Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Такое состояние термодинамически равновесно, стабильно в постоянных условиях и называется сгатистическим клубком. Клубок качественно отличается от другого предельного состояния — нативной трехмерной структуры белка, поскольку это уже не детерминантная пространственная форма, а огромное множество близких по энергии, непрерывно флуктуирующнх и преимущественно свернутых, но тем не менее рыхлых конформаций. Если физические и химические свойства аминокислотной последовательности в физиологических условиях строго детерминированы пространственной структурой белка, то свойства той же последовательности, полностью денатурированной, обусловлены статистической природой клубка. По отнозпению к этому состоянию теряют смысл такие понятия, как геометрия трехмерной структуры, функциональная специфичность, взаимообусловленность, кооперативность состояний различных часгей цепи и т.д., одним словом, те понятия, которые отражают уникальность свойств аминокислотной последовательносги каждой белковой макромолекулы в естественном, физиологически активном состоянии.
Детерминация цативной трехмерной структуры белка, однако, не означает ее статичность и полное отсутствие флуктуаций. Детальное представление о натнвных коиформациях белков основано почти исключительно на результатах рентгеноструктурного анализа. Спектральные методы конформацнонного исследования белков в растворе пока не имеют в определении геометрии макромолекул самостоятельного значения.
Однако они могут быть полезными в изучении ряда свойств белков и обнаружении связанных с ними новых явлений. Так, некоторые спектральные методы чувствительны к конформацнонным состояниям, внешнему окружению и изменениям положений атомных групп в сз руктуре белковой макромолекулы и даже к небольшим перемещениям отдельных атомов. Интерпретация подобных фактов тем не менее осуществляется в основном с помощью рентге ноструктурных моделей.
340 Долгое время существовало опасение, что пространственное строение белков в условиях кристаллической решетки отличается от строения в растворе. Однако, как утверждали Крик, Кендрью и Перутц еще до расшифровки первых рентгенограмм белков и получения бесспорных доказательств, это опасение лишено серьезных оснований. Сейчас очевидно (Дж. Рапли [6], Б. Мэтьюз [7]), что различия в конформациях белков в кристалле и растворе могут явиться скорее редким исключением [6 — 9], чем правилом, и коснуться положений некоторых боковых цепей на периферии глобулы.
Усгойчивость нативной конформации белка неудивительна, если учесть, что для кристаллов белков характерна высокая степень гидратации [приблизительно половина их объема занята водой), а также слабость и немногочисленность [в расчете на одну молекулу) межмолекулярных контактов в кристаллической решетке, Поэтому белок в кристалле находится примерно в том же состоянии, что и в растворе, и, как правило, сохраняет свою физиологическую активность. Термодинамическое состояние аминокислотной последовательности определяется взаимодействиями атомов основной и боковой цепей в пределах каждого осгатка и взаимодействиями остатков между собой и с молекулами окружения, прежде всего молекулами воды. Рассмотрим некоторые характерные для нативного состояния белковой молекулы особенности этих взаимодействий. Они были выяснены путем непосредственного наблюдения и соответствующей математической обработки моделей известных кристаллографических структур белков.
Проведенный анализ позволил получить представление о характере распределения различных остатков на поверхности глобулы и в ее внутренней части, а также о плотности упаковки атомов и их доступности молекулам растворителя. Б. Ли и Ф. Рихарде [10] впервые в 1971 г., а позднее А. Шрейк н Дж. Ралли [11], введя определенные геометрические критерии, учитывающие контактные радиусы, число возможных межатомных взаимодействий и размеры молекул растворителя, рассчитали степень экспонированности атомов на поверхности белковой глобулы и таким образом определили статистическую доступность аминокислотных остатков молекулам растворителя. Оценки, сделанные для небольших белков [миоглобина, лизоцима и рибонуклеазы Б), показали, что средняя доступность атомов независимо от их полярности в иативной конформации приблизительно в три раза меньше, чем у гипотетической полностью растянутой аминокислотной последовательности.
С. 'потна, использовав тот же метод на большом числе объектов, нашел линейную зависимость между уменьшением доступной растворителю площади при свертывании аминокислотной последовательности и молекулярной массой белка [12]. Наибольший интерес при анализе кристаллографических моделей, естественно, представлял вопрос о характере распределения в белковой глобуле полярных и неполярных остатков. Полученные здесь результаты оказались неожиданными, поскольку они далеко не в полной мере согласовывались с представлением о доминантной роли гидро- 34! фобных взаимодействий, как, впрочем, и водородных связей, в пространственной организации белка. Результаты противоречили той общепринятой трактовке гидрофобных взаимодействий, согласно которой белковая глобула состоит из гидрофобного ядра и полярной оболочки.
Гидрофобная модель согласуется с идеями Ленгмюра и Козмана. В частности, она базируется на спорном предположении о возможности строгого деления стандартных аминокислот на полярные [гидрофильные) и неполярные (гидрофобные). Это крайне затрудняет, если не исключает, трансформацию феноменологической концепции Козмана, в принципе правильно трактующей природу гидрофобных взаимодействий, в количественную теорию сгруктурной организации нативной конформации белка.
Четкой границы между аминокислотными остатками нельзя провести, по крайней мере, по трем причинам. Во-первых, имеется представительная промежуточная группа аминокислот; во-вторых, у большинства полярных остатков, несущих даже целочисленные заряды, значительную часть боковых цепей составляют неполярные атомные группы и, в-третьих, пептидные связи основной цепи, безусловно являющиеся полярными, даже если они образуют между собой водородные связи, принадлежат всем остаткам.
Не спасает, а еще более запутывает предположение об отнесении к полярным и неполярным группировкам не целых аминокислотных остатков, а их отдельных частей (в этом случае каждый остаток делится на две, а чаще всего на три атомные группы). Пространственно отделить многочисленные полярные группы от неполярных и образовать из первых гидрофильную оболочку глобулы, а из вторых — гидрофобное ядро не представляется возможным (при данной валентной схеме) в силу несопоставимости частей и целого.
Анализы кристаллографических моделей белков, проведенные И. Клотцем [13), Б. Ли и Ф. Рихардсом [10), не выявили тенденции так называемых полярных остатков находиться на поверхности, а неполярных — во внутренней части глобулы, Расчеты показали, что половина поверхности, экспонированной к расгворителю, состоит из углеводородных атомных групп так называемых полярных остатков и боковых цепей неполярных остатков, в то время как многие полярные группы экранированы от растворителя и находятся не на периферии, а в интерьере пространственной структуры белка. И.
Кунтц, рассматривая модель карбоксипептидазы, пришел к выводу о преимущественном расположении внутренних неполярных боковых цепей в промежуточных между а-спиралями и 3-структурами областях [14). По предположению Кунтца, назначение таких неполярных контактов заключается в стабилизации третичной структуры белка посредством дисперсионных взаимодействий между вторичными структурами. Такое же заключение сделал г!отиа из анализа расположения полярных и неполярных остатков в а-спиралях, В-структурах в экспоннрованной к растворителю поверхности шести белков [12!. Однако Танака и 1Верага показали, что контактные области вторичных структур содержат как полярные, так и неполярные аминокислотные остатки [15, 16).
В 1978 г. Д. Усртц и Г. Б!врага проанализировали распре- 342 деление различных остатков во внутренних областях и на поверхности глобул 20 белков в зависимости от их конформационного состояния (а- спирального, 0-структурного и нерегулярного) [17]. Четких закономерностей в распределении полярных и неполярных остатков найдено не было; отмечено лишь, что [3-структуры находятся преимущественно внутри глобулы, а нерегулярные свернутые формы — на ее поверхности, что, очевидно, по-другому быть не может.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
