 представлены ленточные модели трех по-разному организованныхбелковых доменов. Как показывают данные примеры, полипептидная цепь стремится пройти весь домен, а затем совершает крутой разворот на его поверхности.Центральное ядро домена может быть построено из α-спиралей, β-листов или жеиз различных сочетаний этих двух фундаментальных элементов фолдинга.Глава 3.
Белки 237Рис. 3.10. Белок, образованный из множества доменов. В показанном белке Src C-концевой домен, состоящий из двух модулей (отмеченных желтым и оранжевым), образует фермент протеинкиназу, тогдакак домены SH2 и SH3 выполняют регуляторные функции. а) Ленточная модель, в которой ATP (субстрат)выделен красным. б) Объемная модель, в которой ATP (субстрат) также выделен красным.
Обратитевнимание, что участок, который связывает ATP, размещен на границе двух модулей, образующих киназу.Подробная структура домена SH2 представлена в приложении 3.2 (стр. 132–133).Белковые молекулы самых малых размеров содержат только один домен,тогда как крупные белки могут содержать несколько десятков доменов, частосоединенных друг с другом короткими, относительно бесструктурными отрезкамиполипептидной цепи.Рис.
3.11. Ленточные модели трех различных белковых доменов. а) Цитохром b562 — однодоменныйбелок, участвующий в переносе электронов в митохондриях. Этот белок почти полностью состоитиз α-спиралей. б) NAD-связывающий домен фермента лактатдегидрогеназы, который сформированиз α-спиралей и параллельных β-листов. в) Вариабельный домен легкой цепи иммуноглобулина (антитела), образованный двумя сложенными вместе антипараллельными β-листами. В этихпримерах α-спирали показаны зеленымцветом, а цепи, организованные в β-листы,обозначены красными стрелками.Обратите внимание, как полипептиднаяцепь в каждом случае проходит в прямоми обратном направлениях через доменнасквозь, образуя крутые изгибы толькона поверхности белка. Именно такие выдающиеся из поверхности петельные области (окрашены желтым) часто формируютучастки связывания других молекул. (Переработано с рисунков, любезно предоставленных Jane Richardson.)238Часть 1.
Введение в мир клетки3.1.5. Лишь малая часть из множества возможных вариантовполипептидных цепей будет использована клеткойПоскольку каждая из 20 аминокислот отличается по химическим свойствами каждой из них, в принципе, дозволено занять любую позицию в полипептиднойцепи, постольку существует 20 · 20 · 20 · 20 = 160 000 возможных различных полипептидных цепей длиной в четыре аминокислоты, или 20n возможных различныхполипептидных цепей с длиной n аминокислот. При средней длине белка около300 аминокислот клетка могла бы теоретически производить более 10390 (20300) вариантов различных полипептидных цепей. Это число столь огромно, что для созданиятолько одной молекулы каждого вида потребовалось бы намного больше атомов,чем существует во Вселенной.Лишь очень малая доля этого огромного множества мысленно возможныхполипептидных цепей приняла бы единственную в своем роде устойчивую трехмерную конформацию — по некоторым оценкам, меньше одной миллиардной.И все же основная масса белков, находящихся в клетках, принимает уникальныеи устойчивые конформации.
Как такое возможно? Ответ кроется в существованииестественного отбора. Всякий белок с непредсказуемо изменчивой структурой и соответственной биохимической активностью вряд ли будет способствовать выживаниюклетки, в которой он пребывает. Поэтому такие белки должны быть устраненыестественным отбором в течение чрезвычайно длительной отбраковки методом проби ошибок, который лежит в основе биологической эволюции.Поскольку эволюция производила отбор белков по критерию необходимыхживым организмам функций, аминокислотная последовательность большинствасовременных белков такова, что какая-либо одна (из всех возможных) конформация является чрезвычайно устойчивой.
Кроме того, химические свойства этойконформации в точности настроены на выполнение специфической каталитическойили структурной функции в клетке. Белки построены столь совершенно, что заменадаже нескольких атомов в одной аминокислоте может иногда нарушить структурувсей молекулы в целом, причем настолько сильно, что ее функция будет полностьюутрачена.3.1.6. Белки можно подразделить на множество семействКак только эволюция наделила белок способностью сворачиваться в устойчивуюконформацию, придающую ему полезные свойства, у нее появилась возможностьвидоизменять структуру оного и получать новые функции. Этот процесс был сильноускорен генетическими механизмами, которые эпизодически дублируют гены, чтопозволяет одной копии гена эволюционировать независимо от другой и приобретатьновую функцию (обсудим подробнее в главе 4).
В прошлом события такого родапроисходили довольно часто, в результате многие современные белки могут бытьсгруппированы в семейства белков, так что все члены одного семейства будут иметьсходные последовательности аминокислот и схожие трехмерные структуры.Рассмотрим, например, сериновые протеазы — большое семейство белокрасщепляющих (протеолитических) ферментов, в число которых входят ферментыпищеварительного тракта: химотрипсин, трипсин и эластаза, — а также несколькопротеаз, участвующих в свертывании крови. При сравнении протеазных частейлюбых двух из этих ферментов обнаруживается сходство некоторых частей ихаминокислотных последовательностей. Схожесть их трехмерных конформаций ещеГлава 3.
Белки 239Рис. 3.12. Сравнение конформаций двух сериновых протеаз. На рисунке изображены конформацииосновных полипептидных цепей эластазы и химотрипсина. Хотя в полипептидных цепях этих двух белковсовпадают только те аминокислоты, которые окрашены зеленым, эти две конформации очень схожи.Активные участки обоих ферментов обведены красным контуром; именно в этих зонах пептидные связибелков, служащих субстратом, связываются и расщепляются в ходе гидролиза. Сериновые протеазы получили свое название по аминокислоте серину, боковая цепь которой является частью активного центраэтого фермента и непосредственно участвует в реакции расщепления.более поразительна: бóльшая часть мельчайших витков и изгибов их полипептидныхцепей, при том что их длина составляет несколько сотен аминокислот, фактическиидентична (рис. 3.12). Тем не менее различные сериновые протеазы обладаютразным ферментативным действием, и каждая из них расщепляет свой белок илиразрывает пептидные связи между определенными типами аминокислот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
