Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Такая формулировка, однако, страдает неопределенностью, поскольку понятии "живая и неживая материя", "мельчайшие кирпичики" и им подобные лишены необходимой конкретности и скорее могут быть отнесены к собирательным, фило- 49 софским, нежели научным, категориям. Проблему структурной организации биологических молекул целесообразно разделить на две части— внутреннюю и внешнюю, и рассматривать их раздельно.

В первой, внутренней части, речь идет о соединениях, синтезнруемых в клетках микроорганизмов, растений н животных, н поиске ответов на вопросы о том, в чем состоит специфика молекулярной структурной организации биологических объектов, все ли онн наделены ею и в какой степени. Во второй части после выявления соединений, в которых специфическая организация представлена наиболее ярко, проблема получает окончательное решение при сопоставлении молекулярных свойств типичных представителей биологических и неорганических систем.

Среди многочисленных компонентов биосистем молекулярного уровня исключительная роль в процессах жизнедеятельности, бесспорно, принадлежит белкам. Активно участвуя практически во всех протекающих в клетках и организме процессах, они наделены поистине универсальными биофизическими и биохимическими свойствами, Белки обладают способностью к взаимному превращению всех необходимых для жизни видов энергии: тепловой, механической, химической, электрической и световой.

Кроме того, они входят в состав соединительных и костных тканей, кожи, волос и других структурных элементов всех уровней живого организма, выполняя динамическую опорную функцию н обеспечивая нежесткую взаимосвязь органов, их механическую целостность и защиту. Нет смысла перечислять все функции белков, спектр нх действия огромен. Отметим лишь, что по разнообразию своих физических н химических проявлений белки несопоставимы с возможностями любого другого класса соединений живой и неживой природы.

Они "умеют" делать все, и именно поэтому назначение генетического аппарата любого живого организма сведено к хранению информации только о белках и к их синтезу. Биосистемы всех уровней, в том числе и молекулярного, можно считать "произведениями" белков. При функциональной универсальности природных аминокислотных последовательностей деятельность каждого отдельного представителя этого класса уникальна в отношении функции, механизма действия, природы лиганда и внешней среды. И, наконец, белки проявляют высочайшую активность в физиологических, мягких условиях и не образуют при своем функционировании побочных продуктов. Ничем подобным, как по ширине функционального спектра, так и специфичности и эффективности реализации любой функции этого спектра, не обладает ни один класс искусственных, синтезированных человеком соединений. Таким образом, из всего того, что составляет молекулярный уровень биосистем, только белки (или прежде всего белки) могут быть ответственны за фундаментальные особенности живого — великое разнообразие органического мира, избирательность и эффективность процессов жизнедеятельности, наличие активного начала и удивительной целесообразности в организации живой материи.

Количество различных белков, участвую|цих в функционировании организма, определяет его морфологическую и физиологическую сложность, а следовательно, и положение в иерархической организации живой природы. Чем же могут быть обусловлены столь необычные как по своему характеру, так и разно- 50 образию свойства белковых молекул, представляющие собой исторические объекты, возникшие и изменяющиеся в процессе эволюционного развитияу Прежде всего, белки уникальны в отношении химического строения.

Это гетерогенные нерегулярные полипептидные последовательности 2б сг-аминокислот и их производных, включающих самые разнообразные по своим химическим и физическим свойствам, т.е. валентным и невалентным взаимодействиям, атомные группы. В химическом построении белковых молекул уже можно усмотреть огромные потенциальные возможности к вариации физико-химических свойств. И в то же время белки представляют собой фактически единственный класс соединений, химические свойства которых нельзя непосредственно соотнести с химическим строением молекул.

Поведение белков всецело определяется исключительной, присущей только им пространственной структурной органюацией. Лишаясь ее, белки теряют все свои биологические свойства. За редким исключением, лишь белковые цепи способны самопроизвольно свертываться в строго детерминированные структуры, геометрия и конформационная динамика которых в физиологических (нативных) условиях полностью определяются аминокислотной последовательностью. Трехмерные структуры белков индивидуализированы, очень сложны и имеют строгий порядок, не сводящийся, однако, к периодичности.

Способность природной полипептидной цепи к пространственной самоорганизации и обретению определенной молекулярной структуры — самая яркая особенность белков, отсутствующая у молекул искусственных полимеров, в том числе у полученных человеком поли-а-аминокислот. В растворе синтетический полимер находится в состоянии статистического клубка, флуктуации которого могут приводить к появлению в цепи регулярных участков лишь ближнего порядка.

При этом, однако, ни при каких условиях не образуются стабильные трехмерные структуры, тем более идентичные для всех молекул данного полимера. В твердом виде синтетический полимер пребывает в аморфном состоянии, которое может включать частично кристаллическую фазу из беспорядочно ориентированных друг относительно друга зародышевых микрокристаллическнх областей. Искусственные полимеры отличаются качественно и по своим химическим свойствам, которые в той или иной мере воспроизводят свойства соответствующего мономера и могут быть описаны ограниченным набором реакций, специфичных для повторяющегося звена в свободном состоянии. В отношении строгой, с точностью до тепловых флуктуаций, детерминированности пространственной структуры и высокой плотности упаковки атомов белковые молекулы (но не белковые кристаллы) сближаются с кристаллами низкомолекулярных соединений, хотя последние однородны и периодичны, а первые неоднородны и апериодичны.

Но и здесь различия велики. Э. Шредингер следующим образом оценивает дистанцию между периодическим и апериодическим крисгаллическими состояниями малых неорганических молекул и органических макромолекул: "Для физики периодические кристаллы являются весьма интересными и сложными объектами; они составляют одну из наиболее очаровательных н сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в заме- 5! шательство интеллект физика. Однако по сравнению с апериодическими кристаллами они кажутся несколько элементарными и скучными.

Различие в структуре здесь такое же, как между обычными обоями, на которых один и тот же рисунок повторяется с правильной периодичностью, и шедевром вышивки, скажем, рафаэлевским гобеленом, который воспроизводит сложный, полный замысла рисунок, начертанный вепиким мастером" [47. С. 15]. Существенно различны между собой не только конечные результаты процесса структурной самоорганизации белковых молекул и обычных кристаллов, но и механизмы этого процесса, о чем подробно рассказывается в главе 1.

Отметим лишь, что образование кристаллов низкомолекулярных соединений в насыщенных растворах может быть представлено непрерывной совокупностью равновесных состояний при бесконечно малом изменении внешних условий (например, температуры), и поэтому относится к равновесному процессу, Образование трехмерной структуры белка— процесс сугубо неравновесный, протекающий вдали от положения равновесия; в этом его суть. Если в первом случае малый сигнал на входе вызывает всегда малый эффект на выходе, то во втором случае небольшис изменения в окружении могут сопровождаться радикальными качественными изменениями в состоянии белковой цепи.

По признаку нерегулярности белок может быть сопоставлен с такой неупорядоченной системой как стекло. Однако и здесь аналогия имеет формальный характер; сходство не идет дальше простой констатации наличия нерегулярных структур у веществ, нн по каким другим свойствам между собой не совпадающим. Стекло постоянно пребывает в неравновесном состоянии, лишено линейной "памяти" и в силу этого — способности к самоорганизации. Его плавление и повторное застекловывание приводят к полному обиовпению микроструктуры. Белок же при ренатурации восстанавливает свою структуру вплоть до положения каждого атома.

Таким образом, структурная организация белковой молекулы и процесс ее самоорганизации не встречаются в уже достаточно детально изученных элементарных системах неживой природы. Физические и химические свойства белков во многих отношениях несопоставимы также со свойствами важнейших молекулярных компонентов живого — жирами, углеводами и иуклеиноаыми кислотами. Химическое поведение последних определяется в основном локальными участками цепи.

По сравнению с белками оно крайне просто и подчиняется классической теории химического строения. Жиры и высокомолекулярные углеводы в растворе не образуют фиксированных трехмерных структур. О пространственном строении нуклеиновых кислот следует сказать особо. Структурная организация и конформационные возможности дезоксирибонуклеиновых кислот в клетке определяются не столько самими молекулами ДНК, сколько их взаимодействиями с многочисленной группой так называемых ДНК-связывающих белков, среди которых центральная структурная роль принадлежит гистонам. Молекула ДНК, имеющая длину, например в хромосоме человека, несколько сантиметров, с помощью гистонов упакована в клеточном ядре, диаметр которого равен лишь нескольким микрометрам.

Самым нижним уровнем упаковки является двой- ная спираль ДНК Уотсона-Крика. Ее ассоциация с гистонами приводит сначала к образованию нуклеосомы — основной структурной единицы хроратина, а затем — бусеничной нуклеосомной нити. Из нитей последовательно формируются хроматиновые фибриллы, петельные домены, конденсированные участки хромосомы и, наконец, метафазная хромосома. В процессе создания этой сложной структурной организации сама молекула ДНК удивительно пассивна и не проявляет склонности к самосборке. Можно утверждать, что пространственная структура ДНК, как и реализация ее функций, определяется белками.

Характеристики

Список файлов книги