Том 1 (1129743), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Аминокислоты,расположенные на участке связывания фосфорилированных полипептидов, какоказалось, изменялись медленнее всего в течение длительного эволюционногопроцесса, который дал многочисленное семейство пептид-узнающих SH2-доменов.Поскольку мутация – случайное событие, этот результат приписывают предпочтительному устранению в ходе эволюции всех тех организмов, у которых домены SH2изменялись таким образом, что пептид-связывающий участок терял активность, и,таким образом, нарушалась сама функция SH2-домена.В нашу эру интенсивного секвенирования геномов открыто много новыхсемейств белков, функции которых неизвестны. Как только удается определитьтрехмерную структуру одного из членов семейства, метод «эволюционного следа»позволяет биологам определить участки связывания у остальных членов этого семейства, помогая тем самым расшифровать функции этих белков.3.2.4. Одни белки связываются с другими белками через контактные поверхности нескольких типовБелки способны связываться с другими белками по крайней мере тремя способами.
Во многих случаях часть поверхности одного белка («замок») входит вконтакт с распростертой петлей полипептидной цепи («ключ») на втором белке(рис. 3.40, а). Такое взаимодействие типа ключ–замок позволяет, например, домену SH2 опознавать фосфорилированную полипептидную петлю второго белка,как только что было описано, или протеинкиназе — белки, которые ей предстоитфосфорилировать (смотрите ниже).Межбелковое соединение второго типа образуется, когда две α-спирали, поодной от каждого белка, спариваются одна с другой с образованием витой суперспирали (рис. 3.40, б). Межбелковый стык такого типа встречается в несколькихсемействах ген-регулирующих белков, о чем мы расскажем в главе 7.Наиболее распространенным способом контактного взаимодействия белков, однако, является точное соответствие одной жесткой поверхности другой (рис. 3.40, в).Такое взаимодействие может быть достаточно сильным, так как между двумя точнопригнанными одна к другой поверхностями может образоваться большое числослабых связей.
По той же причине такие межповерхностные взаимодействия могут быть чрезвычайно специфичными, что позволяет белку выбирать лишь одногопартнера из многих тысяч различных белков клетки.3.2.5. Особым многообразием отличаются участки связыванияантителДля того чтобы выполнять разнообразные функции, каждый белок долженсвязываться с определенным лигандом. Семейство антител примечательно тем, чтовсе его члены обладают способностью к сильному избирательному связыванию(рассматривается подробно в главе 25).Антитела, или иммуноглобулины, представляют собой белки, производимыеиммунной системой в ответ на появление чужеродных молекул, например, тех, чтоГлава 3.
Белки 269находятся на поверхности вторгшегося микроорганизма. Каждое антитело прочносвязывается с определенной целевой молекулой, тем самым или инактивируя еенапрямую, или помечая для разрушения. Всякое антитело распознает свою мишень(называемую антигеном) с удивительной специфичностью.
Поскольку возможносуществование миллиардов различных антигенов, с которыми люди сталкиваются в жизни, наш организм должен быть готов произвести миллиарды различныхантител.Антитела представляют собой Y-образные молекулы с двумя идентичнымиучастками связывания, которые комплементарны небольшой части поверхностимолекулы антигена. Подробный анализ участков связывания антигенов на антителах показывает, что они сформированы несколькими петлями полипептиднойцепи, которые выступают по концам пары близко совмещенных белковых доменов(рис.
3.41). Огромное многообразие участков связывания антигенов различнымиантителами обусловлено всего лишь изменениями длины и аминокислотной последовательности этих петель, без изменения основной структуры белка.Петли такого рода идеальны для того, чтобы захватывать другие молекулы.
Онипозволяют окружать лиганд большим числом химических групп, с тем чтобы белокРис. 3.41. Молекула антитела. а) Типичная молекула антитела имеет Y-образную форму с двумя идентичными участками связывания своего антигена – по одному на каждом плече Y-образной структуры. Этотбелок состоит из четырех полипептидных цепей (двух идентичных тяжелых цепей и двух идентичныхи меньших легких цепей), скрепленных вместе дисульфидными связями. Каждая цепь состоит из нескольких различных доменов иммуноглобулина, помещенных на данном рисунке на голубой или серыйфон. Антиген-связывающий участок образуется в том месте, где вариабельный (изменчивый) доментяжелой цепи (VH) и вариабельный домен легкой цепи (VL) сближены друг с другом. Последовательностии структуры именно этих доменов отличаются в различных антителах.
Каждый из доменов на концахплеч молекулы антитела образует петли, которые связываются с антигеном. На виде б мы можем видетьэти подобные пальцам петли (красные), выдающиеся из домена VL.270Часть 1. Введение в мир клеткимог связаться с ним посредством многочисленных слабых связей. По этой причинелиганд-связывающие участки белков часто формируются именно из петель.3.2.6. Мерой силы связывания служит константа равновесияМолекулы в клетке очень часто наталкиваются друг на друга из-за непрерывного беспорядочного теплового движения.
Сталкивающиеся молекулы, поверхностикоторых «не вписываются» друг в друга, образуют между собой небольшое числонековалентных связей и расходятся столь же скоро, сколь быстро они сошлись.Другая крайность — когда между двумя сталкивающимися молекулами образуетсямного нековалентных связей и их союз может существовать довольно длительноевремя (рис. 3.42). Сильные взаимодействия в клетках возникают всякий раз, когдабиологическая функция требует, чтобы молекулы оставались взаимосвязанными втечение продолжительного промежутка времени, например, когда группа молекулРНК и молекул белка собирается воедино с образованием субклеточной структурынаподобие рибосомы.Мы можем измерить силу, с которой любые две молекулы связываются друг сдругом.
В качестве примера рассмотрим популяцию идентичных молекул антител,которая внезапно сталкивается с популяцией лигандов, диффундирующих в окружающей антитела жидкости. При этом с определенной частотой одна из молекуллиганда будет врезаться в участок связывания на антителе и будет образовыватьсякомплекс антитело–лиганд. Так что популяция комплексов антитело–лиганд будетрасти, но не беспредельно: через какое-то время начнет превалировать второй процесс, в ходе которого отдельные комплексы будут распадаться из-за теплового движения.
В конечном счете всякая популяция молекул антитела и лиганда достигнетустойчивого состояния, или равновесия, при котором число событий ассоциации всекунду в точности равно числу событий диссоциации (см. рис. 2.52).По известным концентрациям лиганда, антитела и комплекса антитело–лигандв состоянии равновесия мы можем рассчитать параметр, который позволяет оценитьсилу связывания антитела с лигандом, — константу равновесия (K) (рис. 3.43, а).Константа равновесия реакции, в которой две молекулы (А и B) связываютсядруг с другом с образованием комплекса (AB), выражается в единицах литр/моль и означает, что половина участков связывания будет занята лигандом, когда концентрация этого лиганда (в моль/литр) достигнет значения, равного 1/K.Определенная таким образом константа равновесия тем больше, чем больше силасвязывания, и служит прямой мерой разности свободной энергии между связанными свободным состояниями системы (рис.
3.43, б и в). Изменение даже несколькихнековалентных связей может оказать значительное влияние на взаимодействие,как показано в примере на рис. 3.44. (Следует иметь в виду, что константа равновесия, соответствующая данному нами определению, известна также как константааффинности, или константа сродства, Ka.)Мы обратились к случаю связывания антитела со своим лигандом, дабыпроиллюстрировать влияние силы связывания на константу равновесия, но те жесамые принципы относятся к любой другой молекуле и ее лиганду. Многие белкиявляются ферментами, которые, как мы теперь говорим, сначала связываются сосвоими лигандами, а затем катализируют разрыв или образование ковалентныхсвязей в этих молекулах.Глава 3. Белки 271Рис. 3.42. Как нековалентные связи опосредуют взаимодействие между макромолекулами.3.2.7. Ферменты — высокоспецифичные катализаторыМногим белкам для исполнения предписанных им ролей достаточно простосвязаться с некоторой другой молекулой.
Например, молекуле актина необходимовсего лишь объединиться с другими молекулами актина, чтобы образовать филамент. Есть, однако, и иные белки, для которых связывание лиганда является лишьнеобходимым отправным шагом в процессе осуществления своей функции.
Это относится к большому и очень важному классу белков, названных ферментами. Какбыло описано в главе 2, ферменты суть удивительные молекулы, обслуживающиевсе химические превращения, в ходе которых образуются и разрушаются ковалентные связи в клетках. Они связываются с одним или несколькими лигандами,названными субстратами, и превращают их в один или несколько химически модифицированных продуктов, делая это много раз и с поразительной скоростью.Ферменты ускоряют реакции, часто в миллион и более раз, а сами при этом непретерпевают никаких изменений, то есть они действуют как катализаторы, которые позволяют клеткам создавать или разрушать ковалентные связи управляемымспособом.
Именно благодаря осуществляемому ферментами катализу упорядоченного набора химических реакций клетки поддерживают свою жизнедеятельность,и жизнь становится возможной.Мы можем подразделить ферменты на классы согласно выполняемым имфункциям, по подобию химических реакций (таблица 3.1).
Каждый фермент впределах такого класса характеризуется высокой специфичностью, катализируяреакции только одного типа. Так, гексокиназа присоединят фосфатную группу кD-глюкозе, но игнорирует оптический изомер последней — L-глюкозу; ферментсвертывания крови тромбин разрезает пептидную связь только в одном типе белкакрови и нигде более, и так далее. Как было подробно описано в главе 2, ферментыработают в команде, где продукт одного фермента становится субстратом для следующего. В результате столь слаженного взаимодействия возникает сложнейшаясеть метаболических путей, которая снабжает клетку энергией и поставляет всемногообразие больших и малых молекул, необходимых клетке для жизни (см.рис. 2.35).272Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 3.43. Взаимосвязь энергии связи и константы равновесия для реакции ассоциации. а) Равновесиемежду молекулами А и B и комплексом AB поддерживается равновесием между двумя взаимно обратными реакциями, представленными на панелях 1 и 2. Молекулы А и B, чтобы прореагировать другс другом, должны столкнуться, и поэтому скорость их ассоциации пропорциональна произведениюих концентраций [А]·[B]. (Квадратные скобки обозначают концентрацию.) Как показано на панели 3,отношение констант скорости для реакций ассоциации и диссоциации равно константе равновесия (K)этой реакции. б) Константа равновесия на панели 3 относится к реакции А + B ↔ AB, и чем больше еевеличина, тем сильнее связывание между А и B. Обратите внимание, что на каждые 1,41 ккал/моль (5,91кДж/моль) уменьшения свободной энергии константа равновесия возрастает в 10 раз (при 37° C).В данном случае константа равновесия выражена в единицах литр/моль: для простых взаимодействийпо типу связывания ее называют также константой сродства, или константой афинностии, и обозначают Ka.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
