Самосборка полипептидной цепи

Монография посвящена рассмотрению существующих подходов к изучению принципов молекулярной структурной организации и механизма свертывания белка в нативную конформацию Книга состоит из введения и четырех частей В первой части изложена бифуркационная теория самосборки полипептидной цепи, физическая конформационная теория и метод априорного расчета пространственного строения белка по известной аминокислотной последовательности В других частях рассмотрены конформационные возможности простейших пептидов, сложных олигопептидов и белков Представлены результаты количественного анализа конформационных состояний большого числа пептидов и низкомолекулярных белков Изложен подход автора к решению обратной структурной задачи, позволяющей целенаправленно конструировать наборы искусственных аналогов, пространственное строение которых выборочно отвечает низкоэнергетическим, потенциально биологически активным конформациям природного пептида [c.4]

Важнейшая особенность белковой цепи, определяющая существование необратимых флуктуаций и, следовательно, возможность спонтанного возникновения высокоорганизованной структуры из хаоса, заключена в специфической конформационной неоднородности природной аминокислотной последовательности. Можно утверждать, что суть рассматриваемого явления состоит в наличии четкой взаимообусловленности между химическим строением, конформационными свойствами и необратимыми флуктуациями. Гетерогенность аминокислотной последовательности ответственна за различие в конформационных возможностях ее отдельных участков, что, в свою очередь порождает термодинамическую неоднородность флуктуаций, дифференциацию их на обратимые равновесные и необратимые неравновесные. Сочетание последних и порядок их следования определяют содержание и направленность механизма быстрой и безошибочной самосборки белковой цепи. Отмеченная связь присуща только эволюционно отобранным аминокислотным последовательностям. В случае же гомогенных, регулярных или даже гетерогенных синтетических полипептидов со случайным порядком аминокислот тот же беспорядочный по своему характеру процесс не имеет развития и не выводит цепь из состояния статистического клубка. Сказанного, однако, недостаточно для объяснения высокой скорости сборки трехмерной структуры белка при его биосинтезе или ренатурации. Чтобы беспорядочно-поисковый механизм мог действительно привести к свертыванию цепи, селекция бифуркационных флуктуаций не должна представлять собой перебор возможных комбинаций всех случайных изменений целой полипептидной цепи, количество которых невероятно велико, и сборка структуры даже такого низкомолекулярного белка, как БПТИ, должна была бы продолжаться не менее 10 ° лет. [c.474]

Существующие представления о принципах структурной организации белка и путях многостадийного процесса самосборки полипептидной цепи можно отнести к трем альтернативным точкам зрения. Каждой из них отвечает свой специфический набор экспериментальных и теоретических методов, свой особый подход к изучению этого уникального природного явления и своя возможность в достижении конечной цели - количественного описания механизма сборки и расчета координат атомов нативной трехмерной структуры и динамических конформационных свойств белковой молекулы по известной аминокислотной последовательности. Обсуждению современного состояния и перспектив развития трех направлений исследований структурной самоорганизации белка, условно названных эмпирическим, теоретическим (аЬ initio) и генетическим, уделено в этой книге основное внимание. [c.6]

В данном случае восстановление нативной конформации не требует наличия никаких дополнительных структур. Какие же модели свертывания полипептидной цепи в соответствующую конформацию являются наиболее вероятными Одной из распространенных гипотез самоорганизации белка является гипотеза расплавленной глобулы. В рамках этой концепции вьщеляют несколько этапов самосборки белков. [c.36]

Согласно предложенной феноменологической бифуркационной теории, самосборка белка осуществляется в неравновесной термодинамической системе, состоящей из двух подсистем - одиночной полипептидной цепи и водного окружения. Возникновение в такой системе процесса свертывания белковой цепи и его самопроизвольное развитие от беспорядка к порядку без нарушения второго начала термодинамики обусловлены неоднородностью случайных изменений флуктуирующей белковой цепи - наличием наряду с множеством обратимых равновесных флуктуаций также необратимых (неравновесных, бифуркационных) флуктуаций, определяемых конкретной аминокислотной последовательностью и текущим конформационным состоянием. Последовательная реализация специфического для данной аминокислотной последовательности набора бифуркационных флуктуаций завершается созданием трехмерной структуры белка. Вызванное спонтанным процессом свертывания уменьшение энтропии одной подсистемы - гетерогенной полипептидной цепи - компенсируется повышением энтропии другой подсистемы - окружающей среды (см. разд. 2.1). [c.586]

Термин четвертичная структура относится к макромолекулам, в состав к-рьк входит неск. полипептидных цепей (субъединиц), не связанных между собой ковалентно. Такая структура отражает способ объединения и расположения этих субъединиц в пространстве. Между собой отдельные субъединицы соединяются водородными, ионными, гидрофобными и др. связями. Изменение pH н ионной силы р-ра, повышение т-ры или обработка детергентами обычно приводят к диссоциации макромолекулы на субъединицы. Этот процесс обратим при устранении факторов, вызывающих диссоциацию, может происходить самопроизвольная реконструкция исходной четвертичной структуры. Явление носит общий характер по принципу самосборки функционируют многие биол. структуры. Способность к самосборке свойственна и отдельным фрагментам Б.-до-меиам. Более глубокие изменения конформации Б. с нарушением третичной структуры наз. денатурацией. [c.250]

Эти опыты показывают, что программа самосборки белка закодирована в его первичной структуре. По всей вероятности, важное значение при ренатурации белка имеет образование ядер , т. е. небольших участков упорядоченной вторичной структуры (стадия нуклеации). За этим сравнительно медленным процессом следует быстрое сворачивание цепи в нативную структуру. На первых этапах ренатурации белков, в поддержании нативной конформации которых участвуют дисульфидные мостики, образуются промежуточные производные с правильными и неправильными дисульфидными связями. В ряде случаев удавалось останавливать процесс ренатурации на определенных стадиях и выделять такие частично свернутые формы. Поскольку в целом сборка белка является достаточно быстрым процессом, можно сделать вывод о том, что природа не перебирает все возможные комбинации в очередности замыкания дисульфидных мостиков (при 4 S—S-связях их 105, а при 5 — уже 945), а сворачивание полипептидной цепи идет по ограниченному числу направлений и приводит к конформации, характеризующейся минимальной свободной энергией. [c.105]

Характерной особенностью белков с четвертичной структурой является их способность к самосборке. Легко происходит, например, самосборка гемоглобина из смеси а- и (1-цепей. Таким образом, в аминокислотной последовательности полипептидных цепей олигомерного белка закодированы как бы два уровня информации один [c.122]

Скручивание полипептидной цепи обусловливается специфик ческими связывающими свойствами составляющих ее элементов. Получено много экспериментальных данных, подтверждающих гипотезу (22—24] о том, что конформация белковой молекулы является просто функцией ее аминокислотной последовательности и вся структурная информация содержится в ее первичной структуре. Если нативному состоянию соответствует только ассоциированная молекула, то можно предположить, что процесс самосборки до ассоциированной молекулы (т. е. спонтанная равновесная ассоциация) приводит к достижению минимума свободной энергии, а, следовательно, единичная полипептидная цепь в нативной конформации не стабильна. [c.391]

Пространственные структуры нативных белков достаточно устойчивы в том смысле, что они способны до некоторого предела обратимо изменять свои свойства при механических деформациях (адсорбция фермента на мембране) и некотором изменении pH раствора или температуры, но теряют свои биологические и каталитические свойства при достаточно сильных воздействиях. Известно около десятка примеров, наиболее показательный из которых относится к рибонуклеазе, когда после разрушения пространственной структуры белка и образования хаотической полипептидной цепи возвращение системы в исходное состояние осуществляется путем самосборки под действием внутримолекулярных сил. Однако для большинства изученных ферментов после критических изменений конформации молекулы простыми способами уже не удается достичь исходного состояния, и денатурация в этом случае относится к практически необратимым процессам. [c.87]

Удовлетворение этих достаточно жестких требований в сочетании с плотной нерегулярной конфигурацией и при отсутствии большого числа остатков в конформациях с высокой энергией обусловливает уникальный характер белковой глобулы. Определенная конформация данной полипептидной цепи в глобулярном белке является в этом смысле действительно исключительным явлением, а не просто одной из многих возможных конформаций, лишь слегка различающихся по энергии. Согласованность ближних и дальних взаимодействий обеспечивает направленный характер самосборки глобулы при зарождении элементов будущей вторичной структуры уже на ранних стадиях сворачивания. Для обеспечения этого необходимо, чтобы в цепи возникали регулярные (а- и -) участки, имеющие хотя бы одну непрерывную гидрофобную поверхность. Это условие является грубым . Более тонкие свойства структуры функциональных белков связаны с определенным расположением остатков на поверхности для топографической совместимости белков вторичной структуры, с наличием гидрофобных и гидрофильных поверхностей на разных сторонах некоторых а-спиральных участков. [c.215]

Термин самосборка был предложен биохимиками для описания способности макромолекул к спонтанной ассоциации. Сначала было установлено, что информация, заложенная в аминокислотной последовательности полипептидной цепи, может преобразовываться в стереохимическую информацию о третичной структуре преобразование происходит путем свертывания цепи с образованием глобулярной биологически активной конформации. Это превращение обусловлено физико-химическими свойствами самих молекул. Вскоре выяснилось, что способность к самосборке присуща и другим макромолекулам и целым клеточным органеллам. [c.211]

Рис. 3-48. Полипептидный гормон инсулин синтезируется в виде белка-предшественника проинсулина, который свертывается нужным образом, а затем расщепляется протеолитическим ферментом. Поэтому после восстановления дисульфидных связей инсулин не может самопроизвольно принять исходную конформацию. Вырезание части полипептидной цепи проинсулина приводит, таким образом, к потере информации, необходимой для самосборки молекулы.

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что составляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипопл-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки. [c.345]

В результате воздействия тех же сил, которые стабилизируют структуру глобулярных белков, фосфолипиды в водных растворах самопроизвольно формируют бислои и липосомы. Вспомним, что в воде полипептидная цепь принимает такую конформацию, при которой гидрофобные R-группы аминокислотньк остатков расположены внутри глобулы и тем самым защищены от контактов с водой, тогда как гидрофильные полярные R-группы торчат наружу, контактируя с водной средой. Совершенно то же самое происходит и с полярными липидами они способны к самосборке в структуры, в которьк неполярные углеводородные цепи спрятаны, а полярные группы обращены к воде. Сами по себе трнацилглицеролы не могут формировать мицеллы, поскольку они не имеют полярньк голов однако в смеси с фосфоглицеридами они образуют мелкодисперсные эмульсии, в капельках которьк молекулы фосфоглицеридов располагаются на поверхности, а три-ацилглицеролы-внутри. Подобное строение имеют жировые капельки в клетках (рис. 12-5), а также хиломикроны. [c.342]

В серии работ П. Льюиса и Г. Шераги [74, 75] рассмотрен механизм свертывания полипептидных цепей в белках при учете только ближних взаимодействий. Предполагалось, что в процессе ренатурации или сразу же после биосинтеза самосборка белковой цепи в нативную конформацию начинается с образования а-спиралей, которые в дальнейшем и определяют направление свертывания окончательной структуры. Следовательно, в этих работах постулировалось, что регулярные конформации являются самыми стабильными формами в гетерогенной последовательности, составляют жесткую основу глобулы и играют ключевую роль в процессе самосборки белковой цепи. Сближенность спиралей и образование контактов между ними осуществляются так называемыми -изгибами. С. Венкатачалам ранее показал, что поворот цепи на 180° может происходить на участке из четырех остатков с определенными комбинациями форм их основных цепей [76]. Позднее Е.М. Поповым и сотрудниками была получена энергетическая оценка всех возможных конформационных состояний двух центральных остатков тетрапептида, обеспечивающих такой поворот цепи [77], П. Льюис и Г. Шерага рассмотрели аминокислотный состав тетрапептидов в трех белках известной структуры и отметили повышенную тенденцию находиться в -изгибах у остатков Ser, Thr, Asn, Asp, Glu, Pro, Trp и Tyr [74]. Поворотные сегменты являются менее гидрофобными, чем белок в целом. Вначале авторы полагали, что в образовании изгибов, как и в случае регулярных структур, важное значение имеют лишь ближние взаимодействия. Это послужило основой определения вероятности локализации каждого остатка в одном из четырех мест -изгиба независимо от соседей. Вероятность появления изгиба определялась как произведение индивидуальных вероятностей четырех остатков, найденных с помощью статистического анализа. В дальнейшем при рассмотрении аминокислотного состава 135 -изгибов в структурах восьми белков к остаткам, имеющим наибольшую склонность образовывать повороты цепи, Льюис и Шерага отнесли Ser, Thr, Asp и Asn [78]. На основе расчета трех тетрапептидов в различных конформационных состояниях, имеющих изгибы, они пришли к заключению, что в местах поворота цепи остатки не ведут себя независимо. Их конформации взаимообусловлены и, кроме того, подвержены влиянию [c.249]

Качественное изменение ситуации в изучении механизмов свертывания белковых цепей наметилось в самом конце 1980-х годов. Оно вызвано открытием нового класса белковых молекул, существование которых мало кто предполагал, во всяком случае, оно представлялось маловероятным. Их функции в жизнедеятельности клеток заключаются в содействии правильной невалентной сборки других белков, не становясь, однако, компонентами их окончательных физиологически активных структур. Белки этого класса получили название молекулярных шаперонов . Открытие шаперонов вместе с известными ранее, но необобщенными и не привлекшими к себе должного внимания данными поколебало, особенно на первых порах, общепринятую точку зрения на принципы структурной организации белковых молекул. Новые факты неизбежно вели к заключению, что существовавшее представление о свертывании полипептидной цепи in vivo как о самосборке белка, по меньшей мере не совсем точно отражает реальный процесс. Необходимость пересмотра устоявшегося мнения о взаимосвязи между химическим и пространственным строением белковых молекул диктовалась новыми экспериментальными данными, число которых начинает возрастать лавинообразно. Все они свидетельствовали об уменьшении выхода, замедлении скорости и даже полном прекращении сборки трехмерных структур одних белков по мере снижения вблизи рибосом концентрации других белков. Стали известны две группы молекулярных посредников, функции которых в клеточной сборке белковых цепей оказались значительными и разнообразными. Они влияют на скорость свертывания цепи, целенаправленно ускоряя или замедляя созревание нативной конформации, определяют порядок формообразования сложных комплексов, стимулируя реорганизацию белок-белковых взаимодействий в олигомерных структурах, облегчают деградацию неправильно свернутых цепей, стабилизируют, транспортируют и соединяют в соответствующих клеточных компартментах [c.412]

Участие посторонних белков в сборке, как оказалось, не соответствует традиционному представлению о наличии прямой аналогии между механизмами свертывания полипептидных цепей в искусственных условиях и клетке. Ставшие известными функции молекулярных шаперонов потребовали определенной коррекции давно сформулированного и многократно подтвержденного в опытах in vitro принципа не нуждающейся в каких-либо посредниках самосборки белка. Выяснилось, что это не совсем так. Более того, оказалось, что в сложных клеточных условиях нужны белки, ассистирующие не только котрансляционное и посттрансляционное свертывание полипептидных цепей, но и помогающие транспорту белковых молекул через мембраны, реорганизации, диссоциации и ассоциации белков в олигомерные комплексы, сборке олигомеров внутри органелл и ликвидации белковых повреждений, вызванных стрессовыми и иными внешними воздействиями. [c.420]

Как сказано выше, вероятно, что такие молекулярные осцилляторы, даже разделенные средой (водой), образуют синхронно ьолеблющиеся ансамбли. Однако в ходе эволюционного совершенствования вырабатываются более надежные химические, а не физические способы создания определенных ансамблей специфических макромолекул . Эти способы известны и естественны— самосборка ансамблей макромолекул в результате специфического взаимодействия макромолекул друг с другом, основанного а химических и физико-химических механизм,ах. Речь идет здесь об образовании макромолекулярных агрегатов определенной формы, обусловленной последовательностью аминокислот в полипептидной цепи. Существование таких ансамблей не ограничено лищь временем их функционирования. Возникшие молекулярные ансамбли проходят свой обычный эволюционный путь — совершенствование посредством специализации, разделения функций. Автоматический ритмический режим изменения конформаций должен быть подчинен задачам целесообразного движения, что достигается наиболее естественным образом путем регуляции ферментативной активности макромолекулы и тем самым частоты ее конформационных колебаний. [c.177]

Принции самосборки молекулы иммуноглобулина из изолированных цепей закодирован в третичной структуре полипептидных цепей. На его основе происходит сборка молекул иммуноглобулинов в клетках, участвующих в их синтезе (см. гл. 5). [c.58]

Структурную организацию белков, механизм их самосборки и функционирования принято рассматривать в свете трех основных принципов. Во-первых, позднее будет показано (гл. 6), что последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется ДНК-матрицей, направляющей синтез белка (гл. 26). Во-вторых, принимаемая полипептидной цепью трехмерная конформация полностью определяется специфической аминокислотной последовательностью этой цепи, и изменения в последовательности, происходящие вследствие генетических мутаций, приводят к образованию конформационно измененных и частично менее стабильных, менее акт1гвных или неактивных белков. В-третьих, специфическая активность белка как фермента, гормона, переносчика кислорода и т. д. зависит от его конформации. Хотя белки представляют собой динамические структуры, даже ограниченные изменения конформации могут привести к потере биологической активности. [c.101]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология