Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Введение в мир клетки Глобулярные области, известные ггод названием домены, служат модульными единицами, из которьп строятся многие белки; такие домены обычно содержат 40 — 350 аминокислот. Малые белки, как правило, состоят только из одного-единственного домена, тогда как крупные белки образованьг из нескольких доменов, соединенньп друг с другом участками полипептидной цепи различной длины, при этом некоторые из таких областей могут быть отно сительно неупорядочены.
В ходе эволюции белков домены видоизменялись и поновому сочетались с другими доменами, в результате чего появлялись новые белки. К настоящему времени известно приблизительно 800 различных способов укладки доменов для более 20000 известньп белковьп структур. Белки обьединяются в крупные структуры с помощью таких же нековалентных взаимодействий, что и те, которые определяют сворачивание белка. Белки с участками связывания, настроенными на их собственную поверхность, могут собираться в димеры, замкнутые кольца, сферические оболочки или спиралеобразньге гголимеры.
Хопгя, как было показано, в пробирке смеси белков и нуклеиновых кислот способньг самопроизвольно собираться в сложные структуры, многие биологические процессы сборки включают необратимые со бытия. В силу этого не все клеточные структуры способны самопроизвольно воссоединяться после разделения их на составные части. 3.?. Функция белка Как мы могли убедиться, белок каждого определенного типа состоит из точно заданной последовательности аминокислот, которая позволяет ему сворачиваться в специфическую трехмерную структуру, или конформацию. Но белки отнюдь не являются жесткими кусками материала. Чаще всего они имеют искусно сработанные подвижные органы, механические действия которых сопряжены с химическими процессами.
Именно эта взаимосвязь — химии и движения — придает белкам их необыкновенные способности, которые лежат в основе динамических процессов, протекаюгцих в живых клетках. В данном параграфе мы объясняем механизм избирательного связывания белков с другими молекулами и разъясняем, как активность первых зависит от связывания с последними. Мы показываем, что способность связываться с другими молекулами позволяет белкам выполнять функции катализаторов, сигнальных рецепторов, переключателей, двигателей или крошечных насосов. Примеры, которые мы разбираем в этой главе, ни в коем случае не исчерпывают обширный функциональный репертуар белков.
Внимательный читатель не упустит из вида множества упоминаний о специализированных функциях многих других белков, основанных на подобных принципах. 3.2.1. Всем белкам предначертана связь с другими молекулами Биологические свойства любой молекулы белка определяются ее взаимодействи. ем с другими молекулами. Так, антитела прикрепляются к вирусам или бактериям и тем самым «метят» их для разрушения; фермент гексокиназа связывает глюкозу и АТР, чтобы катализировать реакции между ними; молекулы актива связываются друг с другом и собираются тем самым в актиновые филаменты, и тому подобное. И в самом деле, все белки слипаются, или связываются, с другими молекулами.
В одних случаях такое связывание очень прочное, в других оно слабое и недолговеч нос 11о взаимодействия подобного рода всегда отличает высокая спет(и((ягчность— в том смысле, что обычно молекула белка может связать только одну или несколько молекул из многих тысяч различных видов молекул, с которыми она сталкивается. Вещество, которое связано белком, — будь оно ионом, какой либо маленькой мо лекулой или макромолекулой, скажем, другого белка, — является лигандом этого белка (от латинского слова 1гдаге, означающего, «связыватьсяь).
Способность белка связывать лиганд избирательно и с высокой степенью сродства определяется набором группы слабых нековалентных связей: водородных связей, электростатических взаимодействий и ван-дер-ваальсовых сил, — а также благоприятных гидрофобных взаимодействий (см. приложение 2.3, стр. 17б — 177). 1!оскольку каждая отдельная связь слаба, эффективное связывание возникает только тогда, когда одновременно образуется болыпое число таких связей. Такое связывание возможно только в том случае, если контуры поверхности молекулы лиганда полностью соответствуют поверхности белковой молекулы, в результате чего они настолько хорошо прилегают одна к другой, как выбранная по размеру перчатка к руке (рис. 3.36).
нековвлентные связи Рис. 3.3б. Избирательное связывание белка с другой молекулой. Чтобы белок мог прочно связаться с другой молекулой, которая служит для него легендам, необходимо образование большого числа слабых связей. Поэтому лиганд должен точно вписываться в участок связывания белка, как, скажем, рука входит в перчатку, с тем чтобы между белком и лигандом могло образоваться большое число нековалентных связей, Область белка, которая непосредственно соединяется с лигандом, известна в научных кругах под названием участка связывания (сайта связывания) ли ганда и обычно состоит из углубления в поверхности белка, образуемого за счет специфического расположения аминокислот.
Эти аминокислоты могут принадлежать к разным частям полипептидной цепи, которые сблизились друг с другом в резуль тате фолдинга белка (рис. 3.37). 11а разнесенных друг от друга областях белковой поверхности, как правило, формируются участки связывания разных лигандов, что позволяет регулировать активность белка, как мы увидим чуть позже. Остальные части белка, можно сказать, играют роль манипулятора, необходимого для падле жащего размещения белка в клетке, — примером служит уже рассматривавшийся нами домен Я12, который во мггогггх случаях в ответ на специфические сигналы перемещает белок, его содержащий, в определенные области внутри клетки. уф.,: !':;,!-'.!~фффа|44))фффф~ЫфФ)))))фЯ~3ф4~::,',!:,";:::,'~.'-!: .;::-::;,'!!:;":;:;;!;«г а) боковые цепи аминокислот развернутый белок участок связывания Рис. З.З7.
Участок связывания белковой молекулы. а) В результате фолдинга полипептидной цепи обычно образуется бороздка, или углубление, на поверхности белка. Такая бороздка содержит группу аминокислот, боковые цепи которых расположены таким образом, что мокнут образовывать нековалентные связи лишь с определенными лигандами. б) Крупный план реального участка связывания, на котором показаны водородные связи и злектростатические взаимодействиямеждубелкомиеголигандом. Вданном примере связанный лиганд представлен циклическим АМР (сАМР). Н Н С; р .
НН С=НИ, "':О О -ЗГ, Н С НН , вО «г«т О )г — Н в О О Н -'О Гг' С' ОН '/ С СН, н С ы Н %-. 3.2. Функция белка 233 Хотя атомы, находящиеся во внутренних областях белковой молекулы, не имеют 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 молекулы способны изменить ее пространственную структуру достаточно сильно — вплоть до разрушения участка связывания.
3.2.2. Химия белка определяется его поверхностной конформацией Белки обладают удивительными химическими свойствами, потому что со седствующие химические группы на их поверхности часто взаимодействуют таким образом, что химическая активность боковых цепей аминокислот возрастает. Такого рода 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.
Зто важно, потому что молекулы воды легко образуют водородные связи и могут конкурировать с лигандами за участки на поверхности белка. Белки и их лиганды формируют более прочные водородные связи (и электростатические взаимодействия), если молекул воды нет на участках связывания. Возможно, не так просто представить себе 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 молекул воды к образованию водородных связей друг с другом эти молекулы существуют в виде протяженной сети, стянутой водородными связями (см. приложение 2.2, стр. 174 — 175). Благодаря этому белок может сохранять лиганд-связывающий сайт «сухим», потому что в энергетическом отношении процесс отрыва молекул воды от водной сети — а именно это им пришлось бы совершить, чтобы проникнуть в бороздку на поверхности белка, — не является благопрятным. Во-вторых, определенное группирование соседних полярных боковых цепей аминокислот может изменить их реакционную способность.
Например, если в результате фолдинга в одной из областей белка сосредоточивается ряд аминокислот с отрицательно заряженными боковыми цепями, то, несмотря на их взаимное отталкивание, сродство такого участка к положительно заряженному иону многократно усиливается. Кроме того, когда боковые цепи аминокислот взаимодействуют друг с другом через водородные связи, обыкновенно неактивные боковые группы (такие как — СН. ОН серина, показанного на рис. 3.38) могут стать реакционно-способными, 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 цепи каких аминокислот смотрят наружу, но также и от их точной взаимной ориентации. По этой причине две даже слегка отличающиеся конформации одной и той же белковой молекулы могут разительно отличаться по химическим свойствам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
