Белок кристаллография

За рассеяние рентгеновских лучей, попадающих в кристалл, ответственны электроны атомов кристалла. Интенсивность дифракционных максимумов рассеяния определяется плотностью электронов в атомах тех кристаллических плоскостей, от которых происходит рассеяние. Расшифровывая картину дифракционных максимумов, кристаллографы устанавливают расстояние между плоскостями кристалла, степень их заполнения атомами, размеры элементарной ячейки и получают полное представление о структуре кристалла. Дифракция рентгеновских лучей позволяет исследовать не только такие кристаллические вещества, как различные соли, но также широко используется для установления областей кристалличности в полимерах, например в резине (растянутая резина более кристаллична, чем нерастянутая). Исследование с помощью дифракции рентгеновских лучей белков и других биохимически важных веществ принесло огромную пользу при установлении их строения. Классическим примером возможностей рентгеноструктурного метода является расшифровка с его помощью строения столь сложного вещества, как дезоксирибонуклеиновая кислота (см. гл. 28). [c.176]

Кристаллография белков использует метод изоморфного замещения, в котором кристаллы нативного белка погружают в раствор соли металла, для того чтобы позволить тяжелым атомам занять места в кристаллической структуре. Положения более легких атомов остаются практически неизменными таким образом, подобные производные с тяжелыми металлами оказьшаются изоморфными с исходной макромолекулой, т. е. они характеризуются той же пространственной группой и практически неизменными параметрами элементарной ячейки. Разница в интенсивностях 1ш Для изоморфных кристаллов целиком определяется вкладом различных тяжелых атомов, положение которых можно определить при помощи синтеза Паттерсона. Подобная информация от по меньшей мере двух дополнительных изоморфов позволяет рассчитать фазовые углы и, затем, распределения электронной плотности для кристаллов белков. [c.409]

После классических работ Перутца, Кендрью и Филлипса кристаллография белков стала быстро развиваться во многих научных центрах. К 1970 г. с помощью рентгеноструктурного анализа были получены трехмерные структуры 18 белков, к 1975 г. - 79, к 1979 г. - 161, к 1989 г. -400. Сейчас это количество приближается к трем тысячам. Одновременно кристаллография белков все больше приобретает для биологии универсальное значение и, наконец, становится неотъемлемой частью исследований, направленных на решение фундаментальных научных и прикладных задач. В настоящее время знание молекулярной пространственной структуры во многом определяет уровень работ и значимость получаемых результатов. [c.74]

По прошествии более трех десятилетий со времени расшифровки структур миоглобина и гемоглобина рентгеноструктурный анализ все еще остается единственным прямым методом определения на атомном уровне пространственного строения белковых молекул, их комплексов и доменов. Полученные с его помощью данные по-прежнему служат незаменимой экспериментальной основой изучения структурно-функциональной организации молекул белков. В 1990-е годы этот метод, по-прежнему сохраняя высокий темп экстенсивного развития, позволил приступить к решению принципиально новых задач, представляющих первостепенный интерес для молекулярной биологии. Основная, если не единственная, причина наметившегося качественного роста возможностей кристаллографии белков связана с использованием вместо излучения рентгеновских трубок синхротронной радиации. [c.74]

Влияние, которое оказали результаты рентгеноструктурного анализа белков на изучение их фракций, детально рассматривается в следующем томе настоящего издания. Здесь хотелось бы обратить внимание на то, что наличие уже в течение нескольких десятилетий уникальной структурной информации все еще не привело к концептуальному развитию или переосмыслению представлений о природе и принципах функционирования белков, сложившихся до становления кристаллографии макромолекул. Ставшие доступными данные рентгеноструктурного анализа о пространственном строении белковых молекул не вызвали качественных изменений в понимании биокатализа, гормон-рецепторных взаимодействий и многих других явлений. Функционирование биосистем молекулярного уровня не обрело строгой трактовки в рамках сформулированных ранее концепций ферментативных и иных реакций, равно как и последние не получили на основе структурных данных своей объективной оценки. По-прежнему, фундаментальные различия между обычными химическими реакциями в растворе и реакциями, осуществляемыми ферментами, продолжают видеться в напряжении и деформации субстрата при его сорбции в активном центре в сторону переходного состояния, в индуцированном соответствии и принудительных конформационных изменениях фермента, в его изна- [c.75]

Если стереохимический генетический код не столь же однозначен, как химический генетический код, то можно ли все же его использовать для получения ориентировочных данных с целью последующего уточнения, аналогично тому, как, например, используются рентгеновские дифракционные картины грубого разрешения в кристаллографии белков [c.530]

Некоторые белки и многие пептиды можно получить в кристаллическом состоянии, и они были проанализированы рентгеновской кристаллографией (гл. 3). Дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг показал, что во многих соединениях пептидная цепь свернута в -спираль (рис. 12.14, а) — структуру, подобную винтовой лестнице. При такой структуре углы между связями имеют их нормальные значения и в то же время становятся слабыми пространственные взаимодействия между объемистыми боковыми цепями, которые направлены от центра спирали. Эта структура поддерживается водородными связями между группами С=0 и МН разных остатков, и на один виток спирали приходится 3,6 остатка. Такое скручивание называется вторичной структурой белка. [c.271]

В 1954 г, Лайнус Полинг получил Нобелевскую премию за открытие а-спиральной конфигурации полипептидной цепи, характерной для многих белков. Это открытие явилось началом современной эры применения рентгеноструктурной кристаллографии для установления пространственной структуры сложных органических молекул. Знание такой структуры важно потому, что биологические функции органических молекул зависят от пространственного расположения атомов в молекуле. Дороти Ходжкин установила полную структуру витамина В12 и инсулина. За первую из этих работ она в 1964 г. получила Нобелевскую премию. В 1962 г. за работу по установлению структуры двух глобулярных белков крови— миоглобина и гемоглобина — были награждены Нобелевской премией Джон Кендрью и Макс Перутц, В том же году Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс были удостоены той же награды за открытие двойной спирали ДНК- [c.224]

Впервые анализ пространственной структуры белка методом рентгеновской кристаллографии был осуществлен Кендрью и его коллегами для миоглобина кашалота. Наиболее плодотворным подходом для изучения белков оказался метод многократного или однократного изоморфного замещения (см. предыдущий раздел). К сожалению, поиск таких производных не имеет общих рецептов для различных белков. Как указывалось выше, нет пути, позволяющего предсказать, будет ли данное производное изоморфным по отношению к исходному белку, [c.238]

А н д р е е в а Н. С., Строение глобулярных белков по данным рентгеновской кристаллографии, Успехи современной биологии, том 58, стр. 3 (1964). [c.269]

С совершенствованием техники рентгеновской кристаллографии, а также математических и вычислительных процедур стало возможным уточнить данные о локализации молекул воды, полученные с учетом известных ограничений геометрического характера на основании знаний о химическом связывании [4]. Например, в лизоциме было идентифицировано наличие монослоя, соответствующего 150 молекулам воды [5]. Можно считать, что кристаллы белков наполовину представляют собой воду или маточный раствор и в настоящем анализе могут рассматриваться как концентрированные растворы белка. [c.160]

Влияние аммониевой соли и pH на роль связанной воды В структуре белка [12] еще не совсем ясно и, по-видимому, способно объяснить значительные различия, наблюдающиеся в кристаллографии белков, особенно гемоглобина и миоглобина. Наличие некоторых более мелких пиков, отнесение которых еще не сделано, может быть обусловлено присутствием других молекул воды, фоновыми шумами или ошибками, возникающими ири обрыве ряда Фурье. Данные с более высоким разрешением (1,5 А) были получены с помощью недавно разработанных более быстрых методов, основанных на использовании двумерного счетчика, чувствительного к положению рассеивающего центра . Эти данные в настоящее время анализируются. Карты с более высоким разрешением позволяют анализировать фракцию связанной воды вплоть до степеней заселенности менее 0,2. Исследования со смесями НгО/ОгО различного состава еще более увеличат достоверность химической идентификации этих пиков, получаемых при использовании фурье-метода. [c.229]

Мы часто не представляем себе, как глубоко проникает рентгеноструктурный анализ в различные сферы научных исследований. Рентгеновская кристаллография может быть эффективно использована в любой области науки, где требуется знать положение атомов в кристалле. Объектом изучения может быть структура белков, комплексных соединений, органических молекул или минералов. Параллельно собственно структурным исследованиям идет разработка необходимых вычислительных программ, используемых для облегчения сложных расчетов, которые приходится выполнять после получения дифракционных данных. Кроме этого, непрерывно расширяется и улучшается теория кристаллографии, а также совершенствуются методы измерения и сбора экспериментальных данных. [c.7]

В кристаллографии белков термин изоморфизм обычно применяют к производным белков с тяжелым атомом, так называемым изоморфным производным, а метод использования этих производных носит название метода изоморфных замещений. Различные тяжелые атомы, которые вводят в кристалл, не обязательно занимают одно и то же место в разных производных. [c.216]

Ко времени моего приезда теории Фрэнсиса вышли далеко за пределы кристаллографии белков. Его влекло все мало-мальски значительное. [c.14]

Однако щансов на откровение было мало. Значительная часть рас-суждений о пространственном строении белков и нуклеиновых кислот была пустой болтовней. Хотя работы в этой области велись уже более пятнадцати лет, большинство фактов, если не все, были неубедительными. Иден, выдвигаемые с большим апломбом, обычно принадлежали безответственным кристаллографам, которым очень нравилось, что они работают в такой области, где опровергнуть их не так-то легко. Поэтому, хотя практически никто из биохимиков, включая и Германа, не был способен понять ход рассуждений рентгеноструктурщиков, их это не смущало. Стоило ли изучать сложные математические методы только для того, чтобы копаться в заведомой чепухе В результате никому из моих учителей и в голову не приходило, что я после защиты докторской диссертации захочу работать у кристаллографа. [c.26]

Кроме того, Дж.Д. Бернал и И.Фанкухен уже исследовали ВТМ рентгенографическими методами. Одного этого было достаточно, чтобы испугаться гениальность Бернала давно уже вошла в пословицу, а я не мог и надеяться овладеть кристаллографической теорией так, как овладел ею он. Я даже не сумел понять многие страницы в их классической статье, опубликованной в самом начале войны в Журнале общей физиологии . Это было довольно странное место для подобной публикации, но Бернал тогда был поглощен оборонной работой, а Фанкухен, к тому времени вернувшийся в Штаты, решил поместить сообщение о полученных результатах в таком журнале, за которым следят люди, интересующиеся вирусами. После войны Фанкухен охладел к вирусам, а Бернал, хотя и не оставил вовсе кристаллографию белков, но в основном занимался установлением взаимопонимания с коммунистическими странами. [c.67]

Благодаря разработке целого ряда новых методов и подходов к решению структурных задач, основанных на широком применении ЭВМ и автоматизации трудоемкого дифракционного эксперимента, изучение кристаллической структуры большинства соединений (за исключением сложных биологических объектов — белков и других подобных им соединений) значительно ускорилось и упростилось. Неспециалисту в области кристаллографии войти в курс дела стало гораздо легче достаточно ознакомиться с общими понятиями и номенклатурой симметрийной кристаллографии, основными положениями и формулами теории структурного анали- [c.3]

При всех достижениях теоретического характера по предсказанию формы КД-спектров более ценным часто оказывается эмпирическое сопоставление спектров разных соединений. Например, на рис. 13-14 лриведены КД-спектры спиралей, р-структур и неупорядоченных пептидных цепей, рассчитанные из измеренных спектров в сочетании с анализом реальных структур, которые установлены с помощью рентгеновской кристаллографии [49]. Обратите внимание на глубокий минимум при 222 нм в КД-спектре а-спирали, который в случае р-структу-ры выражен значительно слабее. Для неупорядоченной структуры при этой длине волны КД почти полностью отсутствует. По глубине указанного минимума часто оценивают относительное содержание спиральных участков в белке. [c.27]

Бактериохлорофилл, содержащийся в клетках hromatium, тоже имеет три полосы поглощения с Лтах = 800, 850 и 890 нм. Последняя полоса соответствует бактериохлорофиллу реакционного центра — единственной из форм, которая флуоресцирует. Водорастворимый бактерио-хлорофиллсодержащий белок, выделенный из зеленых фотосинтезирующих бактерий hlorobium, удалось получить в кристаллическом виде. Расщифровка трехмерной структуры этого белка с помощью рентгеновской кристаллографии [83] показала, что каждая из субъединиц (с мол, весом 50 ООО) тримерной (МОлекулы содержит семь встроенных молекул бактериохлорофилла, как это показано на рис. 13-20, . В зе- [c.42]

В 1912 г. Лауэ предположил, что длина волны рентгеновских лучей может быть примерно равной расстоянию между атомами в кристалле таким образом, кристалл может служить дифракционной решеткой для рентгеновских лучей. Этот опыт был проведен Фридрихом и Книппингом, которые действительно наблюдали дифракцию. Вскоре Брэгг (1913 г.) улучшил эксперимент Лауэ в основном путем замены монохроматического излучения полихроматическим и тем, что дал физическую интерпретацию теории рассеяния Лауэ. Брэгг также определил структуру ряда простых кристаллов, включая Na l, s l и ZnS. Со времени возникновения рентгеновской кристаллографии как науки рентгеноструктурный анализ монокристаллов превратился в наиболее широко применяемый и самый мощный метод определения расположения атомов в твердом теле. После 50-х годов с появлением быстродействующих электронно-вычислительных машин, способных обрабатывать рентгенографические данные, стал возможен более детальный анализ структуры таких сложных соединений, как белки. [c.565]

Для типичного значения вщ х = 30° в кристаллографии малых молекул с излучением МоКа значение ( ш)тЫ равно 0,7107 А. Быстрое падение интенсивности с ростом брэгговского угла для макромолекул означает, что разрешение для таких структур в общем случае ограничено величинами порядка 2 А. Хотя разрешение до атома, следовательно, невозможно, на карте электронной плотности можно выделить известные молекулярные фрагменты (например, аминокислоты) для выяснения структуры белка. [c.412]

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 к.т.е. .) вошли кератин, миозин, эпидермин, фибриноген, а во вторую (группа коллагена) - белки сухожилий, соединительных тканей, хрящей и др. У. Астбэри обнаружил, что белки группы к.т.е.Г, имея [c.68]

В 1950 г. публикуется исследование Л. Брэгга, Дж. Кендрью и М. Пе-рутца, 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. [c.70]

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. Перутц и сотрудники - модель молекулы гемоглобина с разрешением 2,2 А. Так был завершен титанический труд кристаллографов Кавендишевской лаборатории, продолжавшийся более четверти века. [c.72]

Кристаллическая структура белка - это очень сложным образом полученная и, по-видимому, самая дорогая во всех отношениях фотография. Представленное на ней изображение позволяет увидеть многие детали внутреннего устройства белковой глобулы. Но, как и любая другая фотография, она не раскрывает ирироды внутренних связей и принципы организации изображенного объекта, его возможного поведения при изменении внешних условий. Кристаллография белка - это морфология биосистемы молекулярного уровня. Для перехода к изучению физиологии белка одной фотографии кристаллической структуры белка, т.е. одной морфологии, недостаточно. На приведенной ниже схеме показана цепочка субординационных взаимоотношений между функцией белка (в данном случае, фермента) и его химическим и пространственным строением. Из схемы видно, что наблюдаемая структура белковой молекулы не имеет непосредственной связи с реализуемой каталитической функцией. Существующая же связь, во-первых, направлена не от функции к структуре, а от структуры к функции, т,е, в сторону, противоположную традиционному направлению поиска, и, во-вторых, включает три промежуточных звена и требует последовательного решения трех задач. [c.76]

Техника "отжига" в конформационном анализе пептидов и белков часто используется в комбинации с методом молекулярной динамики, в котором температура вводится в расчет посредством кинетической энергии. Самый простой и наиболее распространенный алгоритм этого метода был предложен X. Берендсеном и соавт. [189]. Сравнение его с другими алгоритмами метода молекулярной динамики вьшолнено в работе [190]. Комбинированный метод динамического "отжига" применяется в анализе более или менее сложных пептидов, однако непременно с использованием экспериментальных ограничений, получаемых от рентгеноструктурной кристаллографии и ЯМР [191-194]. Расчет, таким образом, сводится к уточнению уже известной структуры или выбору из небольшого числа предполагаемых вариантов. В разработанном М.Сноу подходе привлекаются данные о гомологии белков [195, 196]. Метод "отжига" широко используется, правда с переменным успехом, в конформационном анализе простых пептидов [197-200], причем наиболее популярным объектом является энкефалин, конформационно достаточно простой эндогенный пентапептид, содержащий два остатка Gly [200-206]. Дж. Хиго и соавт. [207] предложили процедуру длительного "отжига" в комбинации с методом взвешенного набора переменных [208] и минимизацией энергии по вторым производным, позволяющим судить об анизотропии потенциальной поверхности. Авторы использовали процедуру для расчета конформационных состояний пептидных петель в белках, структуры которых известны [209]. [c.244]

В9В—1961), английский кристаллограф. Образование получил Кембриджском унивврсигате работал а Университетском колледже, а затем в Королевском институте в Лондоне. Автор фундаментальных работ по изучению пространственной структуры кератина. миозина, фибрина и коллагена. Впервые обнаружил -структуру белков. [c.90]

Реитгеноструктурный анализ сегодня является самым точным и мощным методом расшифровки пространственного строения белков (нередко разрешение достигает 0,15 — 0,2 нм). Основной вклад в разработку рентгеиоструктуриого анализа белков был внесен английской школой кристаллографов (Дж. Бернал, Д. Ходжкин, Дж. Кендрью, М. Перутц, Д. Филлипс и др.). Этим методом к настоящему времени расшифровано строение более 200 белков. Использование новейших методических подходов, наличие современной вычислительной базы позволяет резко сокращать сроки анализа и получать исчерпывающую информацию об упаковке белковой молекулы и ее динамических характеристиках. [c.99]

Хуб р ИиЬег) Роберт (р. 1937). н мец-ммм биохимик и кристаллограф. Окончил Технический университет в Мюнк -не (1960). с 1972 г.— профессор Института биохимии Общества М. Планка в Мартинсриде. Основные работы — в области изучения структуры и функции белков методом кристаллографии. [c.634]

Заметный прогресс в изучении структуры белков начался с конца 70-х годов текущего столетия Если до этого структуры их выводили на основании метода диффракции нейтронов, карт распределения электронных плотностей с введением в молекулы белков тяжелых атомов, то в последующие годы были развиты методы синхронной радиации, методы с использованием компьютерной техники, что сослужило огромнзто службу кристаллографии данных биополимеров В этой связи статичный метена, рентгеноструктурного анализа одиночного кристалла способен дать ди-намичнзгю информацию На основании указанных методов показано, например, что фермент лизоцим имеет оболочку из 33—35 прочно связанных молекул воды и менее упорядоченную область из 95—105 молекул воды, соединенных с белком лишь одной водородной связью Около 60—80% остальной воды распределено в промежутках между кристаллами и не влияет на электронную плотность белка [c.71]

Научные работы посвящены главным образом изучению строения молекул и природы химической связи. Первые исследования относятся к кристаллографии за них он первым в 1931 получил премию И. Ленгмюра. Наряду с американским физикохимиком Дж. Слейтером разработал (1931— 1934) квантовомеханический метод изучения и описания структуры молекул — метод валентных схем (ВС). Создал (1931—1933) теорию резонанса, представляющую собой модернизацию классической структурной теории с ее формульной символикой в рамках квантовомеханическсго метода ВС. Занимается (с 1940-х) вопросами биохимии. Совместно с Дж. Д. Берналом и У. Л. Брэггом заложил (1946—1950) основы структурного анализа белка. Разработал представления о структуре полипептидной цепи в белках, впервые высказав мысль о ее спиральном строении и дав описание а-спи-рали (1951, совместно с американским биохимиком Р. Кори). Открыл молекулярные аномалии при некоторых болезнях крови. Занимался изучением строения дезоксирибонуклеиновой кислоты, структуры антител и природы иммунологических реакций, проблемами эволюционной биологии. В годы второй мировой войны разработал новые горючие смеси и взрывчатые вещества, плазмозаменители для переливания крови и кровезаменители, новые источники кислорода для подводных лодок и самолетов. Автор многих книг, Б том числе монографии Общая химия [c.399]

Развитие рентгеноструктурного анализа — это увлекательная история, начинающаяся с выяснения структуры одноатомных металлов и минеральных солей. В настоящее время этот метод используют для изучения очень сложных молекул, таких, как белки и вирусы. Число органических и металлорганических соединений, изученных с помощью рентгеноструктурного анализа, приближается к 50 ООО. Результаты этих исследований собраны в банке структурных данных [136], обеспечивающем порядок и полноту информации [137]. Целью этой главы являлось рассмотрение факторов, определяющих развитие метода, а именно наличие автоматических дифрактометров, цифровых вычислительных. машин, систем и комплексов кристаллографических программ. Прогресс в кристаллографии тесно связан с прогрессом в технологии компьютеров и ди-фрактрометров (пример — успешная разработка координатного детектора [138]), а также с развитием новых методов решения и уточнения структуры. Благодаря доступности метода и программ современная кристаллография стала популярным методом исследования. В исследовательских проектах, требующих точных структурных данных, неспециалисты в кристаллографии получают результаты, которые невозможно получить другими методами. Мы не пытались рассмотреть здесь многочисленные публикации, посвященные изучению разнообразных химических соединений. [c.269]

Блажей А., Шутый Л. Фенольные соединения растительного происхождения. Пер. со словацк. 1977. 1—51 Берлинер Л. (ред.). Метод спиновых меток. Яер. с англ. 1979. 6—20 Бландел Т., Джонсон Л. Кристаллография белка. Пер. с англ. 1979. 6 р. [c.335]

Для оценки величин взаимодействий белок — вода менее трудоемким способом были проведены следующие приближенные вычисления. На основании предположения, что молекула белка обладает уникальной фиксированной структурой, определяемой методами рентгеновской кристаллографии, рассчитываются взаимодействия между белком и единственной молекулой воды в отсутствие других молекул растворителя. После этого для данной простой системы можо рассмотреть поочередно все положения и ориентации единственной молекулы воды относительно белка. Ниже представлены результаты такого расчета для кристалла ингибитора трипсина из поджелудочной железы быка (ИТПЖБ). Рассчитанные значения энергии, представленные в виде трехмерной карты, весьма информативны в отношении описания пространства, занятого в кристалле растворителем. Вычисления были выполнены для асимметрической ячейки кристалла объемом около 12 ООО А . Ячейка содержала одну молекулу белка (молекулярная масса 6700). Принималось, что одна треть объема кристалла заполнена растворителем. [c.203]

Подобные счетчики принято называть позиционно-чувствительными детекторами (см. Бландел Т., Джонсон Л. Кристаллография белка. Пер. с англ. — М. Мир, 1979, с. 267, 521).— Поим, перев. > [c.229]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология