Том 1 (1129743), страница 61
Текст из файла (страница 61)
3.76. Но не имея ничего, что могло бы осуществлять этиизменения в строгой последовательности, они будут абсолютно обратимы, и белокобречен лишь беспорядочно блуждать по нити взад и вперед. Мы можем взглянутьна эту ситуацию иначе. Так как имеет место направленное движение белка, законытермодинамики (рассмотренные нами в главе 2) требуют, чтобы такое движениеиспользовало свободную энергию из какого-то другого источника (в противномслучае такой белок мог бы быть использован для создания вечного двигателя).Следовательно, без подачи энергии молекула белка может лишь скитаться тудасюда безо всякой цели.Как клетка может сделать такой ряд конформационных изменений однонаправленным? Чтобы полный цикл протекал лишь в одном направлении, достаточносделать какое-либо одно из изменений формы необратимым. Бóльшая часть белков,которые способны продвигаться в одном направлении на большие расстояния,достигает этого за счет сопряжения одного из конформационных изменений сгидролизом связанной с ними молекулы ATP.
Механизм подобен только что описанному — который питает изменения формы аллостерического белка энергиейгидролиза GTP. Поскольку при гидролизе ATP (или GTP) высвобождается большая порция свободной энергии, очень маловероятно, что связывающий нуклеотидбелок претерпит обратное изменение формы, необходимое для движения назад, таккак для этого потребовалось бы, чтобы он обратил вспять также и гидролиз ATP,добавляя молекулу фосфата к ADP с воссозданием ATP.В модели, показанной на рис. 3.77, связывание ATP переводит моторный белокиз конформации 1 в конформацию 2. После этого связанный ATP гидролизуетсяс образованием ADP и неорганического фосфата (Pi), что вызывает изменениеконформации 2 в конформацию 3. Наконец, высвобождение связанных ADP и Piпереключает белок обратно в конформацию 1. Поскольку энергия, вырабатываемаяв ходе гидролиза ATP, расходуется на переход 2 → 3, этот ряд конформационных изменений является фактически необратимым.
Таким образом, полный циклпроисходит только в одном направлении, в силу чего молекула белка непрерывноперемещается вправо, как показано в данном примере.Многие моторные белки направляют движение именно таким общим способом,в том числе и двигательный белок мышц миозин, который движется по актиновымфиламентам, чтобы вызвать сокращение мышцы, и белки кинезины, которые передвигаются по микротрубочкам (оба белка будут подробнее рассмотрены в главе 16).Подобного рода движения могут быть быстрыми: некоторые моторные белки,участвующие в репликации ДНК (ДНК-хеликазы), продвигаются по нити ДНК стакими высокими скоростями, как 1 000 нуклеотидов в секунду.310Часть 1.
Введение в мир клетки3.2.27. Связанные с мембраной переносчики используют энергиюдля перекачивания молекул через мембраныК настоящему времени мы познакомились с тем, как аллостерические белкимогут работать в качестве микрочипов (Cdk и Src-киназы), факторов сборки (EF-Tu)и генераторов механической силы и движения (моторные белки). Аллостерическиебелки могут также использовать энергию, полученную за счет гидролиза ATP,градиентов концентрации ионов или процессов переноса электронов, для перекачивания определенных ионов или малых молекул через мембраны. Здесь и сейчасмы рассмотрим один из таких примеров; другие же отложим до главы 11.ABC-переносчики (АТР-binding cassete) образуют важный класс связанных смембраной белков-насосов.
У людей кодируют их по крайней мере 48 различныхгенов. Эти переносчики главным образом работают на экспорт гидрофобных молекул из цитоплазмы и тем самым выполняют, например, задачу удаления токсичныхмолекул у поверхности слизистой оболочки кишечного тракта или в гемоэнцефалическом барьере. Изучение ABC-переносчиков представляет большой интерес вклинической медицине, потому что перепроизводство белков этого класса вноситвклад в развитие устойчивости опухолевых клеток к химиотерапевтическим лекарствам. А у бактерий белки того же типа выполняют главным образом функциюимпорта необходимых питательных веществ в клетку.ABC-переносчик представляет собой тетрамер, состоящий из пары пронизывающих мембрану субъединиц, связанных с парой АТР-связывающих субъединиц,расположенных чуть ниже плазматической мембраны (рис.
3.78, а). Как и в другихрассмотренных нами примерах, гидролиз связанных молекул ATP сопровождаетсяконформационными изменениями в белке, причем такой силы, что это заставляетпронизывающие мембрану субъединицы перемещать связанные ими молекулысквозь двойной липидный слой (рис. 3.78, б).Люди изобрели множество различных типов механических насосов, и не должно выглядеть удивительным, что клетки тоже содержат привязанные к мембраненасосы, которые, правда, работают иным образом. В числе наиболее примечательных — ротационные насосы, которые сопрягают гидролиз ATP с переносом ионовH+ (протонов). Эти насосы напоминают собой миниатюрные турбины и используютсядля подкисления внутренней среды лизосом и других органелл эукариот.
Подобнодругим ионным насосам, которые создают градиенты концентрации ионов, онимогут выполнять обратную функцию и катализировать реакцию ADP + Pi → ATP,если установившийся в мембране градиент того иона, который они переносят, будетРис. 3.78. Переносчик ABC (АТР-связывающая кассета) — белковая машина, которая перекачиваетбольшие гидрофобные молекулы через мембрану. а) Бактериальный белок BtuCD, который импортируетвитамин B12 в E. coli, потребляя для этого энергию гидролиза ATP.
Связывание двух молекул ATP приводитк образованию смычки между двумя ATP-связывающими субъединицами. Структура представлена в ADPсвязанном состоянии, где канал во внеклеточное пространство, как можно видеть, открыт, но проход кцитозолю остается закрытым. б) Схематическое представление перекачки субстрата ABC-переносчиками.У бактерий связывание молекулы субстрата на внеклеточной стороне белкового комплекса запускаетгидролиз ATP, сопровождаемый высвобождением ADP, в результате чего открывается проход к цитоплазме; после этого насос принимает исходное состояние в клетках и становится готовым к осуществлениюследующего цикла. В эукариотических клетках имеет место противоположный процесс, в ходе которогомолекулы субстрата выкачиваются из клетки.
(Изображение а переработано из K. P. Locher, Curr. Opin.Struct. Biol. 14: 426–441, 2004. С любезного разрешения издательства Elsevier.)Глава 3. Белки 311312Часть 1. Введение в мир клеткидостаточно крутым.Один из таких насосов, ATP-синтаза, использует градиент концентрации протонов, устанавливаемый за счет процессов переноса электронов, для выработкибольшей части ATP, используемой в живом мире. Этот повсеместный насос играетцентральную роль в преобразовании энергии, и мы непременно изучим его трехмерную структуру и обсудим механизм его работы в главе 14.3.2.28. Часто белки образуют крупные комплексы, из которых получаются настоящие белковые машиныКрупные белки, состоящие из многих доменов, способны выполнять болеесложные функции, чем маленькие, однодоменные белки. Однако наиболее впечатляющие задачи выполняют крупные белковые ансамбли, образованные из множествабелковых молекул.
Теперь, когда имеется возможность воссоздать большинствобиологических процессов в бесклеточных системах в лабораторных условиях, ясно,что все основополагающие процессы в клетке — такие как репликация ДНК, синтез белка, отпочковывание пузырьков или трансмембранная передача сигналов —катализируются точно согласованными, связанными воедино наборами из 10 иболее белков. В большинстве таких белковых машин энергетически благоприятнаяреакция, например гидролиз связанных нуклеозидтрифосфатов (ATP или GTP),приводит к упорядоченной серии конформационных изменений в одной или нескольких отдельных белковых субъединицах, что позволяет всему ансамблю белковперемещаться согласованно. Таким же образом, каждый фермент может быть непосредственно перемещен в очередную, надлежащую ему, позицию, по мере тогокак машина катализирует последовательную цепь реакций, одну за другой.
Именноэто происходит, например, при синтезе белка на рибосоме (рассматривается в главе6) или при репликации ДНК — когда большой многобелковый комплекс быстропередвигается по ДНК (рассматривается в главе 5).В ходе эволюции клетки создали белковые машины по той же причине, покоторой люди изобрели механические и электронные машины. При выполнениипочти любой задачи манипуляции, которые согласованы и в пространственном,и во временнóм отношении посредством взаимосвязанных процессов, оказываютсянамного более эффективными, чем использование отдельных инструментов.3.2.29. Белковые машины со взаимозаменяемыми деталями эффективно используют генетическую информациюДабы погрузиться в природу белковых машин глубже, мы рассмотрим относительно простую из них: убиквитинлигазу SCF.
Этот белковый комплекс связываетразличные «целевые белки» в различные моменты клеточного цикла и ковалентно присоединяет мультиубиквитиновые полипептидные цепи к этим белкам. ЕгоC-образная структура образована из пяти белковых субъединиц, наибольшая изних служит каркасным белком (scaffold protein), на котором зиждутся остальные.Благодаря такой структуре и возможно функционирование сего замечательного механизма (рис. 3.79). На одном конце буквы C находится убиквитин-конъюгирующийфермент E2.
На другом конце — субстрат-связывающий отросток — субъединица,известная под названием белок F-бокс. Эти две субъединицы разделяет зазор протяженностью около 5 нм. Когда белковый комплекс активируется, белок F-бокссвязывается со специфическим участком на целевом белке, благодаря чему белокГлава 3. Белки 313Рис. 3.79. Структура и принцип действия SCF убиквитинлигазы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
