Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 21
Текст из файла (страница 21)
В 1950 г. публикуется исследование Л. Брэгга, Дж. Кендрью и М. Перутца, в котором сообщаются не только вновь полученные авторами данные рентгеноструктурного анализа миоглобина и гемоглобина, но анализируется сложившаяся в кристаллографии белков общая ситуация. Авторы подводят итог предшествующим исследованиям в этой области и в заключении формулируют важную гипотезу о родственном пространственном строении белков, которая представляет собой дальнейшее, подкрепленное новыми наблюдениями развитие взглядов Астбэри и Хаггинса на структурное единство белковых молекул.
Вскоре появляется знаменитая серия работ Л. Полинга и Р. Кори (1951 г.), в которых авторы рассмотрели все ранее известные структурные модели полипептидов, в том числе предложенные Брэггом, Кендрью и Перутцем, и отвергли их. Вместо них они предложили две новые низкоэнергетические регулярные пространственные формы — и-спираль и )з-складчатый лист. Один виток а-спирали включает З,б аминокислотных 70 остатка.
Все пептидные группы в ней соединены водородными связями типа 5 — з1, при котором группа С = О бго остатка связана с Х-1ч 11 + 4)-го ,зстатка. Вытянутые параллельные и антипараллельные ~)-складчатые листы удерживаются межцепочечными водородными связями, Обе структуры отвечают минимумам торсионных потенциалов. Проанализировав имеющийся экспериментальный материал по пептидам и белкам, Полинг и Кори не обнаружили ни одного факта, противоречившего предложенным ими регулярным формам.
В результате анализа они пришли к выводу о структурной общности синтетических и природных полипептидов. Таким образом, предположение, впервые высказанное Астбэри, поддержанное Хяггинсом, а также Брэггом, Кендрью и Перутцем о том, что структуры фибриллярных и глобулярных белков, а также искусственных полипептидов могут быть описаны с помощью ограниченного набора канонических форм — блоков, получило в работах Полинга и Кори подтверждение и дальнейшее развитие. Еще более укрепилось представление о водородной связи как о главном факторе, стабилизирующем трехмерную структуру белковой молекулы.
Согласно гипотезе, вошедшей в литературу под названием "а-спиральная концепция Полинга", основные цепи всех белков и синтетических полипептндов состоят почти исключительно из полностью насыщенных водородными связями а-спиралей и ~)-структур, а-Спиральная концепция Полинга была с энтузиазмом встречена учеными. Вскоре она получила дополнительное экспериментальное подтверждение в работе Перутца и стала общепризнанной. Хотя в 1950-е годы не было известно ни одной трехмерной структуры глобулярных белков, тем не менее ни у кого не вызывало сомнений, что белковые молекулы построены из регулярных форм, главным образом а-спиралей. Именно на таком представлении о пространственном строении белков основана предложенная в 1952 г. К.
Линдерстрем-Лангом классификация белковых структур на первичную, вторичную и третичную. Фактически она представляла собой вытекающую из концепции Полинга формулировку принципа пространственной организации белков. В противном случае такая классификация теряла смысл. Под влиянием и-спиральной концепции К. Лнндерстрем-Ланг вместе с Дж.
Шеллманом (1954 г,) предложили третичную структуру инсулина, состоящую из левой а-спирали цепи А и правой — цепи Б. В. Лоу (1955 г.) построила структурную модель этого же белка из двух левых а-спиралей, а Г. Линдли и Дж. Коллет (1955 г.) — нз двух правых. Три совершенно различные структурные модели, но в равной мере основанные на максимизации и-спирального содержания, были предложены также для рибонуклеазы. После опубликования работ Полинга и Кори стремительное развитие получило изучение пространственного строения синтетических полипептидов, начатое незадолго до этого Астбэри, Амброзе, Бэмфордом, Зллиоттом и др.
Возникла надежда, граничащая с уверенностью, что изучение гомополипептидов различных аминокислот сможет существенно помочь в установлении принципов пространственной организации белков. Казалось, что оптимизм вполне оправдан, так как было показано, что синтетические полипептиды реализуются, хотя бы частично, в тех же а-спиральных и 11-структурных формах, аналогичных а- и 11-формам кератина, миозина, фиброина шелка и др. Еще более убедительной стала выглядеть единственная в то время структурная гипотеза белков. Появилось основание считать полипептиды простейшими структурными аналогами белков в отношении не только химического строения, но и пространственного.
Интенсивное изучение пространственного строения синтетических поли- пептидов продолжалось в течение 1950-х и первой половины 1960-х годов. Были привлечены практически все известные физические н физико- химические методы, позволяющие получать информацию о строении молекул в твердом состоянии и в растворах, Наибольшее количество данных было получено с помощью рентгеноструктурного анализа, методов рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами, дисперсии оптического вращения, кругового дихроизма и дейтерообмена, с помощью обычных и поляризованных инфракрасных спектров. Из полученного при исследовании синтетических полипептидов огромного экспериментального материала, однако, не удалось сделать обобщающих заключений о причинах стабильности регулярных структур и сказать что-либо определенное на этой основе о принципах структурной организации белков. И тем не менее, результаты исследования повсеместно были восприняты как подтверждающие ставшее общепринятым представление о том, что пространственное строение белковой глобулы представляет собой ансамбль унифицированных регулярных блоков вторичных структур, прямую информацию о геометрии которых дают высокомолекулярные синтетические пептиды.и-Спиральная концепция Полинга не только не была поставлена под сомнение, но еще более утвердилась.
В 1967 г. Г. Фасман писал: "Общепризнано, что лишь несколько конформаций, благодаря своей внутренней термодинамической стабильности, будут встречаться наиболее часто и, по-видимому, именно они составляют общую основу белковой структуры" 15. С. 255]. Между тем, в то время уже были известны факты, настораживающие от безусловного принятия а-спиральной концепции Полинга. Но они выпадали из множества других фактов, согласующихся с традиционным представлением, казавшимся логичным и правдоподобным, к тому же не имевшим альтернативы. Поэтому на данные, противоречащие концепции Полинга, долгое время не обращали внимания. Л.
Брэггу и М. Перутцу в 1954 г, удалось впервые продемонстрировать возможность расчета знаков рефлексов в дифракционной картине гемоглобина, что означало решение одной из самых трудных проблем кристаллографии белков — проблемы фаз. Это было достигнуто методом изоморфного замещения, идея которого была подсказана авторам Дж. Берналом. Путь к получению трехмерных структур криталлизующихся белков на атомном уровне был открыт. В 1960 г. Дж.
Кендрью и сотрудники построили атомную модель молекулы миоглобина с разрешением 2,0 А, а в 1968 г. М. Пеуутц и сотрудники — модель молекулы гемоглобина с разрешением 2,2 А. Так был завершен титанический труд кристаллографов Кавендишевской лаборатории, продолжавшийся более четверти века. 72 Трехмерные структуры двух глобулярных белков дали блестящее и, казалось, бесспорное доказательство справедливости господствующим в течение почти двух десятилетий а-спиральной концепции Полинга и структурной классификации белков Линдерстрем-Ланга.
В лишенных какой-либо симметрии белковых молекулах а-спираль, действительно, оказалась доминирующей структурой (75%), стабилизированной пептидными водородными связями типа 5 -~ 1. Идентифицированные структуры удовлетворительно согласовывались и с еще одной гипотезой структурной организации белков — гидрофобной концепцией У. Козмана, Выше отмечалось, что, начиная с Хаггинса, огромную роль в стабилизации пространственной формы белковой цепи стали отводить пептидным водородным связям. Считалось, что именно они формируют вторичные структуры — а-спираль и ()-складчатые листы, Но что в таком случае удерживает эти структуры в глобуле и под влиянием каких сил белковая цепь свертывается в нативную конформацию в водной среде, где пецтидные водородные связи Х вЂ” Н...О=С и электростатические взаимодействия малоэффективны? Можно поставить вопрос иначе.
Почему внутримолекулярные взаимодействия у природной гетерогенной аминокислотной последовательности превалируют в водном окружении над ее взаимодействиями с молекулами воды? Фундаментальное значение в структурной организации белковой глобулы стали отводить так называемым гидрофобным взаимодействиям. Само понятие возникло в начальный период изучения коллоидного состояния высокомолекулярных веществ, в том числе белков. Первая теория явления, правда, не раскрывающая его сути, предложена, в 1916 г. И. Ленгмюром, Ему же принадлежит сам термин и разделение веществ на гидрофобные, гидрофильные и дифильиые.
Природа гидрофобных взаимодействий была объяснена У. Козманом (1959 г.). Он показал, что низкое сродство углеводородов и углеводородных атомных групп к водному окружению обусловлено не неблагоприятными с энергетической точки зрения межмолекулярными контактами, а понижением энтропии. На энтропийный фактор обращали внимание еще в 1930-е годы для объяснения причин образования мицелл моющих средств в водных коллоидных растворах (Дж. Батлер, Г. Франк, Дж. Эдзал), однако такая трактовка формирования компактных структур не была перенесена на белки, Впервые это сделал Козман, поэтому гидрофобная концепция носит его имя. Анализ третичных структур миоглобина и гемоглобина Кендрью и Перутцем выявил расположение неполярных и полярных остатков в о-спиралях и взаимную ориентацию спиралей в глобулах.
В соответствии с концепцией Козмана авторы отметили, что неполярные остатки, взаимодействуя между собой, преимущественно экранированы от водной среды, а полярные, напротив, чаще взаимодействуют с молекулами воды. Третьим белком и в то же время первым ферментом, для которого стала известна трехмерная структура, был лизоцим. Расшифровка рентгенограммы выполнена д, Филлицсом и сотрудниками в 1965 г, с разрешением 2,0 А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
