Э. Рис, М. Стернберг - Введение в молекулярную биологию от клеток к атомам (1160049), страница 9
Текст из файла (страница 9)
α-Спираль поформе напоминает прутик, в котором стебель — этоосновная цепь, а торчащие в разные стороны ветки боковые цепи (R-группы).β-Слой формируется из двух или более β -структурных участков полипептидной цепи, называемых βучастками. В каждом β-участке полипептидная цепьпочти полностью вытянута; при этом >N—H- и>С=О-группы ориентированы примерно перпендикулярно направлению β-участка и могут образовыватьводородные связи с соседними участками. В результате из нескольких β-участков образуется структура, которая в грубом приближении оказывается плоской,напоминающей лист.
Однако из-за того что плоскости пептидных групп в каждом β -участке наклоненыпоочередно в разные стороны относительно направления β -участка, плоский β-слой приобретает складчатую форму. Если двигаться вдоль одного из β-участков, составляющих β-слой, то боковые группы будутвыступать по очереди то с одной, то с другой стороныβ-слоя.Параллельная и антипараллельная β-структуры.Существуют два разных варианта образования водородных связей между тяжами в составе р-слоя.
Каждому варианту соответствует свои значения углов ф и Ψ.В параллельном β-слое (ф = - 119°, Ψ = 113°) соседние βучастки направлены в одну сторону (рис. 9.2), а вантипараллельном (ф = -139°, Ψ = 135°) — в противоположные (рис. 9.1).Рис. 9.2. Параллельный β-слой.Коллагеновая спираль представляет собой третийтип регулярной вторичной структуры со значениямиуглов ф = —60°, Ψ= 140°. В такой конформации находится основная часть полипептидной цепи фибриллярного белка коллагена (гл.
11).Большинство глобулярных белков имеет α-спиральные и/или β-структурные участки. α-Спиралиобычно состоят из 6—24 остатков, соответственнодлина их варьирует от 0,9 до 2,4 нм. Значения углов фи Ψ в спирали всегда немного отличаются от стандартных. Иногда несколько остатков принимают конфор-мацию спирали 310, отличную от конформации ос-спирали. На один виток спирали 310 приходится 3 остатка,а водородные связи в ней образуются между п и п — 3 походу цепи остатками. Участки β-слоя, как правило, состоят из 3—10 остатков и имеют длину от 1,0 до 3,3 нм.Типичный (3-слой содержит от 2 до 10 р-участков. Водних β-слоях все участки уложены параллельно другдругу, в других все соседние β-тяжи антипараллельны.Кроме того, иногда в одном и том же слое присутствуют оба типа укладки.
Так же как и в случае α-спирали,реальная конформация β-слоя может несколько отличаться от стандартной.β-Изгиб- - это еще один тип вторичной структуры,встречающийся во многих глобулярных белках в техместах, где направление полипептидной цепи меняется на противоположное. Данная структура часторассматривается как связующее звено между двумяуложенными антипараллельно β-участками в составеβ-слоя. На рис. 9.3 приведен пример β-изгиба из четырех остатков с одной водородной связью между>С=О-группой остатка 1 и >N—Н-группой остатка 4.В белках обнаруживаются и другие типы β-изгибов.В отличие от α-спирали, коллагеновой спирали и β слоя в β-изгибе значения углов ф и Ψ у разных остатковнеодинаковы.
β-Изгибы обычно находятся у поверхности белковой глобулы.Предсказать, какие участки молекулы глобулярногобелка будут иметь регулярную вторичную структуру,основываясь на данных об их аминокислотной последовательности, можно с точностью около 70%. Одниостатки (например, Glu, Met, Ala и Leu) часто встреча-Рис. 9.3. р -Изгиб.ются в α -спиралях, в то время как другие (Gly и Pro) —значительно реже. Что касается пролина (Pro), то этотостаток может находиться в α-спирали лишь в одномиз первых трех положений, поскольку в остальных позициях наличие ковалентной связи между боковой цепьюпролинового остатка и атомом азота основной цепи непозволяет >N—Н-группе образовать водородную связь.Некоторые остатки предпочитают находиться в β-участках (например, Val, He, Туг и Phe), тогда как остатки Aspи Glu принимают эту конформацию довольно редко.
Такие данные о встречаемости различных остатков в разных типах вторичной структуры используются припредсказании локализации в белке α - и β-участков.10. Структура глобулярных белковПод третичной структурой белка понимают расположениев пространстве всех атомов одиночной полипептиднойцепи. Некоторые белки состоят из несколькихполипептидных цепей. Каждая цепь — это однасубъединица, или мономер.
Димеры содержат двеполипептидные цепи, тримеры — три, а тетрамеры —четыре. Молекулы гемоглобина представляетсобой типичный тетрамер, в котором имеются две идентичные сс-цепи и две идентичные β-цепи.Термин четвертичная структура белка означаетвзаимное расположение в пространстве мономеров,формирующих молекулу белка, который состоит изнескольких субъединиц.С помощью рентгеноструктурного анализабелковыхкристаллов расшифрована трехмерная структура болееста различных белков. Положение большинства атомов,за исключением атомов водорода, может быть определено с точностью 0,1 нм.
До сих пор кристаллографическими методами изучались в основном водорастворимые глобулярные белки, поэтому все, что будет сказанодалее, касается именно этого класса белков.На поверхности белковой глобулы сосредоточены восновном полярные группы и заряженные атомы,предпочитающие взаимодействовать с водным окружением. Сюда относятся полярные группы >N—H и>С=О основной цепи, заряженные атомы боковыхцепей остатков Gli-, Aspα , Lys+ и Arg+ и полярные боковые цепи таких остатков, как Ser, Thr, Asn, Gin и др.Между противоположно заряженными группами (например, между Gli- и Lys+) на поверхности белковойглобулы иногда образуются ионные связи, которыеназываются солевыми мостиками (гл. 7).
Кроме того,на поверхности имеется некоторое количество неполярных атомов.Внутренняя часть белковой глобулы представляетсобой неполярную среду, защищенную от контактовс окружающим растворителем благодаря плотной упаковке атомов. Гидрофобное ядро образовано неполярными группами, входящими главным образом всостав алифатических и ароматических боковых цепей Ala, Val, He, Leu, Met, Phe и Тгр. Полярной или заряженной группе энергетически невыгодно находиться в таком гидрофобном окружении, если она приэтом не взаимодействует с другой полярной группойили с атомом, имеющим противоположный заряд.Поэтому оказавшиеся внутри глобулы >N — Н- и>С=О-группы основной цепи образуют между собойводородные связи, формируя в результате а-спиралии β-слои. Точно так же находящиеся внутри глобулыпротивоположно заряженные группы (например, Gliи Lys+) образуют ионные связи, известные под названием солевых мостиков.Дисульфидный мостик— это ковалентная связь междудвумя цистеиновыми остатками.
Такие мостикивстречаются в некоторых секреторных белках (гл. 6).Мостик может быть расположен как внутри глобулы,так и на ее поверхности. Во многих белках нет дисульфидных мостиков, хотя имеются цистеины в восстановленной форме.Эксперименты по ренатурации показывают, чтобиологически активный белок после денатурации может самопроизвольно свернуться в исходную конформацию с восстановлением своей активности. Следовательно, при физиологических условиях состояние белка, имеющего нативную трехмерную структуру, термодинамически стабильно, т. е. соответствуетминимуму свободной энергии. Более того, эти эксперименты говорят о том, что информация, необходимая для сворачивания белка в нативную конформацию,заложена в его аминокислотной последовательности.Поэтому в принципе можно теоретически предсказатьтрехмерную структуру любого белка, исходя из егоаминокислотной последовательности.
Это было быполезно в тех случаях, когда нельзя определить конформацию молекулы кристаллографическим методом. Хотя точность предсказания вторичной структуры белка (гл. 9) теперь довольно высока, предсказаниетретичной структуры остается нерешенной проблемой молекулярной биологии.Сворачивание молекулы белка из развернутого состояния должно осуществляться либо одним, либоочень немногими путями.
Пусть белковая молекуласостоит из 50 остатков, каждый из которых можетпринимать 10 разных конформаций. Тогда общее число возможных конформаций составит 1050, и если характерное время молекулярных перестроек составляет10-13 с, то для того чтобы перепробовать все конформаций хотя бы по одному разу, потребуется примерно1037 с (~1030 лет). Следовательно, должен существоватьнаправленный путь сворачивания белка, ограничивающий этот перебор. Одно из предположений заключается в том, что отдельные участки белковой молекулы,например а-спирали, формируются в первую очередь ислужат как бы центрами конденсации для остальныхчастей молекулы.Стабильность свернутой молекулы белка в водномокружении крайне низка: для лизоцима из белка куриного яйца она составляет 40 кДж/моль.
Основнойдвижущей силой процесса сворачивания является энтропийный, гидрофобный эффект (гл. 7), вследствиекоторого неполярные группы стремятся выйти из водного окружения и оказаться внутри глобулы. К дальнейшей стабилизации структуры, по-видимому, приводит образование внутренних водородных связей, атакже дисульфидных и солевых мостиков. Существуети энтропийный эффект, препятствующий сворачиванию. Этот эффект обусловлен тем, что для свернутоймолекулы белка число разрешенных конформаций основной и боковых цепей меньше, чем у развернутой, ауменьшение числа конформаций энтропийно невыгодно (т.е. приводит к уменьшению энтропии).Одни участки полипептидной цепи, находящиесявнутри свернутой белковой глобулы, являются а-спиралями или же (β-структурами, другие принимают нерегулярные, но вполне определенные конформаций(coil-участки).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
