Том 1 (1129743), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Его относительно вялые и неструктурированные полипептидные цепи сшиты поперечными ковалентными связями и образуют резиноподобнуюэластичную сетчатую структуру, которая может обратимо растягиваться с переходомиз одной конформации в другую, как показано на рис. 3.27, б.
Получающиеся в результате упругие волокна позволяют коже и прочим тканям, образующим, например,артерии и легкие, растягиваться и обратно сжиматься без разрыва.В действительности, неструктурированные области белков весьма часто встречаются в природе, выполняя важные функции внутри клеток. Как мы успели заметить, белки используют короткие петли полипептидной цепи, которые обычновыступают из сердцевинной области белковых доменов для связывания другихмолекул. Многие белки имеют намного более протяженные неструктурированныеобласти аминокислотных последовательностей, которые взаимодействуют с какойлибо другой молекулой (часто это ДНК или белок), претерпевая структурныйпереход в специфическую свернутую конформацию при связывании с этой другоймолекулой.
Другие белки в большей или меньшей мере напоминают эластин в томсмысле, что для выполнения их функции нужно, чтобы они оставались в значительной степени неструктурированными. Например, встречающиеся в большихколичествах нуклеопорины, которые покрывают внутреннюю поверхность комплекса ядерной поры, образуют сетчатую структуру из беспорядочно расположенныхспиралей, что неразрывно связано с переносом веществ через ядерную мембрану(см. рис.
12.10). Наконец, как мы покажем ближе к концу этой главы (см. рис.3.80, в), неструктурированные области полипептидной цепи зачастую используются как участки связывания тех или иных белков, совместно функционирующихв катализе какой-либо биологической реакции. Так, например, для содействияпередаче сигналов между клетками крупные каркасные белки используют такиегибкие области как «привязи», на которых скапливаются группы взаимодействующих белков, что позволяет удерживать последние в определенных участках клетки(обсудим это в главе 15).Мы можем идентифицировать неструктурированные области во многих белкахпо их отличающемуся от остальной цепи аминокислотному составу: они содержаточень мало разветвленных гидрофобных аминокислот, которые обычно формируютвнутреннюю часть (кор) свернутого белка, но включают большую долю аминокислотGln, Ser, Pro, Glu и Lys.
Такие «естественно развернутые» области часто содержати повторяющиеся последовательности аминокислот.3.1.15. Внеклеточные белки нередко стабилизируются ковалентнымипоперечными межмолекулярными связямиМолекулы многих белков или прикреплены к внешней стороне плазматическоймембраны клетки, или выделяются как часть внеклеточного матрикса. Все такиеГлава 3. Белки 255Рис. 3.28. Дисульфидные связи. На этой схеме показано, как между расположенными поблизости остатками цистеина образуются ковалентные дисульфидные связи.
Как видно, такие поперечные сшивки могутсоединить или две части одной и той же полипептидной цепи, или две разные полипептидные цепи. Таккак энергия, требуемая для разрыва одной ковалентной связи, намного больше энергии, необходимойдля нарушения даже целой группы нековалентных связей (см. таблицу 2.1, стр. 53), дисульфидные связимогут давать основной вклад в стабилизацию белка.белки непосредственно соприкасаются с внеклеточной средой и подвергаются еевоздействию. Для поддержания структуры таких белков их полипептидные цепичасто стабилизированы поперечными ковалентными связями.
Такие поперечныесшивки могут либо связывать друг с другом две аминокислоты из одного и того жебелка, либо соединять различные полипептидные цепи в многосубъединичном белке.Самые обычные поперечные сшивки в белках представлены ковалентными связямитипа сера–сера. Такие дисульфидные связи (также называемые связями S–S) образуются, когда клетки подготавливают недавно синтезированные белки к экспорту.Как будет описано в главе 12, их образование катализируется в эндоплазматической сети особым ферментом, который связывает две SH-группы из боковых цепейпары цистеинов, оказавшихся рядом в свернутом белке (рис.
3.28). Дисульфидныесвязи не изменяют конформацию белка, но, вместо этого, действуют как атомарныескобы, скрепляющие его наиболее благоприятную конформацию. Например, лизоцим — содержащийся в слезах фермент, который растворяет клеточные стенкибактерий, — сохраняет свои антибактериальные свойства в течение длительноговремени, потому что он стабилизирован такими поперечными сшивками.Дисульфидные связи обычно не могут образоваться в цитозоле клетки, гдевысокая концентрация восстановителей превращает связи S–S обратно в SH-группыцистеина.
Очевидно, в относительно мягкой среде внутри клетки белкам не требуются «укрепления» такого типа.3.1.16. Молекулы белка часто служат субъединицами для сборкидовольно крупных структурТе же самые принципы, которые позволяют молекуле белка связать своисобственные части в кольца или нити, обусловливают также образование намного256Часть 1. Введение в мир клеткиболее крупных структур в клетке — надмолекулярных структур типа ферментныхкомплексов, рибосом, белковых нитей, вирусов и мембран. Такие колоссальныеобразования строятся не в виде единых гигантских скрепленных внутренними ковалентными связями молекул. Напротив, они образуются за счет нековалентногосвязывания многочисленных, производимых по отдельности, молекул, которыеслужат субъединицами конечной структуры.Применение малых субъединиц для построения из них более крупных структуримеет ряд преимуществ.1.
Для построения крупной структуры из одной или нескольких повторяющихсясубъединиц меньшего размера требуется лишь небольшое количество генетическойинформации.2. Как сборкой, так и разборкой можно легко управлять (суть обратимыепроцессы), потому что субъединицы связываются между собой посредством множественных связей относительно низкой энергии.Рис. 3.29. Пример сборки из единичных белковых субъединиц, в ходе которой образуются многочисленные межбелковые контакты.
Гексагонально упакованные шаровидные белковые субъединицымогут образовать либо плоский лист, либо трубку.3. При синтезе такой структуры легче избежать ошибок, так как в ходе сборкимогут работать механизмы исправления, позволяющие оперативно изымать из негодефектные субъединицы.Некоторые белковые субъединицы собираются в плоские листы, где они располагаются по принципу гексагональной упаковки. Иногда подобным образомупаковываются специализированные мембранные белки в липидных бислоях.С небольшим изменением в геометрии отдельных субъединиц гексагонально упакованный лист может быть преобразован в трубку (рис.
3.29) или — при болеесущественных изменениях — в полый шар. Белковые трубки и сферы, которыесвязывают специфические молекулы РНК и ДНК в своих внутренних полостях,образуют оболочки вирусов.Образование замкнутых структур, таких как кольца, трубки или сферы, обеспечивает им дополнительную устойчивость, потому что они скреплены большимчислом связей между белковыми субъединицами. Более того, поскольку такаяструктура создана за счет взаимозависимых коллективных взаимодействий междусубъединицами, относительно небольшое изменение, способное затронуть каждуюГлава 3.
Белки 257Рис. 3.30. Капсиды некоторых вирусов, представленные в едином масштабе. а) Вирус кустистой карликовости томата; б) полиовирус (вирус полиомиелита); в) вирус обезьян 40 (SV40, simian virus); г) сателлитный вирус некроза табака. Структуры всех этих капсидов определены с помощью рентгеноструктурногоанализа и известны на атомарном уровне. (Снимки любезно предоставили R. Grant, S. Crainic, J. Hogle.)из субъединиц в отдельности, может вызвать сборку или разборку всей структуры. Эти принципы заложены в белковой оболочке, или капсиде, многих простыхвирусов, имеющих форму полого шара, в котором просматриваются двадцатьправильных граней (рис. 3.30). Часто капсиды вирусов строятся из сотен тождественных белковых субъединиц, которые прикрывают и защищают вируснуюнуклеиновую кислоту (рис.
3.31). Белок во всяком таком капсиде должен обладатьструктурой, в особенности легко адаптируемой к новым условиям: кроме того, чтоему необходимо образовывать контакты нескольких разных видов для созданиясферы, он еще должен обладать способностью изменять эту конструкцию, чтобы«выпускать» нуклеиновую кислоту наружу для запуска репликации вируса, кактолько последний проникнет в клетку.3.1.17. Многие структуры в клетках обладают способностьюк самосборкеИнформация, необходимая для образования многих сложных макромолекулярных ансамблей в клетках, должно быть, содержится в самих субъединицах,потому что в соответствующих условиях очищенные субъединицы способны самопроизвольно собираться в окончательную структуру. Первой крупной совокупностью макромолекул, продемонстрировавшей свою способность к самосборке из составных частей, был вирус табачной мозаики (ВТМ).
Этот вирус представляет258Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.31. Структура сферического вируса. У многих вирусов идентичные белковые субъединицы упакованы одна к одной в сферическую оболочку (капсид), в которой заключен геном вируса, состоящий из РНКлибо из ДНК (см. также рис. 3.30). По геометрическим причинам не более 60-ти идентичных субъединицмогут быть упакованы воедино с соблюдением точной симметрии. Однако, если допустимы небольшиенерегулярности в упаковке, то число субъединиц может быть больше и созданный из них нуклеокапсидбудет иметь более внушительный размер, сохраняя при этом икосаэдрическую симметрию. Например,изображенный на этом рисунке вирус кустистой карликовости томата (TBSV) представляет собой сферический вирус диаметром около 33 нм, образованный из 180-ти тождественных копий состоящего из386-ти аминокислот капсидного белка и РНК-генома из 4 500 нуклеотидов. Для того чтобы построитьстоль крупный капсид, белок должен быть способен вписаться в три различных окружения, по-разномуокрашенных в представленной на рисунке вирусной частице.
Показан предполагаемый путь сборки;точная трехмерная структура определена с помощью рентгеноструктурного анализа. (С разрешения S.Harrison.)собой длинную трубку, в которой стержень из закрученной в спираль РНК обнесенбелковым цилиндром (рис. 3.32). Если отделенные друг от друга РНК и белковыесубъединицы смешать в растворе, то они воссоединятся с образованием полностьюактивных вирусных частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
