ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Первичная структура цепи и пространственное строение глобулы из "Молекулярная биофизика" Проблема связи между первичной структурой полипептидной цепи и пространственным строением глобулы — одна из важнейших в физике белка. Биологически функциональна нативная пространственная структура макромолекулы, а генетически кодируется первичная структура. Если бы эта связь была неоднозначной, то пришлось бы пересмотреть основные положения молекулярной биологии. Приведенные выше факты, относящиеся к ренатурации белков, дают экспериментальное обоснование наличию такой связи, следующему из общетеоретических соображений (ср. 9.7). [c.249] В работах Птицына [147, 148] на основании статистического анализа аминокислотного состава и последовательности участков полипептидной цепи с различной вторичной структурой были предложены классификация аминокислот и метод предсказания вторичной структуры глобулярных белков по их первичной структуре. Оказалось возможным приписать каждой аминокислоте некоторую индивидуальную способность встраиваться в спиральные участки ( спиральный потенциал ), в первом приближении не зависящую от ее соседей в цепи. [c.250] В работе Лима [151] реализован более содержательный подход к проблеме. Как уже сказано, раздельное рассмотрение вторичной и третичной структуры белка не имеет самостоятельного смысла — вторичная структура является элементом пространственной структуры глобулы, ею определяемым (см. стр. 220). Лим исходит из того, что глобула состоит из гидрофобного ядра и полярной оболочки. Целиком гидрофильные участки не могут образовать более одного витка спирали, так как спирализация препятствует взаимодействию с водой. Спира-лизуются лишь те гидрофильные участки, которые примыкают к спирали, скрепленной с ядром. Образование длинных спиралей возможно лишь из участков, содержащих гидрофобные боковые группы, которые входят в ядро. Целиком гидрофобные участки спиральны, если они находятся внутри глобулы. Смешанные участки спиральны, если гидрофильные остатки расположены на поверхности глобулы, а гидрофобные — внутри нее. Об этом свидетельствуют, в частности, результаты изучения гемоглобина (см. стр. 232). Для спиралей характерны скобы , состоящие из гидрофобных остатков и находящиеся в положениях i, i 4- 4. [c.251] Оказывается целесообразным провести детальную классификацию остатков применительно к указанным их свойствам. Лим подразделяет остатки на малые (Гли, Ала), средние гидрофобные (Цис, Вал, Мет, Лей, Иле, Про), большие гидрофобные (Фен, Тир, Три), малые гидрофильные (Асп, Асн, Глу, Глн, Сер, Тре), большие гидрофильные (Лиз, Арг, Гис). [c.251] Сформулирован ряд правил (имеющих в конечном счете эмпирическое происхождение), определяющих участие или неучастие этих классов остатков в спиралях, и установлено разумное согласие со структурными данными для 12 белков. Существенное отличие работы [151] от других исследований состоит в рассмотрении дальних, а не локальных взаимодействий. Они оказываются определяющими. [c.251] Согласно [152] спиралеобразующая информация , заключенная в отдельном остатке, выражается различием его энергий в спиральной и неспиральной структуре, зависящим от взаимодействия боковой группы с основной цепью. [c.252] Этот подход нельзя считать перспективным, так как он имеет формальный характер и, в сущности, не учитывает физику глобулы. [c.252] В работе Есиповой и Туманяна [153] исследована уже не спирализация, но непосредственная связь между первичной и пространственной структурами белка. [c.252] В качестве характеристики третичной структуры в работе [153] рассматриваются места поворотов (узловые точки) основной цепи. Иными словами, цепь аппроксимируют линией, находят участки максимальной кривизны этой линии и выясняют причины локальных изгибов цепи. Изгиб цепи определяется аминокислотами, входящими в поворот. Поворот цепи означает резкую смену значений двугранных углов ф и ур (см. стр. 179). Для большинства аминокислот энергетически выгодны углы ф и ф, отвечающие правой а-спирали. Но Сер, Асн, Три, Тир и Лиз характеризуются минимумами энергии в конформациях левой а-спирали и р-формы. [c.252] Наибольшей гибкостью обладает Гли. Этот остаток можно считать своего рода универсальным шарниром в молекуле белка. Можно думать также, что перегибы должны преимущественно происходить на негидрофобных остатках, в частности на Сер. [c.252] В работе [153] проведен анализ структуры лизоцима, химо-трипсина, миоглобина, эластазы, рибонуклеазы, папаина и карбоксипептидазы. Указанные положения в целом подтвердились. Так, в лизоциме определено 17 поворотов цепи, причем в них входят практически все остатки Гли. Установлено, что наличие Гли является достаточным, но не необходимым условием резкого поворота. В семи поворотах из 16 в участках максимальной кривизны находятся Сер, Асп, Арг, Три. Эти же остатки соседствуют с поворотными остатками Гли. Аналогичные закономерности установлены для химотрипсина, эластазы, рйЬонуклеа-зы, папаина. Из 19 остатков Гли а-химотрипсина 17 располагаются в поворотных участках, в эластазе из 25 Гли 23 находятся в поворотах. Наряду с названными остатками в поворотах участвуют еще Тре, Асн, Лиз, Глн. Включение наряду с Гли одного из этих остатков, по-видимому, существенно для анализа поворотов. Для поворотов весьма важно также наличие водородных связей между боковым радикалом и основной цепью (Сер). [c.252] В целом надежные статистические оценки показывают, что в поворотах участвуют Гли, Сер, Асн, Арг. Менее точно установлено участие Тир, Тре и Асп. Избегают поворотов Лей, Вал, Ала и Иле. С меньшей достоверностью это относится к Фен, Про и Гис. [c.253] В белках с малой долей а-спиралей Гли, не находящийся в узловой точке, обычно соседствует с Вал и Иле. Напротив, в миоглобине Гли обычно соседствует с Глу и Ала, стабилизующими а-спираль. Тем самым, наличие такого Гли не может препятствовать появлению спирали и образованию поворотов. С другой стороны, Гли в миоглобине и сходных белках обеспечивает контакты между а-спиральными сегментами, так как в местах нахождения Гли в спирали появляются выемки, удобные для упаковки. Поэтому третичная структура стабилизует а-спирали, содержащие Гли. [c.253] Таким образом, третичную структуру белка можно моделировать совокупностью приблизительно прямолинейных сегментов, соединенных поворотными шарнирными участками. Так называемые неупорядоченные сегменты задают важнейшие элементы пространственной структуры. [c.253] Укажем другие работы [179, 180, посвященные той же проблеме. Птицын впервые подошел к проблеме связи между первичной и пространственной структурами белковой глобулы, исходя из физической гипотезы о формировании глобулы во времени [181]. Предполагается, что самоорганизация глобулы есть результат некоего направленного процесса. Опыты по ренатурации показывают, что программа безошибочной самоорганизации закодирована в самой первичной структуре. Самоорганизация происходит стадийно так, что на каждой следующей стадии формируется все более сложная и все менее флуктуирующая структура. На данной стадии образуется флуктуирующий зародыш следующей стадии. Таким образом, нативная структура белковой молекулы строится из отдельных структурированных участков цепи, как из блоков, образование которых предшествует во времени формированию самой структуры. Организация, достигнутая на предшествующей стадии, не изменяется, но лишь стабилизуется на следующей стадии. [c.253] К НИМ соседних участков цепи и дальнейшая стабилизация структуры. На четвертой стадии образуется единая компактная структура глобулы путем роста одного центра кристаллизации или объединения нескольких центров. Наконец, путем локальной подстройки образуется нативная структура глобулы. [c.254] Количественная разработка этой привлекательной гипотезы позволила подойти к анализу путей самоорганизации белков, в частности миоглобина [182]. Теория предсказывает положение зародышей пяти длинных и двух коротких спиральных участков в цепи. Проведены грубые расчеты конформационных энергий системы на стадиях образования центров кристаллизации. Последовательный анализ позволил найти пространственную структуру миоглобина, хорошо согласующуюся с опытом. [c.254] Дальнейшее развитие теории требует уточнения количественных оценок и рассмотрения кинетики самоорганизации. Экспериментальный подход к проблеме состоит в изучении кинетики ренатурации белков при постоянных внешних условиях. Сведения о термодинамически устойчивых стадиях ренатурации при изменяющихся внешних условиях можно получить с помощью ядерного магнитного резонанса (см. 5.10). [c.254] Вернуться к основной статье