ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Конформации пептидов в растворе из "Пептидная саморегуляция живых систем Факты и гипотезы" Образование полипептидной цепи — это частный случай полимеризации, в результате которой уменьшается суммарное число степеней свободы мономеров, а за счет этого макромолекула приобретает качественно новые внутримолекулярные степени свободы — конформационные, которые возникают вследствие поворотной изомерии полимерной цепи и отсутствуют у простых молекул. [c.42] Порядок расположения аминокислотных остатков относительно друг друга в молекуле пептида фиксирован, но именно вращение атомов и групп вокруг валентных связей, которое определяется набором возможных торсионных углов, обеспечивает существование множества конформаций пептида. Основная цепь пептида в растворе никогда не имеет простой формы вытянутой нитки. Наиболее вероятная конформация синтетического гомополимера — статистический (беспорядочно спутанный) клубок с максимальным значением конформационной энтропии. Природный пептид имеет более организованную конформацию — его цепь сложена в упорядоченные блоки из-за скручивания и уплотнения пептидной цепочки (Полинг, 1964). Методами рентгеноструктурного анализа было установлено, что полипептидная цепь, состоящая из Ь-изомеров, изогнута в виде спирали. Один шаг а-спирали вдоль оси пептида составляет 5.4 А, и на каждый виток спирали приходится приблизительно 3.6 аминокислотных остатка. Каждый из. остатков связан с остатками предыдущего и последующего витков водородными связями между атомом водорода амидной и атомом кислорода карбонильной групп. [c.43] На этом уровне молекулярной организации обнаруживается принципиально новое свойство пептидных молекул — способность выделить часть пространства как внутримолекулярную. Эта область внутри а-спиральной структуры недоступна для молекул воды и низкомолекулярных электролитов, тогда как остальная часть пространства, занятая растворителем, электролитами и другими пептидами, может быть названа внешней. Боковые группы аминокислот направлены в сторону внешнего пространства, гидратированы в соответствии со своими гидрофобными свойствами и расположены при максимально плотной упаковке в соответствии со своими удельными объемами (см. табл. 1). Обычные молекулярные модели недостаточно точно представляют конформации пептидных цепей, так как строятся без учета гидратации боковых групп аминокислотных остатков. [c.43] Не все аминокислотные остатки участвуют в образовании а-спирали пролин и глицин являются звеньями, которые прерывают спиральную упорядоченность. Локальный разрыв внутримолекулярных водородных связей пептида под действием низкомолекулярных агентов (этанол, мочевина, гуанидин) также способствует разрыхлению спирали. Боковые фуппы аминокислотных остатков расположены в радиальных направлениях от спирали и поэтому не испытывают пространственных затруднений при вращении около СН2—СН2-связей. Однако физико-химические свойства этих групп (гидрофобность, степень ионизации, окислительно-восстановительный потенциал) определяют характер их взаимодействий между собой. Эти взаимодействия типа притяжения и отталкивания могут быть весьма интенсивными, как стабилизируя спиральную конформацию основной цепи, так и способствуя ее разрушению. [c.44] Предпочтительная конформация макромолекулы определяется внутримолекулярными связями боковых групп. Именно эти связи обеспечивают конформационный порядок макромолекулы. Этот порядок уменьшает энтропию цепи, но его энергетическая устойчивость зависит от прочности внутримолекулярных связей боковых фупп. Изменение этих связей ведет к конформационным изменениям в цепи. В живых системах все конформационные изменения пептидов обратимы, так как возможность конформацион-ных переходов обеспечивается устойчивостью (прочностью) основной цепи пептида. [c.44] Аналогичная зависимость наблюдается и у полипептидов с карбоксильными боковыми группами. Иначе говоря, одинаково заряженные соседние ионогенные боковые группы полипептида, как и любого полиэлектролита, имеют повышенное среднее значение рК (т. е. пониженную среднюю кислотность) и расширенный диапазон степеней ионизации. [c.45] Существует огромный объем литературы, посвященной принципам структурной организации природных пептидов и белков. Эти работы выполняются методами конформаци-онного анализа, при котором из всего набора доступных конформаций выделяется несколько наиболее доступных и энергетически выгодных. Подробный анализ таких работ представлен Е. М. Поповым (1997). Обобщая результаты литературных данных и собственных оригинальных работ, автор пришел к определенным выводам относительно закономерностей, в соответствии с которыми происходят конформационные изменения в полипептидных цепях. В физиологических условиях пространственное строение природного олигопептида описывается ограниченным набором низкоэнергетических компактных структур, стабильность которых обусловлена согласованностью всех внутримолекулярных невалентных взаимодействий. При изменении внешних условий (растворителя, температуры, кислотности, расстояния до соседней молекулы-рецептора) природный пептид адаптируется к ним смещением своего конформационного состояния. Смещение равновесия между предпочтительными структурами пептида происходит через последовательную смену конформаций с низкими энергиями в форме волны внутримолекулярного возбуждения. Иначе говоря, эта последовательность конформационных изменений также упорядочена, как и аминокислотная последовательность пептидной цепи. Новая конформация характеризуется новым спектром частот собственных колебаний и соответствующим изменением теплоемкости пептидной цепи (Попов, 1997). [c.46] Рассматривая взаимосвязь структуры и биологических функций полипептидов, нельзя забывать, что всякая их функция основана на высокой подвижности компонентов живых клеток, а эта подвижность обеспечивается присутствием воды — одного из основных метаболитов. Несмотря на то что рибосомы и макромолекулы белков и нуклеиновых кислот очень плотно упакованы в цитоплазме между органеллами и эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), благодаря присутствию воды они совершают конформационные переходы и разнообразные движения, для которых вода является не столько окружением , сколько лабрикантом. Гидрофобное микроокружение (например, присутствие соседних гидрофобных поверхностей ЭР или липопротеиновых комплексов) также повышает молекулярную подвижность гидратированного полипептида. [c.47] Скорости молекулярных движений исследуются с помощью различных методов спектроскопии. Этими методами установлено, что полипептидные макромолекулы в цитоплазме постоянно меняют конформации, изгибаются, вращаются и сталкиваются с соседями. Частота диффузионных столкновений полипептидов с низкомолекулярными компонентами пропорциональна концентрации диффундирующих молекул. Например, при обычной концентрации АТФ в клетке порядка 1 мМ каждая пептидная цепь подвергается случайным столкновениям с АТФ с частотой 10 в секунду (Alberts et al., 1994). Если иметь в виду, что эти молекулярные взаимодействия и химические реакции происходят в объеме 4 10 мкм , т. е. в масштабах, очень далеких от условий лабораторной пробирки, то становится более понятной высокая эффективность энзиматических реакций in vivo. Результатом удачного столкновения с центром связывания может быть или образование межмолекулярного комплекса, или ферментный гидролиз. Это зависит от природы центра связывания. [c.48] Эта умозрительная модель находит подтверждение при экспериментальном исследовании взаимосвязи конформации пептидной цепи с ее каталитической функцией. Установлено, что, если определенная конформация пептидной цепи сближает боковые группы с низкой реакционной способностью, эта их способность многократно усиливается именно за счет сближения. Такая конформация пептидной цепи, которая обеспечивает биохимически активное сближение боковых групп пептида, называется нативной. [c.49] В составе представленного участка в позициях 19 и 26 находятся остатки лейцина. Нужно отметить, что лейцин играет особую роль в формировании и упрочнении спиральных структур. В структурных исследованиях сформировалось представление о лейциновой застежке (Leu ine zipper — имеется в виду застежка-молния). Она представляет собой сравнительно короткие последовательности со средней длиной 24 аминокислотных остатка, среди которых в позициях 2, 5, 7, 12, 16, 21 и 24 находятся остатки лейцина, формирующие гидрофобные грани спирали. Такие структуры, характерные для трансмембранных участков мембранных белков, участвуют в межмолекулярных взаимодействиях белок—белок и белок—ДНК. В последнем случае конфигурация лейциновой застежки определяет контакт пептида с поверхностью двойной спирали ДНК (см. раздел 3.2). [c.51] Особенностью скрученных а-спиральных участков (суперспиралей) является их способность укладываться несимметричными жгутами, как это показано на рис. 4, В. При этом гидрофобные ребра спиралей могут быть ориентированы внутрь жгута и плотно прилегать друг к другу — это одна конформация. При изменении взаимодействий на гидрофильных ребрах суперспирали гидрофобные ребра меняют ориентацию, а внутренняя часть жгута образует гидрофильный канал (Alberts et al., 1994). В следующей главе мы еще вернемся к пептидным суперспиралям при рассмотрении структур мембранных рецепторов. [c.51] Обращает на себя внимание определенное качественное сходство детерминантных участков некоторых микробных антигенов с участками полипептидной цепи тимусных пептидов, отвечающих за иммунитет организма. По локальной плотности положительно и отрицательно заряженных боковых групп и по последовательности их чередования (повторение блоков КЕ и ЕК) эти пептиды очень похожи (см. табл. П1 Приложения). [c.52] В ряде случаев возвращение к физиологическим условиям позволяет полипептиду снова вернуться к нативной конформации, особенно если она стабилизирована внутрицеп-ными 5—8-связями. Однако такая ренатурация возможна только для одноцепочечных пептидов. Например, молекула инсулина, состоящая из двух пептидных цепей, связанных 8— -мостиками, после разрушения этих мостиков и денатурации не может вернуться к нативной конформации. Это определяется особенностями синтеза инсулина. Нативная конформация инсулина возникает в результате гидролиза проинсулина. Как показано на рис. 5, проинсулин синтезируется как одна пептидная цепь, содержащая на концах два участка А- и В-цепи будущего инсулина с шестью свободными цистеиновыми группами в их составе. Средний участок проинсулина (С см. рис. 5) принимает такую конформацию, при которой устанавливается определенная система 8—8-связей между концевыми участками цепи. После выщепления среднего участка возникает активная двухцепочечная молекула инсулина. Именно по причине пространственной предопределенности этой структуры за счет среднего участка проинсулина спонтанная ренатурация инсулина невозможна. Иными словами, удаление части пептидной цепи равнозначно потере молекулярной информации для оставшихся частей инсулина. [c.54] Компактная конформация полипептида, закрепленная внутримолекулярными гидрофобными связями, определяет топографию расположения гидрофильных и гидрофобных боковых групп на поверхности макромолекулы, ее мозаичную структуру. Взаимное расположение заряженных боковых групп аминокислотных остатков на поверхности пептидной глобулы неоднородно имеются области с разными по величине и знаку зарядами, что может быть отображено на карте электростатического потенциала поверхности. [c.55] Вернуться к основной статье