Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Сначала не вызывало сомнений, что химические и физические свойства белков получат свое объяснение, как только станет известно химическое строение их молекул. Однако основанная на опыте всей органической химии и биохимии надежда на то, что установление химического типа и строения молекул окажется достаточным для понимания хотя бы в общих чертах нх специфического функционирования, не оправдалась. Тем самым определение структуры из конечной цели исследования превратилось в необходимый для последующего изучения белков начальный этап. Утвердилась мысль, что химическая универсальность и практически необозримое многообразие свойств соединений этого класса при строгой специфичности его отдельных представителей связаны с особенностями пространственных структур белковых молекул.
1.2. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ БЕЛКА Положение о том, что понимание химических и физических свойств белков требует знания пространственного строения молекул, впервые, повидимому, было высказано К. Мейером и Г. Марком в 1930 г. Более того, они предприняли попытку установить прямую связь между некоторыми физическими свойствами белков и пространственной структурой, подобно тому, как это уже делалось в химии при определении зависимости между химическими свойствами и строением молекул. В частности. они предположили наличие непосредственной связи механического состояния специально приготовленных белковых препаратов при растяжении и сжатии с изменением молекулярной формы полипептидных цепей.
Первыми объектами исследования пространственного строения с помощью рентгеноструктурного анализа стали фибриллярные белки, содержащие наряду с аморфной также упорядоченную часть, представляющую собой нечто вроде одномерного линейного кристалла Г. Герцог и у. янеке, а позднее Р Брилл получили в самом начале 1920-х годов рентгенограммы фиброина шелка. Их интерпретация основывалась на предположении дикетопиперазииового строения белка, что многими химиками было воспринято как 67 подтверждение теории Зелинского.
К. Мейер и Г. Марк, позднее исследовавшие тот же белок, пришли, однако, к другому заключению. Онн показали, что рентгенограмма фиброина шелка лучше соответствует плоскому полипептидному строению белковой цепи с трансоидной конфигурацией пептидных групп. Тот же вывод сделал О. Кратки (1929 г,), По построенной им пространственной модели этого белка, включающей только остатки глицина и аланина, была рассчитана плотность фиброина шелка; полученное значение (1,46 г/смз) совпадало с известными тогда экспериментальными величинами (1,33-1,46 г/смз).
О. Кратки определил параметры элементарной ячейки, предположив, что через нее проходят параллельные друг другу четыре плоские полипептидные цепи на расстояниях соответственно 4,4 и 4,8 А. Столь же часто в то время объектом рентгеноструктурного анализа был коллаген — самый распространенный в клетках и живых организмах структурный белок. Рентгеновскую дифракцию на коллагене в его нативном и аморфном (желатине) состояниях наблюдали П.
Шеффер (1920 г.), Дж. Катц и О. Гернгросс (1925 г.), Г. Герцог и У. Янеке (1926 г.) и др. Период идентичности по оси волокна у коллагена, согласно Н. Сузиху, равен 8,4 А, а у фиброина шелка, по данным О. Кратки, — 7,0 А. Значительное отличие этих величин свидетельствовало о разной пространственной структуре двух молекул, что, в свою очередь, указывало на различие в их химическом строении. К.
Мейер впервые провел аналогию между свойствами коллагена и каучука. В нагретом, съежившемся состоянии белок по механическим свойствам напоминал аморфный каучук, получавшийся при нагревании, а в естественных условиях проявлял свойства растянутого каучука. Был сделан вывод о том, что белковые цепи могут существовать в полностью растянутой и свернутой формах, конкретный вид которых остался, однако, неизвестным. К.
Мейер предпринял совместное исследование механических свойств мышечных белков с дифракцией рентгеновских лучей. Было показано, что в расслабленном мускуле цепи главных валентностей ориентированы параллельно друг другу, а в сокращенном — каким-то иным способом, У высушенного в растянутом состоянии мускула Мейер наблюдал дифракционную картину, типичную для волокнистой структуры; диаграмма высушенного сокращенного образца отвечала аморфному состоянию. Прямо связывая макроскопические механические изменения белкового вещества с его молекулярным химическим и пространственным сзроением, автор предположил, что источником мускульной энергии является экзотермическая химическая реакция, что позднее было подтверждено экспериментально В.А, Энгельгардтом и М.Н.
Любимовой (1942 г.). Рентгеноструктурные исследования, оказавшие огромное влияние на развитие кристаллографии белков, принадлежат У. Астбэри. Выбрав в качестве критерия структурный признак, он по наблюдаемым дифракционным картинам разделил фибриллярные белки на две группы. В первую (группа )с.ш.е.й) вошли кератин, миозин, эпидермин, фибриноген, а во вторую (группа коллагена) — белки сухожилий, соединительных тканей, хрящей и др. У.
Астбэри обнаружил, что белки группы (с.ш.е.(., имея близкие рентгенограммы, а следовательно, и пространственные формы, названные им а-формамн, обладают сходными эластическими свойствами, дри растяжении образцов этих белков до предела (- в 2 раза) резко меняются дифракционные картины, по-прежнему, оставаясь очень похожими. У. Астбэри сделал вывод о переходе белков группы к.ш.е.й в иную более вытянутую пространственную структуру, названную им п.формой. Характерной особенностью рентгеновской дифракции ~3-формы является наличие рефлекса 3,5 А, равного расстоянию между атомом С" двух смежных аминокислотных остатков и кратного периоду идентичности полностью вытянутых цепей фиброина шелка (7,0 А).
Позднее Астбэри наблюдал у этих белков после их специальной термической обработки еще одну суперконтракционную форму. Вначале он полагал, что и- и вновь обнаруженная формы полипептидной цепи содержат дикстопиперазиновые циклы, а ~)-форма является полностью вытянутым полипептидом. Таким образом, согласно Астбэри, переходы между этими формами, происходящие при растяжении и сжатии белковых образцов, являются не чисто конформационнымн, а сопровождаются образованием и разрывом химических связей.
В своих последующих работах и при конструировании новых моделей он исходил уже только из полипептидного строения белков. Трактовка Асгбэри обратимого перехода и — > )) основывалась на представлении ()-формы в виде параллельных вытянутых плоских пептидных цепей, соединенных между собой водородными связями, а и-формы в виде плоской ленточной структуры с тремя остатками на изгиб. Это удовлетворяло наблюдаемым рефлексам на рентгенограммах приблизительно двойному соотношению длин а- и ~)-форм одинаковой плотности белков группы Ы.ш.е.й в обоих случаях и максимальной растяжимости образцов в два раза. Суперконтракционной форме Астбэри приписал плоскую ленточную структуру с четырьмя остатками на изгиб.
Для белка группы коллагена он предложил две формы с параллельной и анти- параллельной направленностью пептидных цепей, связанных между собой водородными связями. У. Астбэри был в числе первых исследователей пространственных структур синтетических полиаминокислот и глобулярных белков, в которых он также обнаружил и- и ()-формы фибриллярных белков.
Подводя итог его работам, следует прежде всего отметить высказанную им впервые гипотезу об общности молекулярного строения фибриллярных, глобулярных и денатурированных белков, оказавшую Огромное влияние на концептуальное развитие последующих структурных исследований. Заметный след в развитии представлений о пространственном строении синтетических пептидов и биополимеров оставил также М. Хаггинс. Он сформулировал количественные геометрические критерии, которым должны были удовлетворять модели пептидных цепей.
В частности, он пРедполагал эквивалентность конформационных состояний всех звеньев белковой цепи и плоское строение пептидной группы, в равной мере предрасположенной к цис- и шраме-конфигурациям. М. Хаггинс первый придал решающее значение водородной связи между пептидными группами Х вЂ” Н и С=О в формировании структуры аминокислотной последовательности, считая эту связь главной "упаковочной силой". Удовлетво- рить отмеченным геометрическим критериям могли только спиральные структуры основной цепи.
Идея о спиральном строении полипептидных цепей была высказана Хаггинсом в 1942 г. После того как Р. Вудвордом и К. Шрамом (1947 г.) был разработан более доступный метод синтеза полипептидов, изучение их конформационных состояний приобрело широкий размах. Пионерские работы с использованием ренттеноструктурного анализа и поляризованных инфракрасных спектров ориентированных образцов искусственных полиаминокислот были выполнены С.
Бэмфордом, А. Эллиотом, Е. Амброзе и их сотрудниками, Полученные учеными результаты поставили под сомнение ряд структурных моделей полипептидной цепи, постулированных Астбэри и Хаггинсом. Ими, а также Г. Цаном (1947 г.), Т. Шиманучи и С. Мидзусимой (1948 г.) было предложено несколько новых регулярных пространственных форм основной цепи полипептидов. В середине 1930-х годов Дж, Берналом, Д. Ходжкин, И. Фанкухеном, Р.
Райли, М. Перутцем и другими исследователями начато изучение кристаллографических трехмерных структур глобулярных белков. Получены лауэграммы пепсина, лактоглобулина, химотрипсина и некоторых других хорошо кристаллизующихся водорастваримых белков. Картины рассеяния рентгеновских лучей от монокристаллов содержали десятки тысяч четко выраженных рефлексов, что указывало на принципиальную возможность идентификации координат во много раз меньшего числа атомов белковых молекул (за исключением водорода). На реализацию этой возможности ушло более четверти века. Однако сам факт наблюдения богатых отражениями рентгенограмм говорил о многом.
Например, он позволил сделать вывод об идентичности всех молекул каждого белка в кристалле, как правило, не теряющего в этом состоянии свою физиологическую активность. Кроме того, были оценены ориентировочные размеры, формы, симметрия и молекулярные массы исследованных белков, размеры их элементарных ячеек, а также возможное число аминокислотных остатков в ячейке. Дальнейшее развитие этой области вплоть до начала 1960-х годов замкнулось на решении внутренних, чисто методологических задач, связанных с расшифровкой рентгенограмм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
