Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Доменная структура ХА0(никотинамидадениндинуклеотид)-зависимых дегидрогеназ, как и у иммуноглобулинов, связывается со слиянием генов. У лактатдегидрогеназы, малатдегидрогеназы, алкогольдегидрогеназы и глицеральдегид-3-фосфатдегндрогеназы один из структурных доменов везде выполняет одну функцию, являясь [чА1)-связывающим центром. В связи с этим он отличается в ряду перечисленных ферментов большим постоянством в своем химическом и пространственном строении [226). В два домена складываются также полипептидные цепи фосфоглицераткиназы и гексакиназы [227 — 229). Впервые обратили внимание на домены как на важную и характерную особенность нативных конформаций глобулярных белков Д.
Уетлауфер [230] и М. Россманн и А. Лильяс [197). Д. Уетлауфер объясняет существование доменов спецификой механизма самопроизвольной сборки белковой аминокислотной последовательности в нативную конформацию. Он различает два вида доменов с непрерывной и прерывной полипептидной цепью, из которых наибольшее значение придает первому виду. Элементом, цементирующим структуру домена, считается ядро (нуклеация) из 8 — 18 остатков, образование которого при беспорядочном поиске может быть осуп(ествлено за разумный в биологической шкале времени период.
Ядро служит матрицей для укладки полипептидной цепи домена. размер которого определен в 40— 150 остатков. Такая организация домена, напоминающая описанную Филлипсом организацию "компактных глобулярных блоков" лизоцима, обеспечивает быструю спонтанную сборку всей структуры белка [219). Одним из самых важных условий такой сборки, по мнению Уетлауфера, является непрерывность образующей домен цепи. Только в этом случае возможно, во-первых, максимально быстрое возникновение нуклеации и, во-вторых, быстрый рост до размера домена„поскольку потери времени на диффузию и ориентацию при добавлении к структуре нуклеации соседних в последовательности остатков будут меньше, чем при добавлении удаленных остатков. Поэтому домены, образованные из одной непрерывной цепи, должны возникать первыми и превалировать над доменами из двух (и более) цепей, что и наблюдается.
Соображение Р. Дулиттла о том, что отдельные домены сложных 308 белков кодируются разными экзонами, получило подтверждение и дальнейшее развитие в исследованиях, посвященных влиянию особенностей структуры гена на скорость сворачивания кодируемого белка [231]. И. Парвис и соавт. [232] идентифицировали в составе гена трехдоменной пируваткииазы участок, отвечающий продолжительной паузе в трансляции аминокислотной последовательности.
Подобные паузы необходимы, как полагают авторы, для обеспечения правильной сборки мультидоменных белков [п ичо [231 — 234]. Н.К. Наградова и В.И. Муронец [235], говоря о важности доменной организации белковых молекул, идут дальше. Они считают, что образование доменов является общим принципом формирования трехмерных структур ферментов, которые только благодаря этому обретают возможность осуществлять биокатализ. "Стало очевидно — пишут они,— что основные свойства ферментов, обеспечивающие как реализацию катализа, так и регуляцию его эффективности, в той или иной степени определяются их мультидомеиной структурой" [235. С. 7]. Поскольку известно много однодоменных ферментов, то такое обобщение вряд ли можно считать очевидным.
М. Россманн и А. Лнльяс [197] также отметили большую распространенность доменной организации белков и важность ее изучения для лучшего понимания механизма свертывания полипептидной цепи и установления зависимости между структурой и функцией. Для выявления и сравнения структурных доменов они предложили использовать карты межостаточных контактов, впервые построенные Филлипсом [236]. Карта представляет собой диаграмму, на обеих осях которой нанесена аминокислотная последовательность белка, а на пересечении идущих от отстатков горизонталей и вертикалей указаны расстояния между соответствующими атомами С .
Одинаковые расстояния соединяются линиями, и карта приобретает контурный вид. Оказалось, что с помощью такого двумерного графа легко обнаруживаются домены и характер их пространственной организации. И. Кунтц [237] показал, что карты межостаточных контактов чувствительны к вторичным и супервторичным структурам, и связал виды этих структур с профилем контурной карты. Четкой корреляции между доменной организацией и размером белка не существует. Например, трехмерные структуры белка бактериохлорофилла (-330 остатков), карбоксипептидазы (307) и субтилизина (275) представляют собой цельные глобулы, а структуры значительно меныпих белков, например лизоцима Т4 (164) и протеиназы 13 (186), состоят из двух доменов.
Отсутствует какая-либо связь между доменной организацией и содержанием в белке вторичных структур. Известны домены, в которых а-спирали и В-структуры составляют около 50% (термолизин), и такие, где они вообще отсутствуют (центральный домен из 200 остатков Туг — тРНК-сиитетазы). Рассмотрев супервторичные структуры и домены — два новых конформационных уровня, введенных Шульцем и Ширмером в схему структурной организации глобулярных белков (рис.
11.4), — обратимся вновь к этой схеме, чтобы ответить на ряд вопросов. Первый и самый 309 главный вопрос, который определяет ценность любого научного достижения, заключается в установлении сферы действия полученных данных или сделанных обобщений. Справедлива ли для всех глобулярных белков утверждаемая схемой Шульца и Ширмера иерархическая ступенчатая связь между порядком расположения аминокислот в полипептидной цепи н нативной конформацией белковой молекулы через последовательное образование вторичных структур, супервторичных структур и доменов? Ответ на этот вопрос отрицателен.
Схема лишена общности, она не отражает структурной организации подавляющего болыпннства глобулярных белков. Основанием для такого заключения служат многочисленные факты существования белков, трехмерные структуры которых, во-первых, вообще не содержат регулярных участков полипептидной цепи, т.е. вторичных структур (ферродоксин, фосфолипаза, агглютинин и др.); во-вторых, имеют домены, которые не включают вторичные и супервторичные структуры (например, Туг — тРНК-синтетаза); в-третьих, состоят из более чем наполовину нерегулярных, компактным образом уложенных полипептидных цепей (папани, химотрипсин, эластаза — на 65%; стафилококковая нуклеаза — на 70%; лизоцим, нуклеаза, рибонуклеаза — на 60% и т.д.); в-четвертых, не обладают доменной организацией (более половины глобулярных белков, пространственное строение которых известно).
Быть может, схема Шульца и Ширмера правильно передает взаимоотношения между различными конформационными уровнями у части соединений данного класса с доминирующим содержанием вторичных и супервторичных структур? При справедливости в этом случае, пусть частичном, ценность схемы полностью не пропадает, поскольку тогда путь к установлению обобщенного для всех глобулярных белков плана структурной организации неминуемо, как от простого к сложному, пройдет через познание деталей схемы. Ведь не может же быть сомнений в наличии единой физической основы укладки белковых цепей в полностью иррегулярные конформации и в конформации, состоящие из а-спиралей и р-структур.
Для решения вопроса о применимости обсуждаемой схемы к ограниченному кругу белков рассмотрим конкретный пример с а-химотрипсином — белком, который во всех работах последних лет, вслед за Левиттом и Чотиа [218[, относят к группе (0) и структурную организацию которого трактуют в полном соответствии со схемой Шульца и Ширмера через ассоциацию вторичных структур в супервторичные, последние в домены, домены в окончательную трехмерную физиологически активную структуру. а-Химотрипсин представляет собой трехцепочечный белок с коротким участком А (13 остатков) и более длиннымн участками В н С (соответственио 131 и 97 остатков), которые образуются при активации химотрипсиногена А, посредством расщепления его трипсином.
На рис. И.7 показан ход основной цепи нативиой конформации фермента, полученной Бнрктофтом н Блоу при рент~еноструктурном исследовании белка с разрешением 2,0 А [221]. Считается, что трехмерная структура а-химотрипсиьа включает два домена, один нз которых составляет 1ч-концевой участок (1 — 128), 310 Р и с. ПЛ. Ход поиииептидиой цепи а-химотрипсииа (22Ц а другой — С-концевой (129 — 245).
В данном случае такое разделение глобулы белка условно, поскольку домены явно не проявляются на картах электронной плотности н лишь с трудом обнаруживаются специальным корреляционным методом, учитывающим взаимное расположение остатков в линейной последовательности и пространстве. Каждый из доменов содержит по семи б-тяжей, которые обрз уют четыре антипараллельных Д-складчать7х листа и дае супервторичные структуры (Дф), также с антипараллельным ходом цепи.
Размер ф-структур колеблется от трех остатков до семи. Второй домен, кроме того, включает две а-спирали из восьми и десяти остатков. Из 24! остатка, образующего белок, в Д-структуры входят 66 остатков (27%). а в а-спнрали — 18 (7%). Таким образом, две трети остатков а-химо- 311 Р н с. !!.8. Схема уровней структурной организации а-химотрипсииа (по Шульцу и Ширмеру) 1!57] трипсина образуют нерегулярные области нативной конформации. Заметим, что и выделенные вторичные структуры также не отличаются регулярностью.
Разброс значений углов, усредненных по 14 !1-структурам, равен около 70', а углов ф — 45'! уа-спиралей разброс углов гр составляет 65', а ф — 60'. Теперь, следуя схеме Шульца н Ширмера (рис. П.4), опишем образование нативной конформации фермента, а затем сопоставим предполагаемый ступенчатый процесс ее образования с приведенными выше опытными фактами. Конечно, речь не идет о строгом доказательстве соответствия гипотетического представления реальнойкартине. Вопрос заключается только в выяснении возможности описания спонтанного процесса свертывания белковой цепи в нативную конформацию через регулярные структуры разных степеней сложности.
На рис. 11.8 изображены уровни структурной организации а-химотрипсина, отвечающие схеме Шульца и Ширмера. Сначала на локальных участках неструктурированной белковой цепи образуются короткие регулярныс 9-тяжи и а-спирали, которые, как считают, энергетически более предпочтительны по сравнению с любыми другими структурами н поэтому возникают прежде всего. После возникновения единичных вторичных структур создаются !1-складчатые листы и супервторичные структуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
