Том 1 (1129743), страница 60
Текст из файла (страница 60)
3.69.как факторы роста, которые связываются срецепторами, находящимися в плазматической мембране (см. рис. 15.58).3.2.24. Регуляторные белки управляют активностьюGTP‑связывающих белков, побуждая их к связыванию либо GTP, либоGDPGTP-связывающие белки управляютсярегуляторными белками, которые решают,будет ли с ними связан GTP или GDP, точнотак же как фосфорилируемые белки включаются и выключаются протеинкиназами ипротеинфосфатазами. Так Ras инактивируется активирующим GTPазу белком(GAP, GTPase-activating protein;), который связывается с белком Ras и побуждаетего гидролизировать связанную им молекулу GTP до GDP — которая остаетсяпрочно связанной, — и неорганического фосфата (Pi), который быстро высвобождается.
Белок Ras остается в своей бездействующей, GDP-связанной конформации,Рис. 3.71. GTP-связывающие белки в роли молекулярных переключателей. Для активности GTP- связывающего белка (называемого также GTPазой), как правило, необходимо присутствие прочно связанноймолекулы GTP (состояние «включено»). Гидролиз этой молекулы GTP дает GDP и неорганический фосфат(Pi), что побуждает белок перейти в другую, обычно неактивную, конформацию (состояние «выключено»).Как показано на этом рисунке, для возврата переключателя в исходное состояние необходимо, чтобыпрочно связанный GDP отделился от фермента, — медленная стадия, которая значительно ускоряетсяопределенными сигналами; как только GDP отделился, молекула GTP вновь быстро присоединяется кбелку.Глава 3. Белки 305пока не сталкивается с фактором обмена нуклеотида гуанина (guanine nucleotideexchange factor; GEF), который связывается с комплексом GDP–Ras и вынуждаетего высвободить молекулу GDP.
Поскольку пустой участок связывания нуклеотиданезамедлительно занимается молекулой GTP (в клетках GTP присутствует в большомизбытке над GDP), GEF активирует Ras путем косвенного возвращения фосфата,удаленного в ходе гидролиза GTP, на свое исконное место. Таким образом, в некотором смысле роли GAP и GEF аналогичны соответственно протеинфосфатазеи протеинкиназе (рис. 3.73).3.2.25. Небольшие движения в белках могут приводить к масштабным изменениямБелок Ras принадлежит к большому надсемейству мономерных GTPаз, каждая из которых состоит из единственного GTP-связывающего домена размеромприблизительно 200 аминокислот.
В ходе эволюции этот домен присоединилсятакже и к более крупным белкам с дополнительными доменами, в результате чегообразовалось многочисленное семейство GTP-связывающих белков. Члены этогосемейства включают связанные с рецепторами тримерные G-белки, участвующие впередаче сигналов в клетках (обсудим в главе 15); белки, регулирующие движениеРис. 3.72. Структура белка Ras в связанной с GTP форме. Эта мономерная GTPаза иллюстрирует структурусвязывающего GTP домена, наличие коего характерно для членов большого семейства GTP-связывающихбелков. Красные области изменяют свою конформацию, когда молекула GTP гидролизуется белкомдо GDP и неорганического фосфата; GDP остается связанным с белком, а неорганический фосфат высвобождается. Специальная роль «переключающей спирали» в белках, связанных с Ras, объясняетсядалее (см. рис. 3.75).306Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 3.73. Сравнение двух главных внутриклеточных механизмов передачи сигналов в клетках эукариот.В обоих случаях сигнальный белок активируется за счет присоединения фосфатной группы и инактивируется посредством удаления этого фосфата. Для того чтобы подчеркнуть сходство этих двух путей, ATPи GTP представлены соответственно в виде APPP и GPPP, а ADP и GDP — в виде APP и GPP.
Как показанона рис. 3.64, присоединение фосфата к белку может оказывать и ингибирующее действие.пузырьков между внутриклеточными полостями (обсудим в главе 13); и белки,которые связываются с транспортной РНК и востребованы в качестве факторовсборки для синтеза белка в рибосоме (рассмотрим в главе 16). В каждом случаежизненно важная биологическая функция управляется изменением конформациибелка, вызываемым гидролизом GTP в домене, подобном Ras.Хорошим примером принципа действия белков этого семейства служит белок EF-Tu. В клетке EF-Tu присутствует в большом количестве, выполняя рольфактора элонгации (продления цепи — отсюда название EF — elongation factor)в ходе синтеза белка: EF-Tu осуществляет погрузку молекул аминоацил-тРНК нарибосому.
Молекула тРНК образует прочный комплекс с GTP-связанной формойEF-Tu (рис. 3.74). В этом комплексе аминокислота, прикрепленная к тРНК, размещена таким образом, что не может участвовать в синтезе белка. тРНК можетотдать связанную с ней аминокислоту только после того, как связанный с EF-TuGTP будет гидролизирован на рибосоме, что позволит EF-Tu отсоединиться. Поскольку гидролиз GTP запускается точным соответствием молекулы тРНК молекулемРНК на рибосоме, EF-Tu выполняет функцию фактора, различает правильныеи неправильные парами мРНК–тРНК (рис. 6.67 служит отправной точкой длядальнейшего экскурса на тему этой функции EF-Tu).Глава 3.
Белки 307Рис. 3.74. Аминоацил-тРНК, связаная с EF-Tu. Три домена белкаEF-Tu окрашены по-разному, соответственно цветам на рис.3.75. Это бактериальный белок; однако весьма подобный белок существует у эукариот; его называют EF-1. (Из P. Nissen etal., Science 270: 1464–1472, 1995. С любезного разрешения издательства AAAS.)Сравнивая трехмерные структуры EF-Tu в егосвязанной с GTP и GDP формах, можно видеть,как происходит изменение положения тРНК. Отделение группы неорганического фосфата (Pi),которым сопровождается реакция GTP → GDP +Pi, вызывает сдвиг на несколько десятых нанометрав участке связывания GTP, так же как это происходит в белке Ras. Этот ничтожно малый сдвиг,равный нескольким диаметрам атома водорода,вызывает конформационное изменение, котороераспространяется по важнейшей части α-спирали,названной переключающей спиралью (switchРис. 3.75.
Важнейшее конформационное изменение в EF-Tu, вызываемое гидролизом GTP. а) Трехмерная структура EF-Tu со связанным с ним GTP. Домен сверху имеет структуру, подобную белку Ras, иего красная α-спираль является переключающей спиралью, которая смещается после гидролиза GTP.б) Изменение конформации переключающей спирали в домене 1 вызывает поворот доменов 2 и 3 какцелостной единицы примерно на 90° в сторону наблюдателя, в результате чего высвобождается тРНК,которая была показана связанной с этой структурой на рис.
3.74. (Рис. а переработан из H. Berchtold et al.,Nature 365:126–132, 1993. С любезного разрешения издательства Macmillan Publishers Ltd. Изображениеб любезно предоставили Mathias Sprinzl и Rolf Hilgenfeld.)308Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.76. Аллостерический «шагающий» белок. Хотя три его различныеконформации позволяют ему «блуждать» беспорядочно взад и вперед,будучи связанным с волокном или филаментом, этот белок не способенравномерно передвигаться в каком-либо одном направлении.helix), в Ras-подобном домене этого белка.
Переключающая спираль напоминает своеобразную защелку, котораябудучи сцеплена с определенным участком в другом доменемолекулы, удерживая белок в «замкнутой» конформации.Конформационное изменение, запускаемое гидролизом GTP,заставляет переключающую спираль раскрываться, отпускаясвязанные с ней домены, которые выворачиваются в сторону на расстояние приблизительно 4 нм. В результате этогосвязанная молекула тРНК высвобождается, а бывшая с нейаминокислота получает возможность быть встроенной в полипептид (рис.
3.75).В этом примере интересно обратить внимание на то, какклетки используют энергию простой химической реакции,которая происходит на поверхности маленького белковогодомена, чтобы произвести движение в 50 раз большее поразмаху. При значительных изменениях подобного типапроисходят очень большие передвижки, как в двигательных,или моторных, белках, о чеммы поговорим позже.3.2.26. Движение в клетках обеспечиваютмоторные белкиМы узнали, что конформационные измененияв белках играют центральную роль в регуляцииработы ферментов и передаче сигналов в клетках.Теперь мы обсудим белки, главная функция которых заключается в перемещении других молекул.Такие моторные белки производят силы, за счеткоторых осуществляется сокращение мышц, а такжеползание и плавание клеток.
Моторные белки ответственны также и за внутриклеточные движениягораздо меньшего масштаба: они помогают перемещать хромосомы к противоположным концамклетки во время митоза (обсуждается в главе 17),передвигать органеллы по молекулярным путям вРис. 3.77. Аллостерический моторный белок. Переход междутремя различными конформациями включает этап перемещения, который обусловлен гидролизом связанной молекулы ATP, иблагодаря этому полный цикл становится по существу необратимым. Поэтому, осуществляя повторные циклы, белок непрерывноперемещается вправо по нити.Глава 3.
Белки 309пределах клетки (обсуждаем в главе 16) и перемещать ферменты по цепи ДНК впроцессе синтеза новой молекулы ДНК (обсуждается в главе 5). Все эти основополагающие процессы зависят от белков, в состав которых входят двигательныедомены и которые являются своего рода силовыми машинами.Как такие машины работают? Другими словами, как клетки используют изменения формы в белках, чтобы производить направленные движения? Если,например, белок должен идти по узкой нити типа молекулы ДНК, он может делать это за счет прохождения через ряд конформационных изменений наподобиепредставленных на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
