Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Для рассмотрения были выбраны такие объекты, которые были интересны в отношении своей структурно-функциональной организации и в то же время наглядно иллюстрировали сегодняшние достижения кристаллографии белков. К ним, безусловно, относятся ДНК-связывающие белки, принимающие прямое участие как в создании генетического аппарата, так и на всех стадиях его функционирования. Предварительно приводится несколько соображений общего характера о специфических особенностях структурной организации белков и двухцепочечных молекул ДНК. Белки фактически являются единственным классом соединений, химические свойства которых нельзя непосредственно соотнести с химическим строением молекул.
Их поведение и исключительная роль в процессах жизнедеятельности определяются особой, только им присущей молекулярной структурной организацией. За единичными исключениями лишь белковые цепи способны самопроизвольно свертываться в строго детерминированные структуры, геометрия и конформационная динамика которых обусловлены аминокислотной последовательностью. Белки несопоставимы по своему функциональному разнообразию с действиями какого-либо другого класса молекул живой и неживой природы. В то же время, при функциональной универсальности природных аминокислотных последовательностей свойства каждого отдельного белка уникальны в отношении физиологической функции, механизма ее реализации, зависимости от внешних условий, природы лиганда н растворителя.
Очевидно, поэтому назначение генетического аппарата любого организма сведено к хранению информации только о белках и их синтезе, а биосистемы всех уровней, включая молекулярный, можно считать "произведениями" белков. Последние не только синтезируют почти все соединения живой природы, но и способствуют приданию им пространственной формы, необходимой для протекания процессовжизнедеятельности. Таким образом, белок — это активное начало всего живого, а его способность к структурной организации собственной аминокислотной последовательности и других молекул является элементарным фундаментальным качеством живой материи, которое обусловливает специфические особенности биологических систем всех последующих уровней.
Своеобразие белков особенно отчетливо проявляется при сопоставлении с молекулами другого важнейшего класса природных соединений, дезоксирибонуклеиновых кислот. Бали белок является активным началом живой материи, то ДНК следует отнести к ее потенциальному началу, которое, однако, молекула нуклеиновой кислоты не в состоянии самостоятельно реализовать ни в отношении собственной пространственной формы, ни в отношении своей функции. 108 Т а б л и ц а!.7 Сиоросгн юмеиеиня иминоииглотиык иогледовательностеа беллов ив иротлжеиин эвалюянонного времени [401] Еднннпа эволмцнонного Ециница эволюционного времени, млн. лет Белок врснснн,мян.лет Фнбриноиеипьа Гемоглобин 1,2 6,1 Цитокром с Гисгон Н4 21,0 600,0 Единица эволюционного времени — срсднсс врем», нсобкодинос длв того, чтобы а данном белке на каждые!(Ю сто «нннокнсягмныя остатков могла появиться одна приемлемая эамсна.
дюбая биологически целенаправленная активация ДНК происходит только под воздействием белков и при их непременном участии на всех стадиях последующего процесса. Проявление функциональных свойств ДНК немыслимо без участия множества различных так называемых ДНК-связывающих белков. В эукариотических клетках они традиционно подразделяются на две группы — гистоновые белки, участвующие в создании определенной структуры ДНК внутри клеточного ядра, и негистоновые белки, обеспечивающие биосинтез РНК. Ниже рассматриваются результаты рентгеноструктурного анализа гистонов и [3- галактозидазы, представителей обеих групп ДНК-связывающих белков. Структура гистонового кора нуклеосомы.
Гистоны объединяют пять разновидностей небольших структурных белков Н1, Н2А, Н2В, НЗ и Н4, аминокислотные последовательности которых содержат соответственно 220, 128, 124, 134 и 102 остатков. Они обеспечивают плотную упаковку двойной спирали ДНК, которая в растянутом состоянии имеет большую длину. Например, в каждой хромосоме человека она составляет в среднем около 5 см. Поэтому компактизация ДИК с помощью гистонов необходима прежде всего для упорядоченного расположения длинной двухцепочечной полинуклеиновой кислоты в небольшом объеме клеточного ядра.
Однако не только для этого: характер упаковки ДНК влияет на активность соответствующих участков генома. Следовательно, его гистоновая структурная организация является одним из способов регуляции и контроля транскрипции РНК с ДНК. Аминокислотные последовательности гистонов содержат около четверти положительно заряженных остатков Ьуб и Агй, что позволяет им эффективно связываться с двойной спиралью ДНК, независимо от ее нуклеотидного состава.
Гистоны, особенно Н2А, Н2В, НЗ и Н4, относятся к самым консервативным из известных белков. В табл.1.7 сопоставлены скорости изменений аминокислотных последовательностей ряда белков и гистона Н4 на протяжении эволюционного времени. Приведенные цифры позволяют считать, что в гемоглобине вредными оказываются примерно четыре из каждых пяти случайных аминокислотных замен, в цитохроме с — 17 из каждых 18, в гистоне же Н4 невредных замен практически нет. Поскольку все пары оснований ДНК подвержены случайным мутациям в равной мере, то эволюционная стабильность гистонов предполагает их чрезвычайно ответственную роль в организации и функционировании генетического аппарата.
Гистоны составляют около половины массы хромосомы, где они участвуют в организации нескольких уровней упаковки двойной спирали ДНК. Вместе с другими белками гистоны образуют с ДНК комплексы, названные хроматином. Впервые Р. Корнберг в 1974 г. выделил повторяющуюся структурную единицу хроматина и вместе с Дж.
Томасом установил, что она состоит из белковой сердцевины октамерного кора, содержащего по две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4, и фрагмента двойной спирали ДНК [402, 403). Р. Симпсон предположил, что двухцепочечная ДНК закручена вокруг гисгонового кора и образует два витка суперспирали из 165 пар оснований [404[, Позднее эта цифра была исправлена А. Клагом и соавт, на 146 [405). Обнаруженная структурная единица хроматина получила название нуклеосомы [406]. Исследования гистонового кора с помощью различных физико-химических методов показали, что октамер представляет собой гетерогенный белковый ансамбль [Н2АН2 — НЗ-Н4)з, состоящий из трех структурных субъединиц: тетрамера [НЗ вЂ” Н4)з и двух димеров [Н2А-Н2В).
Двойная спираль ДНК в хроматине тянется как непрерывная нить от одной нуклеосомы к другой. Расположенные между нуклеосомами линейные линкерные участки ДНК имеют разную длину, которая обычно невелика и в среднем составляет 60 нуклеотидов. Нуклеосомная нить определяет более высокие уровни компактизации хроматина. В конечном счете, он предстает в электронном микроскопе в виде так называемой 30нмхроматиновой фибриллы.
За укладку нуклеосомной нити в составе хроматиновой фибриллы отвечает гнстон Н1. Центральная часть его молекулы представляет собой глобулу, которая взаимодействует со специфическим учаспсом нуклеосомы. Х- и С-концевые фрагменты белка имеют вытянутыс формы. Один из них [Х-) ассоциирован с предшествующей линкерной ДНК в области ее контакта с нуклеосомной частицей, а другой — с гнстоновым кором последующей нуклеосомы. Кроме того, замечено, что свободная молекула Н1 легче взаимодействует с ДНК в непосредственной близости от другой, уже присоединившейся молекулы гистона, чем отдельно от нее [407). Этим обусловлена склонность белков Н1 связываться с ДНК группами по восемь и более молекул. Предполагается, что взаимодействие такого типа, названное кооперативным связыванием, лежит в основе активации генов.
Вызванная им конденсация молекул гистона Н1 превращает некоторые хроматнновыс участки в своеобразные микрокристаллы, "плавлсние" которых под действием внешнего регуляторного сигнала ведет к разрушению гистонового кластера и локальной перестройке хроматина [401, 408[. Вернемся, однако, к гнстоновому кору нуклеосомы, главному 1!0 объекту нашего рассмотрения. Выяснение его внутренней структурной организации и взаимодействий с двойной спиралью ДНК началось, как уже отмечалось, в 1974 г.
[402]. Вскоре структура октамера была изучена в растворе методами малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей с разрешением — 20 А [409-411] и в кристаллическом состоянии — с помощью рентгеноструктурного анализа в работах [405, 412, 413] (разрешение — 22А), [414] (7,0 А) и [415, 416] (3,5 А). Согласно кристаллографическим данным Р.
Берлингейма и соавт., исследовавших чистый гистоновый кор эритроцита цыпленка, октамер имеет форму эллипсоида 1!О А в длину и 65 — 70 А в диаметре [416]. Предложенная авторами этой работы модель состояла из трех частей: центрального тетрамера (НЗ-Н4)з и расположенных на его противоположных сторонах двух димеров (Н2А — Н2В). Однако как форма, так и размеры октамера существенно отличались от параметров, полученных в ряде других исследований [405, 412-414]. Повторный рентгеноструктурный анализ, проведенный Берлингеймом и соавт. [415, 416], привел к внешним размерам гистонового кора, которые совпали с данными других работ (высота - 55 А, диаметр — 70 А) [417, 418].
Некоторым авторам трехмерная структура гистонового кора напоминает плоский диск, другим шпильку или катушку, третьим клин. При таком разновидении ясно лишь одно — структура октамера достаточно сложна и не имеет прямых аналогий. Более детальное обсуждение геометрии комплекса (Н2А-Н2В-НЗ вЂ” Н4)з может опираться только на результаты последующих исследований, так как они получены с разрешением 3,1 А, уже позволяющим идентифицировать конформационные состояния аминокислотных остатков и даже отдельных боковых цепей [417, 418]. Ранее, при рентгеноструктурном анализе целой нуклеосомы было показано, что правая двойная спираль ДНК закручена, вокруг гистонового кора в виде левой суперспирали с внутренним диаметром — 70 А и длиной — 55 А [404, 409, 412].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
