Том 1 (1129743), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Такимобразом, каждая из них выполняет в организме лишь ей присущую функцию.Историю, что мы поведали о сериновых протеазах, можно повторить и для сотендругих семейств белков. Вообще, структура различных членов какого-либо семействабелков оказалась намного более консервативной, чем последовательность аминокислот. Во многих случаях последовательности аминокислот разошлись настолькодалеко, что теперь невозможно с уверенностью утверждать о принадлежности двухбелков к одному семейству, не определив их трехмерные структуры. Например,и белок α2 дрожжей, и белок engrailed дрозофилы являются регулирующими геныбелками семейства гомеодоменов (отнесем их обсуждение к главе 7). Посколькуони тождественны только в 17 из 60 составляющих их остатков аминокислот, ихсемейственные узы стали очевидными лишь при сравнении трехмерных структур(рис.
3.13). Множество подобных примеров говорит о том, что два белка с болеечем 25 %-й тождественностью аминокислотных последовательностей обычно обладают одинаковой общей структурой.Различные члены любого большого семейства белков нередко имеют разныефункции. Некоторые из произошедших аминокислотных замен, вследствие которыхЧасть 1.
Введение в мир клетки240Рис. 3.13. Сравнение ДНК-связывающих доменов (из класса так называемых гомеодоменов) в паребелков из двух организмов, разошедшихся на эволюционном пути более миллиарда лет назад.а) Ленточная модель структуры, одинаковая у обоих белков.
б) Контур позиций атомов α-углерода.Изображенные здесь трехмерные структуры определены рентгеноструктурным анализом белка α2дрожжей (зеленый) и белка engrailed1 дрозофилы (красный). в) Сравнение аминокислотных последовательностей областей белков, показанных на видах а и б.
Черными точками отмечены участки,содержащие идентичные аминокислоты. Оранжевыми точками обозначены позиции вставки из трехаминокислот в белке α2. (Переработано на основе C. Wolberger et al., Cell 67: 517–528, 1991. С разрешения издательства Elsevier.)члены семейства стали отличаться друг от друга, были, без сомнения, отобраны изакреплены в ходе эволюции, потому что привели к полезным изменениям в биологической активности, придав отдельным членам семейства различные функциональные свойства, которыми они обладают по сей день.
Но многие другие аминокислотные замены оказываются в сущности «нейтральными», ибо не оказывают ниблаготворного, ни тлетворного воздействия на структуру и функцию белка. Крометого, поскольку возникновение мутации представляет собой случайный процесс, то,должно быть, появлялось и много вредных замен, которые вызывали изменениятрехмерной структуры этих белков, чего было достаточно для их повреждения.Такие дефектные белки, скорее всего, «изымались из оборота» всякий раз, когдаотдельные организмы, производящие их, оказывались в достаточно невыгодномположении, не позволяющем им пройти естественный отбор.Семейства белков легко опознаются при секвенировании генома любого организма; например, определение последовательности ДНК полного генома человекапоказало, что у каждого из нас около 24 000 белок-кодирующих генов.
Путемсравнения последовательностей мы можем приписать продукты приблизительно 40процентов этих генов известным белковым структурам, относящимся больше чемк 500 различным семействам белков. В основной массе, белки в каждом семействеэволюционировали таким образом, что стали выполнять немного разные функции,как например, в случае ферментов эластазы и химотрипсина, представленныхранее на рис.
3.12. Такие белки иногда называют паралогами, дабы отличить ихот соответствующих белков в разных организмах (ортологов, таких как эластазы1Означает «с насечкой» или «зазубренный». — Прим. пер.Глава 3. Белки 241мыши и человека).Как описано в главе 8, благодаря появлению методов рентгеноструктурногоанализа и ядерного магнитного резонанса (ЯМР), мы теперь знаем трехмерныеструктуры, или конформации, более 20 000 белков. Путем тщательного сравненияконформаций этих белков «структурные биологи» (то есть специалисты в областиструктуры биологических молекул) установили, что существует ограниченное числоспособов укладки белковых доменов — возможно, не более 2 000. К настоящемувремени определены приблизительно 800 видов укладки белковых цепей. Среди этихизвестных укладок преимущественно встречаются те, что наиболее распространеныв мире белковых структур: например, почти для трех четвертей семейств доменовс предсказанными структурами характерны всего 50 видов укладки полипептидныхцепей.
Поэтому можно надеяться, что полный каталог наиболее важных белковыхукладок, которые существуют в живых организмах, будет в пределах нашей досягаемости.3.1.7. По аминокислотным последовательностям можно выявитьблизкородственные белкиСуществующая база данных известных белковых последовательностей содержит более десяти миллионов записей, и их число растет очень быстро, по мере того,как все больше и больше геномов проходит операцию секвенирования — и открываетнам мириады новых генов, кодирующих белки. В распоряжении ученых имеютсямощные программы компьютерного поиска, которые позволяют им сравнивать любойнедавно открытый белок со всей этой базой данных с целью поиска его возможныхродственников.
Многие белки, гены которых эволюционировали от общего предка,могут быть идентифицированы на основании статистически значимых подобий впоследовательностях аминокислот.Ввиду столь великого числа белков в базе данных программы поиска находятмного незначимых совпадений, обусловливающих такой уровень фонового шума,при котором становится очень трудно распознать все родственные белки, кроменаиболее близких.
Вообще говоря, для того, чтобы сопоставить два белка, необходима 30 %-я идентичность их последовательностей. Однако нам известны функциимногих коротких опознавательных, или сигнатурных, последовательностей («отпечатков пальцев»), и это широко используется для установления более отдаленныхРис. 3.14. Употребление коротких сигнатурных последовательностей для поиска родственных белковых доменов.
Две короткие последовательности длиной 15 и 9 аминокислот, отмеченные зеленымфоном, могут быть использованы для поиска в крупных базах данных домена, который встречается вомногих белках, а именно домена SH2. Здесь приведено сравнение первых 50 из 100 аминокислот домена SH2 в белках Src человека и дрозофилы (см. рис. 3.10). В построенных компьютером выровненныхпоследовательностях (желтая строка) точные совпадения между белками человека и дрозофилыотмечены однобуквенными обозначениями соответствующих аминокислот; позиции с подобными,но не тождественными аминокислотами обозначены знаком +, а в местах несовпадений оставлены пропуски.
На этой схеме везде, где один или оба белка содержат точное совпадение с позициями в зеленыхпоследовательностях, обе выровненные последовательности окрашены красным.Часть 1. Введение в мир клетки242связей (рис. 3.14).Сравнительный анализ белков важен потому, что родственные структурычасто подразумевают схожие функции. Если удастся обнаружить, что аминокислотная последовательность нового белка имеет сходство с белком, функция которого известна, то на этом можно сэкономить многие годы экспериментирования.По родству последовательностей, например, впервые узнали, что определенныегены, которые ассоциированы со злокачественной трансформацией клеток млекопитающих, кодируют протеинкиназы.
Подобным же образом удалось быстроопределить, что многие белки, которые управляют закладкой общего строенияорганизма в ходе эмбрионального развития плодовой мушки дрозофилы, являютсяген-регулирующими белками.3.1.8. Некоторые белковые домены служат составными частямимножества различных белковКак утверждалось ранее, большинство белков состоит из ряда белковых доменов, где различные области полипептидной цепи свернулись независимо от других областей и образовали компактные структуры. Такие многодоменные белки,как полагают, произошли от случайного соединения последовательностей ДНК,кодирующих эти домены, что обусловило появление нового гена.
В местах соприкосновения доменов часто создавались новые поверхности связывания, и многиефункциональные участки, где и происходит связывание маленьких молекул, какоказалось, расположены именно там. В ходе эволюционного процесса, названногоперетасовкой доменов, многие крупные белки появились как новые сочетания ужесуществующих доменов (рис. 3.15).Рис. 3.15. Перетасовка доменов. В ходе эволюции белка происходила серьезная перетасовка блоковбелковой последовательности (белковых доменов). Те части белка, которые на этой схеме представленыодинаковой формой и одинаковым цветом, являются эволюционно родственными. Сериновые протеазы,подобно химотрипсину, образованы из двух доменов (коричневые). В остальных трех показанных протеазах, с более высокими уровнями регуляции и специализации, эти два протеазных домена соединеныс одним или несколькими доменами, которые подобны, обнаруженным в эпидермальном факторе роста(EGF; зеленые), с кальций-связывающим белком (желтый) или с доменом kringle2 (синий), который содержит три внутренних дисульфидных мостика.
Химотрипсин показан на рис. 3.12.2Крис Крингл — тайное имя Санта Клауса, известного также как Дед Мороз (искаженное нем.Christ Kindlein — «Христос-младенец»). — Прим. пер.Глава 3. Белки 243Рис. 3.16. Трехмерные структуры некоторых белковых модулей. В представленных здесь ленточныхмоделях цепи β-листов изображены в виде стрелок, а N- и C-концы обозначены красными кружками.(Перерисовано из M. Baron, D. G. Norman and I. D. Campbell, Trends Biochem. Sci. 16: 13–17, 1991, с разрешения издательства Elsevier, и D. J. Leahy et al., Science 258: 987–991, 1992, с разрешения издательстваAAAS).Одна подгруппа белковых доменов была особенно подвижной в ходе эволюции; они, как кажется, имеют особенно универсальные структуры и упоминаютсяиногда как белковые модули. Структура одного такого модуля, домена SH2, показана в приложении 3.2 (стр. 132–133).
Некоторые другие из этих «вездесущих»белковых доменов представлены на рис. 3.16.У каждого из доменов есть стабильная внутренняя структура, или сердцевина,называемая «кор» (от английского «core»), которая образована из цепей β-листа свыступающими менее упорядоченными петлями полипептидной цепи (окрашенызеленым). Такие петли имеют идеальное расположение для формирования участковсвязывания других молекул, что наиболее ясно видно при рассмотрении укладкицепей иммуноглобулина, которые формируют основание молекулы антитела (см. рис.3.41). По всей вероятности, такие домены из β-листов достигли вершин эволюцион-244Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.17.
Протяженная структура, состоящая из рядасоединенных в линию белковых модулей. Четыре модуля 3-го типа (см. рис. 3.16) молекулы фибронектинавнеклеточного матрикса представлены на виде а в виделенточной модели, а на схеме б — в виде объемноймодели. (Переработано из статьи D. J. Leahy, I. Aukhil andH. P. Erickson, Cell 84: 155–164, 1996.
С разрешения издательства Elsevier.)ного успеха потому, что их структура обеспечивает удобную основу для создания новыхучастков связывания лигандов посредствомнезначительных изменений в хитросплетениивыпячивающихся из них петель.Вторая особенность этих белковых доменов, которая объясняет их практичность, —это простой способ встраивания в другиебелки. В пяти из шести доменов, помещенныхна рис. 3.16, N- и C-концы находятся напротивоположных полюсах домена. КогдаДНК, кодирующая такой домен, подвергается тандемному дублированию, что совсемне считается необычным в эволюции геномов(обсуждается в главе 4), дублированные модули с таким расположением «в ряд» могутбыть легко соединены последовательно с образованием протяженных структур — какиз множества своих копий-дубликатов, таки в сочетании с другими последовательновставленными доменами (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
