Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 58
Текст из файла (страница 58)
На это указывает вся совокупность результатов исследования белка и синтетических полипептидов методами седиментации, диффузии, светорассеяния, рснтгеноструктурного анализа, нейтронографии, рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами, электронной микроскопии. Какие же факторы определяют плотную упаковку полипептидной белковой цепи, т.е. стабильность трехмерной структуры? Это одна из центральных проблем пространственной организации молекул белка.
В данной главе она будет рассмотрена с той полнотой, которая отвечает состоянию структурных исследований белков в период 1950 — 1960-х годов. В следующем томе после анализа нового экспериментального и 231 теоретического материала обсуждение этой проблемы будет продолжено. Из общих соображений следует, что трехмерная структура белка обусловлена не сильными химическими, а слабыми нсвалентными взаимодействиями атомов звеньев полипептидной цепи.
Единственными ковалентными связями в белковой глобуле между далеко отстоящими участками цели являются дисульфидные связи между остатками цистеина. Наличие нескольких дисульфидных "сшивок", конечно, накладывает заметные ограничения на конформационную свободу белка. Однако нельзя сказать, что 8-8-мостики определяют плотную упаковку молекулы. Далеко не все белки содержат остатки цистеина. Дисульфидные связи отсутствуют, например, в последовательностях миоглобина, гемоглобина, белка вируса табачной мозаики, нуклеазы стафилококка. Между тем эти белки имеют четко фиксированную глобулярную форму и не отличаются меньшей плотностью. С другой стороны, каучук, вулканизированный серой, сохраняет свойства статистического клубка, несмотря на наличие ди- и полисульфидных мостиков.
Изучение обратимой денатурации белков с разрывом и последующим спонтанным восстановлением первоначальных дисульфндных связей, прежде всего исследование К. Анфннсена [71 денатурации и ренатурации рибонуклеазы А, склоняет к предположению, что не 8 — 8-мостики создают нативную структуру, а, напротив, структура, формирующаяся за счет слабых взаимодействий, приводит к сближению вполне определенные остатки цистеина и тем самым обусловливает избирательное образование системы дисульфидных связей.
Таким образом, можно заключить, что белковую глобулу создают слабые невалентные взаимодействия. Невалентные взаимодействия в водорастворимом белке могут возникать между пептидными группами основной цепи, между боковыми цепями аминокислатных остатков, между звеньями основной цепи и боковыми цепями. Кроме того, поскольку белок сохраняет свою нативиую конформацию и функционирует только в водном растворе при определенных, так называемых физиологических значениях рН и ионной силы, то структура определяется также взаимодействиями белка с молекулами воды и находящимися в ней соединениями и ионами. Окружающая среда, помимо этого, оказывает конкурирующее и иное влияние на внутримолекулярные взаимодействия.
Рассмотрим сложившееся мнение о природе перечисленных взаимодействий, об их вкладах в конформационную энергию и, следовательно, влиянии на стабильность пространственной структуры белковой молекулы. 7,1. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ Давно утвердилось представление о том, что главной силой, формирующей структуру белка, является водородная связь между пептидными группами основной цепи.
Еще Астбери в 1933 г. предполагал, что а-кератин имеет форму вытянутых целей, удерживаемых вместе водородными связями [8[, А. Мирский и Л. Полииг были первыми, кто в 232 1936 г, постуляровал доминирующее влияние этих связей на структуру белка [6). В 1940 г. Полинг писал: "Из сил, участвующих в сохранении иативиой конформации белка, водородные связи являются, вероятно, наиболее важными" [9. С. 2656).
В первых моделях пространственного строения белковых молекул водородная связь служила главным стабилизирующим фактором. Молекулы фибриллярных белков представлялись слоистыми структурами, а молекулы глобулярных белков — пакетом слоистых структур, состоящих или из плоских пептидных цепей, скрепленных водородными связями, или из свернутых, регулярных цепей, также стабилизированных внутренними водородными связями. Отклонение от регулярности, повороты цепей и нарушение оптимальных условий образования виутримолекулярных водородных связей допускались лишь в местах аминокислотной последовательности, где находятся остатки пролина. Среди тех, кто считал водородную связь не только главной, но и единственной упаковочной силой, был М. Хаггинс [10, 11). Все предложенные им структуры полипептидов были полностью насыщены водородными связями. Этот же принцип был положен в основу конструирования пептидных моделей Л.
Брэггом, Дж. Кендрью и М. Перутцсм [12), а также а-спирали и В-структуры складчатых листов Л. Полингом и Р. Кори [1, 2). Представление об исключительной роли водородных связей неизбежно следует из имеющегося в то время экспериментального материала, который свидетельствовал о структурном единстве фибриллярных и глобулярных белков и синтетических полипептидов.
Как в твердом состоянии, так и в растворе пептидные цепи тех и других белков наблюдались в однотипных спиральных или [3-структурных конформациях, т.е. в таких формах, которые только и могли обеспечить полную насыщенность водородными связями между пептидными группами. Следовательно, в силу взаимообусловленности концепций спиральности и водородного связывания утверждение, что наиболее стабильные полипептидиые структуры регулярны, эквивалентно утверждению: полипептидные структуры содержат 100%-нос количество пептидных водородных связей. Среди всех видов слабых невалентных взаимодействий атомов водородная связь максимально понижает энергию системы.
Л. Полинг и Р. Кори оценивали энергию пептидной водородной связи [9-Н...О=С вЂ” 8,0 ккал/моль. Заметим, что эта величина по крайней мере в два раза выше ее реального значения. В связи с чем вполне оправданно выглядит предположение,что водородная связь вносит вклад в стабилизацию регулярных структур полипептидного остова или, иными словами, является тем фактором, котоРый диктует способ укладки полипептидной цепи. Так как водородная связь обладает направленностью и проявляется в узком интервале Расстояний между группами ХН и СО около 1,8 А, то, очевидно, наиболее предпочтительными должны быть те регулярные конформации, которые обеспечивают для образования водородных связей между всеми пептидными группами оптимальные условия.
Именно такими конформациями оказались а-спираль и [3-структура складчатых листов, 233 предсказанные Полингом и Кори и обнаруженные у синтетических полипептидов и фибриллярных и глобулярных белков. Квантовомеханическая теория водородной связи, развитая в 1957 г К. Коулсоном [13) и Н.Д. Соколовым [14), основана на представлении о ее донорно-акцепторной природе, обусловленной обобществлением неподеленной пары электронов. В системе А-Н...В связь А-Н находится в промежуточном между ионным (А=Н') и ковалентным состояниями, Вследствие уменьшения электронной плотности вблизи атома Н уменыпается и отталкивание между водородом и атомом В. Кроме того, появляется дополнительное притяжение между Н и В, вызванное перераспределением электронной плотности у атома В в поле атома Н и участием электронов неподеленной пары в качестве связывающих, Н.Д.
Соколовым получено количественное истолкование спектроскопических проявлений водородной связи: значительное смещение частоты валентного колебания А-Н в длинноволновую область и резкое увеличение интенсивности инфракрасной полосы поглощения этого колебания. Было также показано, что первой стадией процесса межмолекулярного или внутримолекулярного перехода протона всегда является образование водородной связи. Водородная связь формирует структуру воды и определяет многие ее свойства.
Количественная оценка энергии водородной связи на основе квантовой механики пока еще сложна и мало надежна, поэтому используют эмпирический подход, Впервые потенциальную функцию водородной связи предложили Е. Липпннкотт и Р. Шредер [15, 16). Функция очень громоздка, содержит много параметров, трудноопределяемых из экспериментальных данных и не имеющих ясного физического смысла, Потенциал Липпинкотта и Шредера непригоден для описания водородной связи в различных средах.
У. Маултон и соавт. модифицировали функцию, введя в нее угловую зависимость энергии водородной связи от ее направленности [17). В таком варианте потенциал Липпинкотта н Шредера был использован Г.Шерагой и соавт. при исследовании пространственной структуры полипептидов [18, 19). Следующая попытка описать водородную связь принадлежит А. Ликвори и соавт. [20), которые приняли электростатическую модель связи и использовали зависимость У. Штокмаера [2Ц, описывающую взаимодействия полярных молекул.
Д. Поландом н Г. Шерагой предложена функция водородного связывания, содержащая один член в форме потенциала Леннарда-Джонса, а другой — в кулоновской форме [22). В работе Е.М. Попова и соавт. [23) водородная связь рассматривалась как донорно-акцепторное взаимодействие и была аппрокснмирована потенциальной функцией в форме потенциала П. Морзе [24). Из трех параметров этой функции два определяются непосредственно из опыта, к ним относится энергия днссоциации водородной связи н равновесная длина, Третий эмпирический параметр подбирается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
