Том 1 (1129743), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Внимательный читатель не упустит из видамножества упоминаний о специализированных функциях многих других белков,основанных на подобных принципах.3.2.1. Всем белкам предначертана связь с другими молекуламиБиологические свойства любой молекулы белка определяются ее физическимвзаимодействием с другими молекулами. Так, антитела прикрепляются к вирусамили бактериям и тем самым «метят» их для разрушения; фермент гексокиназасвязывает глюкозу и ATP, чтобы катализировать реакции между ними; молекулыактина связываются друг с другом и собираются тем самым в актиновые филаменты, и тому подобное.
И в самом деле, все белки слипаются, или связываются, сдругими молекулами. В одних случаях такое связывание очень прочное, в другихоно слабое и недолговечное. Но взаимодействия подобного рода всегда отличаетвысокая специфичность — в том смысле, что обычно молекула белка может связатьтолько одну или несколько молекул из многих тысяч различных видов молекул,с которыми она сталкивается.
Вещество, которое связано белком, — будь оноионом, какой-либо маленькой молекулой или макромолекулой, скажем, другогобелка, — является лигандом этого белка (от латинского слова ligare, означающего,«связываться»).Способность белка связывать лиганд избирательно и с высокой степеньюсродства определяется набором группы слабых нековалентных связей: водородныхсвязей, электростатических взаимодействий и ван-дер-ваальсовых сил, — а такжеблагоприятных гидрофобных взаимодействий (см. приложение 2.3, стр. 110–111).264Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 3.37. Участок связывания белковой молекулы. а) Врезультате фолдинга полипептидной цепи обычно образуется бороздка, или углубление, на поверхности белка. Такаябороздка содержит группу аминокислот, боковые цепи которых расположены таким образом, что могут образовыватьнековалентные связи лишь с определенными лигандами.б) Крупный план реального участка связывания, на которомпоказаны водородные связи и электростатические взаимодействия между белком и его лигандом. В данном примересвязанный лиганд представлен циклическим AMP (cAMP).Глава 3.
Белки 265Поскольку каждая отдельная связь слаба, эффективное связывание возникаеттолько тогда, когда одновременно образуется большое число таких связей. Такоесвязывание возможно только в том случае, если контуры поверхности молекулылиганда полностью соответствуют поверхности белковой молекулы, в результатечего они настолько хорошо прилегают одна к другой, как выбранная по размеруперчатка к руке (рис.
3.36).Область белка, которая непосредственно соединяется с лигандом, известна внаучных кругах под названием участка связывания (сайта связывания) лиганда иобычно состоит из углубления в поверхности белка, образуемого за счет специфического расположения аминокислот. Эти аминокислоты могут принадлежать кразным частям полипептидной цепи, которые сблизились друг с другом в результате фолдинга белка (рис. 3.37). На разнесенных друг от друга областях белковойповерхности, как правило, формируются участки связывания разных лигандов, чтопозволяет регулировать активность белка, как мы увидим чуть позже.
Остальныечасти белка, можно сказать, играют роль манипулятора, необходимого для надлежащего размещения белка в клетке, — примером служит уже рассматривавшийсянами домен SH2, который во многих случаях в ответ на специфические сигналыперемещает белок, его содержащий, в определенные области внутри клетки.Хотя атомы, находящиеся во внутренних областях белковой молекулы, неимеют прямого контакта с лигандом, они формируют каркас, который придает поверхности ее очертания и обусловливает ее химические и механические свойства.Даже небольшие изменения аминокислот во внутренних областях белковой молекулыРис.
3.38. Аминокислота, проявляющая необычайно высокую реакционную способность в активномучастке фермента. Данный пример относится к так называемой «каталитической триаде», свойственной химотрипсину, эластазе и другим сериновым протеазам (см. рис. 3.12). Боковая цепь аспарагиновой кислоты (Asp 102) возбуждает гистидин (His 57), который забирает протон у серина (Ser 195). Этидействия активируют серин, получающий способность образовать ковалентную связь с субстратомфермента, гидролизуя при этом пептидную связь. На рисунке не показаны многочисленные изгибыполипептидной цепи.266Часть 1. Введение в мир клеткиспособны изменить ее пространственную структуру достаточно сильно – вплоть доразрушения участка связывания.3.2.2. Химия белка определяется его поверхностной конформациейБелки обладают удивительными химическими свойствами, потому что соседствующие химические группы на их поверхности часто взаимодействуют такимобразом, что химическая активность боковых цепей аминокислот возрастает.
Такогорода взаимодействия можно подразделить на две основные категории.Во-первых, взаимодействие соседних частей полипептидной цепи может ограничить доступ молекул воды к участкам связывания лиганда этого белка. Это важно,потому что молекулы воды легко образуют водородные связи и могут конкурироватьс лигандами за участки на поверхности белка. Белки и их лиганды формируютболее прочные водородные связи (и электростатические взаимодействия), еслимолекул воды нет на участках связывания. Возможно, не так просто представитьсебе механизм, который исключал бы связывание с поверхностью белка столь малой молекулы, как молекула воды, и не препятствовал бы при этом доступу самого лиганда к этой поверхности. Тем не менее из-за сильного стремления молекулводы к образованию водородных связей друг с другом эти молекулы существуютв виде протяженной сети, стянутой водородными связями (см.
приложение 2.2,стр. 108–109). Благодаря этому белок может сохранять лиганд-связывающий сайт«сухим», потому что в энергетическом отношении процесс отрыва молекул водыот водной сети – а именно это им пришлось бы совершить, чтобы проникнуть вбороздку на поверхности белка, – не является благопрятным.Во-вторых, определенное группирование соседних полярных боковых цепейаминокислот может изменить их реакционную способность. Например, если врезультате фолдинга в одной из областей белка сосредоточивается ряд аминокислот с отрицательно заряженными боковыми цепями, то, несмотря на их взаимноеотталкивание, сродство такого участка к положительно заряженному иону много-Рис.
3.39. Применение метода эволюционного следа к домену SH2. а) Вид спереди и сзади на объемной модели домена SH2, где эволюционно консервативные аминокислоты на поверхности белкаокрашены желтым, а ближе к сердцевине белка — красным. б) Структура домена SH2 со связаннымим полипептидом.
Здесь аминокислоты, расположенные в пределах 0,4 нм от связанного лиганда,окрашены голубым. Две ключевые аминокислоты лиганда желтые, а все остальные — фиолетовые.Обратите внимание на высокую степень соответствия между структурами, изображенными на видах аи б. (Переработано на основе иллюстраций из O. Lichtarge, H. R. Bourne and F. E. Cohen, J. Mol. Biol. 257:342–358, 1996. С любезного разрешения издательства Elsevier.)Глава 3. Белки 267Рис.
3.40. Три возможных способа, которыми два белка могут связываться друг с другом. Показанытолько взаимодействующие части двух таких белков. а) Жесткая поверхность одного белка можетсвязаться с развернутой петлей полипептидной цепи («нити») второго белка. б) Две α-спирали могутсвязаться друг с другом путем образования витой биспирали. в) Две взаимно дополняющие друг друга(комплементарные) жесткие поверхности часто удерживают два белка вместе.кратно усиливается. Кроме того, когда боковые цепи аминокислот взаимодействуютдруг с другом через водородные связи, обыкновенно неактивные боковые группы(такие как –CH2OH серина, показанного на рис. 3.38) могут стать реакционноспособными, что позволяет им участвовать в образовании или разрушении определенных ковалентных связей.Поэтому поверхность любой белковой молекулы обладает неповторимой совокупностью химических свойств, которая зависит не только от того, боковые цепикаких аминокислот смотрят наружу, но также и от их точной взаимной ориентации.По этой причине две даже слегка отличающиеся конформации одной и той жебелковой молекулы могут разительно отличаться по химическим свойствам.3.2.3. Ключевые участки связывания лигандов можно выявитьпри сравнении аминокислотных последовательностей белков,входящих в одно семействоКак было сказано ранее, последовательности генома позволяют нам группировать многие белковые домены по семействам, в пределах которых явно прослеживается их эволюция от общего предка.
Трехмерные структуры членов одного итого же семейства доменов поразительно похожи. Например, даже когда идентичность аминокислотных последовательностей снижается до 25 %, укладка атомов востове полипептидной цепи домена подчиняется общей закономерности в пределах0,2 нанометров (2 Å).Поэтому для идентификации в белковом домене тех участков, которые наиболее значимы для функции этого домена, мы можем использовать метод «эволюционного следа» (evolutionary tracing).
Для этой цели на модель трехмернойструктуры одного из членов семейства наносят те аминокислоты, которые осталисьнеизменившимися (инвариантными) или почти неизменившимися во всех известныхчленах этого семейства белков. В результате, наиболее инвариантные позиции,как правило, образуют один или несколько кластеров на поверхности белка, чтоможно видеть на рис.
3.39, а, где изображен домен SH2, описанный ранее (см.приложение 3.2, стр. 132–133). Эти кластеры обычно и соответствуют участкам268Часть 1. Введение в мир клеткисвязывания лигандов.Домен SH2 служит модулем, который участвует в межбелковых взаимодействиях. Он связывает белок, его содержащий, со следующим белком, который содержит боковую цепь фосфорилированного тирозина в окружении определеннойаминокислотной последовательности, как показано на рис. 3.39, б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
