Стабилизация конформации молекулы белка

Стабилизация конформации молекулы белка [c.390]

Фиг. 83. Стабилизация определенной конформации молекулы белка.

Следует указать также, что гидрофобные взаимодействия сами могут иметь значение для стабилизации определенной конформации (а-спираль, /3-структура) остова молекулы белка. [c.383]

При эмпирическом подходе и обсуждении пространственного строения белковых молекул речь всегда идет лишь о конфигурации полипептидной цепи при полном игнорировании конформационных возможностей боковых цепей аминокислотных остатков. Между тем, именно взаимодействия боковых цепей, в которые входят около двух третей атомов молекулы белка, ответственны в наибольшей степени за стабилизацию и уникальные физические и биохимические свойства нативной конформации природной гетерогенной аминокислотной последовательности. В силу этого обстоятельства на локальных участках белковой цепи в зависимости от аминокислотного порядка возможна реализация самых разнообразных структур, причем, главным образом, нерегулярных. Представление о том, что у гетерогенной последовательности наиболее компактными, энергетически предпочтительными во всех случаях оказываются только структуры с регулярной основной цепью, не подкрепляется физическими соображениями общего характера, противоречит экспериментальным данным и результатам теоретического анализа. У белков с нерегулярным расположением вдоль цепи боковых радикалов пространственные структуры с регулярными формами основной цепи, очевидно, не могут во всех случаях обеспечить максимальное число эффективных внутримолекулярных контактов, а поэтому не могут быть всегда самыми стабильными. [c.80]

Гидрофобные взаимодействия возникают в белке, находящемся в состоянии клубка. В том случае, когда большинство связей, стабилизующих вторичную структуру, разорвано, даже малое число гидрофобных взаимодействий играет решающую роль в стабилизации конформации. Нужно еще отметить, что наличие гидрофобных групп в белковой молекуле, вполне возможно, является не только фактором, стабилизирующим нативную пространственную структуру, но и имеет непосредственное значение для каталитического акта. Как подчеркнул Перутц [87], неполярная среда с низкой диэлектрической проницаемостью, возможно, усиливает электростатические взаимодействия субстрата с полярными группами фермента, увеличивая тем самым скорость химических реакций. В работах Березина и Мартинека с сотр. [88] обнаружено, что гидрофобным взаимодействиям принадлежит главная роль при связывании конкурентных ингибиторов а-химо-трипсином. [c.19]

Приведенные результаты ясно показывают, как велика биологическая роль гидрофобных взаимодействий. Именно они в значительной мере ответственны за стабилизацию белковых молекул с их спрятанными в глубине структуры углеводородными боковыми группами. Кроме того, конформация белков должна быть чувствительной к составу растворителя, особенно если изменение этого состава влияет на распределение углеводо- [c.267]

Несмотря на некоторое сходство, эти два белка имеют совершенно разную конформацию, что еще раз подчеркивает важную роль аминокислотной последовательности и размера цепи в определении конкретной структуры. Рассмотрим сначала лизоцим (129 остатков), морфология которого может быть описана вытянутым эллипсоидом (45 х 30 х 30 А) с удаленной клинообразной областью. Образовавшаяся щель представляет собой активный центр фермента. Молекула содержит лишь небольшое число участков, подобных а-спирали (остатки 5 — 15, 24 — 34, 88 — 96), и несколько более коротких участков, остатки которых имеют почти такие же углы фиф, как и у а-спирали или 3,о-спирали . Важная особенность структуры — наличие -слоя (рис. 5.18). Он образован тремя антипараллельными цепями (остатки 42 — 48, 49 — 54 и 57 — 61), связанными водородными связями, в которых участвуют амидные и карбоксильные группы, а также атомы боковых цепей серина, треонина, аспарагина и глутамина. Некоторые из перечисленных боковых групп принадлежат не остаткам самого -слоя, а остаткам, расположенным дальше по цепи. Считается, что эта 3-структура играет очень важную роль в определении нативной конформации фермента и ее стабилизации. Сомнительно, однако, чтобы указанная область со столь большим числом поперечных водородных связей была так же важна для формирования структуры в целом, как гидрофобные взаимодействия, поскольку сама молекула белка может денатурировать в водном растворе мочевины. [c.275]

Алифатические К-группы аланина, валина, лейцина и изолейцина и ароматические К-группы фенилаланина, тирозина и триптофана гидрофобны это свойство приводит к одному очень важному последствию—образованию упорядоченного поверхностного слоя молекул воды в области поверхности молекулы белка, где экспонированы неполярные К-группы. Заряженные К-группы основных и кислых аминокислот играют важную роль в стабилизации специфической конформации белка путем образования солевых связей. Кроме того, аминокислоты с положительно и отрицательно заряженными К-группами, а также гистидин могут участвовать в формировании систем переноса заряда , которые в ходе ферментативного катализа обеспечивают перемещение заряда на значительные расстояния. Наконец, уникальная и очень важная роль в ферментативном катализе принадлежит гистидину—рК имидазольной группы таково, что эта аминокислота при pH = 7 может попеременно выступать в роли основного или кислотного катализатора. [c.29]

Гидрофобные взаимодействия возникают вследствие стремления неполярных боковых цепей избежать соприкосновения с водой подобно тому, как это имеет место у липидов (гл. 3). Водородные связи так же, как и гидрофобные взаимодействия, сами по себе намного слабее ковалентных, но вследствие реализации большого числа таких связей в молекуле белка имеется достаточно энергии для стабилизации его конформации в условиях клетки. [c.96]

До сих пор при рассмотрении периодических структурных элементов полипептидной цепи не принималось во внимание влияние боковых радикалов аминокислот на конформацию белковой молекулы. Но белки, в особенности глобулярные, характеризуются трехмерным расположением полипептидной цепи, за стабилизацию которого помимо обсуждавшихся водородных связей в основном ответственны нековалентные взаимодействия. [c.381]

На последнем этапе формируется нативная конформация белковой молекулы, связанная с замыканием дисульфидных связей и окончательной стабилизацией белко-Рис. 3.10. Нативная структура ВОЙ конформации. Не исключена также не-рибонуклеазы специфическая агрегация частично сверну- [c.36]

Клубкообразная структура не является единственно возможной для макромолекул. В определенных случаях силы, действующие между соседними атомами цепи, столь велики, что тепловое движение не может привести к изгибанию и скручиванию цепи. При этом осуществляется линейная структура типа одномерного кристалла. Частица имеет палочкообразную форму, характерную, например, для некоторых полипептидов. Существенную роль в стабилизации такой конформации играют специфические силы (водородная связь), действующие между несоседними атомами цепи и приводящие к образованию внутримолекулярной структуры. В других случаях макромолекула принимает форму жесткой глобулы, имеющей приблизительно сферическую форму и близкой по своим свойствам к коллоидной частице. Такая структура характерна для многих глобулярных белков. Известны также промежуточные по своим структурным свойствам макромолекулы. Таковы, например, молекулы нативной дезоксирибонуклеиновой кислоты, не имеющие, по-видимому, строго палочкообразной формы и в то же время свернутые в клубки не столь сильно, как молекулы большинства карбоцепных полимеров. [c.15]

В последнее время все сходятся на том, что вклад Н-связей в стабилизацию оптимальной конформации биологических молекул раньше преувеличивали. Поскольку растворителем в биологических системах является вода, которая сама способна к образованию водородных связей (рис. 1.3), разрыв водородной связи в белке не следует воспринимать так, как это показано в уравнении (а). [c.22]

Выбранный для первого в научной практике априорного расчета белковой трехмерной структуры объект, безусловно, должен быть низкомолекулярным, однодоменным, состоять из одной полипептидной цепи и являться прямым продуктом биосинтеза. Далее, его нативная конформация должна включать систему дисульфидных связей, поскольку в настоящее время эти связи служат, если и не единственным, то, во всяком случае, самым надежным источником информации о структуре промежуточных метастабильных состояний. Кроме того, для выяснения принципов пространственной организации белков существенный интерес представляют количественные оценки основных факторов стабилизации двух сравнительно часто встречающихся регулярных форм пептидной цепи - а-спирали и -структуры. Поэтому желательно, чтобы пространственная структура выбранного для расчета белка содержала наряду с неупорядоченными участками также вторичные, регулярные структуры обоих видов. Понимание структурной организации белковых молекул не является конечной целью, а необходимо для последующего изучения их биологического действия, т.е. решения проблемы структурно-функциональной организации белков. Поэтому важно, чтобы белок, выбранный в качестве простейшего для изучения его структурной организации, оказался бы и удачным модельным объектом для установления принципов взаимосвязи между структурой и функцией. Он должен обладать простой и хорошо изученной экспериментально функцией. [c.427]

Полимерные цени, к которым относятся указанные выше замечания, могут принимать множество форм беспорядочных клубков , ни одна из которых не обладает какими-нибудь преимуществами перед другими. Однако ограниченный класс линейных цепных молекул способен принимать в растворе строго определенные конформации, соответствующие свернутым в спираль стержневидным структурам. Такое поведение типично для некоторых белков, нуклеиновых кислот и их синтетических аналогов. Переход формы цепи из беспорядочного клубка в спиральную конформацию можно рассматривать как одномерный аналог кристаллизации, и, таким образом, значение принципов, лежащих в основе такого явления, выходит за рамки профессиональных интересов химика, имеющего дело с полимерами. Кроме того, очевидно, что только большие молекулы с такими точно определенными пространственными соотношениями, какие, например, следуют из упорядоченных конформаций белков и нуклеиновых кислот, могут проявлять высокую специфичность молекулярных взаимодействий, являющихся неотъемлемой частью жизненных процессов. Это соображение, несомненно, послужило причиной огромных усилий, затраченных в последние годы на детальное выяснение условий, способствующих стабилизации упорядоченных образований в растворах полипептидов и полинуклеотидов. Возникающая в связи с этим проблема опреде-.ления сил, ответственных за складывание полипептидных цепей, состоящих из спиральных и неспиральных участков, в своеобразную третичную структуру нативных белков (см. раздел В-5) остается предметом будущих исследований. [c.86]

Данные об аминокислотной последовательности могут оказаться чрезвычайно информативными в тех случаях, когда что-то уже известно о функции белка, особенно если он взаимодействует с другими крупными биополимерами. Два примера белков такого рода (гистон и гликофорин) приведены на рис. 2.16. Гистоны прочно связываются с ДНК. Мы уже указывали, что большое число положительно заряженных аминокислот в гистонах, по-видимому, необходимо для стабилизации взаимодействия с таким полианионом. Как видно из рис. 2.16, у4, у Ы-конца последовательности находится необычный кластер положительно заряженных аминокислот. Напрашивается предположение, что этот участок имеет вытянутую конформацию и может спиралеобразно закручиваться вдоль довольно протяженного участка ДНК. Остальная часть белковой молекулы имеет обычный аминокислотный состав и, по-видимому, свертывается с образованием типичной глобулярной структуры. [c.73]

Приведенные результаты указывают на важную роль водной среды в стабилизации упорядоченных конформаций нуклеиновых кислот. Здесь можно провести аналогию с белками, где гидрофобные взаимодействия тоже занимают центральное место в формировании упорядоченных структур. Таким образом, весьма незначительные на первый взгляд молекулы воды играют очень больщую биологическую роль. [c.309]

При той причине, что белки функционируют в водной среде, а вода обладает исключительно сильно выраженным деассоциирующим действием, образование белковых конформаций не может быть объяснено одним лишь большим числом водородных связей в спиральной и -структурах. Помимо водородных связей решающий вклад в стабилизацию конформаций вносят ионные связи, вандерваальсовы дисперсионные силы и особенно гидрофобные взаимодействия. Под гидрофобными взаимодействиями понимают тот факт, что в водной среде гидрофобные группы плотно контактируют друг с другом с тем, чтобы уменьшить поверхность контакта с водой. Причина этого лежит в том, что соприкосновение гидрофобных групп с окружающими молекулами воды энергетически невыгодно. Об этом говорит то, что значение ДЯ° слегка превышает нулевое. Рассмотрим окружение некоторого гидрофобного бокового радикала таким образом, что оно будет охарактеризовано определенным упорядоченным состоянием молекул воды. Если две гидрофобные группы вступают во взаимодействие, то умень- [c.381]

Если молекулы или макромолекулы содержат заряженные группировки, то диполи воды образуют вокруг них гидратные оболочки. Такая вода называется связанной. Слой воды вокруг белка может достигать 1,5—2,0 нм, что существенно влияет на строение и свойства последнего. Таким образом, вода в организме присутствует в свободной и связанной формах. Большой интерес представляет структура воды при переходе в твердое состояние. В кристалле льда молекулы воды образуют гексагональную структуру. Предполагается, что именно льдообразная вода (рис, 1.2) поддерживает третичную структуру ряда макромолекул. Часть связанной воды локализована внутри надмолекулярных структур и также участвует в стабилизации конформации макромолекул. [c.10]

Конформационные состояния пептидов определяются теми же силами и взаимодействиями, что и пространственная структура белков. Однако меньшие размеры молекул снижают число анутри-молекулярных контактов в пептиде, что приводит к увеличению роли среды в стабилизации конформации пептида, уменьшению энергетической дифференциации форм и в целом к увеличению конфор-мационной подвижности пептидов по сравнению с белками, фрагментами которых в ряде случаев они и являются. Этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что для большинства природных и синтетических линейных пептидов исследования в растворах не обнаружили четко фиксированных структур. Как экспериментальные, так и расчетные данные свидетельствуют об участии в равновесии сложного ансамбля конформеров, из которых с большей или меньшей степенью надежности выявлялись характеристики отдельных форм. При этом оставался открытым вопрос о том, какая из выявленных форм отвечает биологически активной [c.106]

Первоначально считалось, что роль Са(П) в ферментативном механизме нуклеазы стафилококка заключается в стабилизации конформации белка, необходимой для ферментативной активности и связывания субстрата в ходе гидролиза фосфата [299]. Проведенный в дальнейшем анализ карты электронной плотности тройного комплекса при высоком разрешении [297] показал, что ион Са(П) может взаимодействовать с -фосфатной группой кольца рибозы в ходе гидролиза эфиров либо через молекулу координированной воды, либо через связанный ион гидроксила. На рис. 26 представлена область активного центра, в которой координирован ион Са(П). На основе интерпретации карты электронной плотности с разрешением 200 пм предложена гексакоординацня иона Са(П) с близким к плоскостному расположением донорных атомов кислорода карбоксильных групп аспартата-19, аспартата-21, аспар-тата-40 и глутамата-43 [297, 299]. Атом кислорода карбонильной группы треонина-41 находится внутри координационной сферы центрального нона Са(И), вероятно, напротив координационного места, занятого молекулой воды. Более сложная вторая координационная [c.115]

Денатурация представляет собой изменение расположения пептидных цепей в молекуле белка, которое возникает вследствие разрыва ряда слабых связей при действии денатурирующих факторов, т. е. изменение конформации цепей. Компактно уложенные в нативном белке, цепи разворачиваются и снова свертываются, причем в зависимости от способа денатурации и условий среды они могут либо остаться развернутыми, либо принять исходную специфическую конфигурацию (обратимая денатурация), либо свернуться новым способом, образовав новую конфигурацию. Степень депатурационного изменения, естественно, может быть очень различной — от небольших структурных изменений до глубокого изменения архитектоники полипептидных цепей. Денатурацию белков можно предотвратить или значительно ослабить стабилизацией (упрочнением) их макроструктур. [c.35]

ДЛЯ данного полипептида, тем не менее определяется его первичной структурой. Стабилизация каждой данной третичной структуры осуществляется в результате специфических взаимодействий между специфическими для данного белка аминокислотными остатками, образующими специфическую для данного белка последовательность например, определенные карбоксилатные группировки соединены водородной связью с определенными остатками тирозина, другие карбоксилатные группы взаимодействуют электростатически с гуаниди-ниевыми группировками определенных остатков аргинина, а какие-то неполярные группировки аминокислотных остатков находятся в тесном контакте вследствие вытесняющего влияния растворителя. Вообще говоря, при изменении аминокислотного состава или последовательности аминокислот в первичной структуре характер названных взаимодействий должен изменяться, а это должно привести к образованию других конформаций белка. Свертывание в определенную конформацию, присущую данной белковой молекуле, вероятно, происходит постепенно, короткими участками, в процессе синтеза белка, поскольку соединенные аминокислотные остатки каждой вновь образованной молекулы белка отделяются от матрицы (информационной рибонуклеиновой кислоты) в строго определенной последовательности. [c.27]

Согласно существовавщей до недавнего времени традиционной точке зрения для поддержания внутримолекулярной структуры полимеров в растворах необходимо наличие специального типа взаимодействий, в частности — водородных связей. Именно этого типа внутримолекулярные взаимодействия считали ответственными за спиральную конформацию молекул полипептидов, белков и нуклеиновых кислот (см., например, [251, 510]). Лишь в последнее время стали допускать, что ван-дер-ваальсовы взаимодействия между гидрофобными группами цепи также участвуют в стабилизации спиральной структуры молекул указанных полимеров 538—540]. [c.264]

Химии дисульфидных связей посвяш ен ряд обзоров, в которых рассматриваются как белки [252, 253], так и органические молекулы других типов [254—258]. Караш [254, 257] и Приор [256] внесли большой вклад, в изучение механизмов реакций двухвалентной серы, и в их обзорах значительное число реакций образования и расш,епления дисульфидов классифицировано на основании этих механизмов. Большой интерес к реакциям образования и расщепления связи 8 — 8 в природных полимерах объясняется различными причинами [255]. Во-первых, эти процессы представляют интерес с точки зрения электронной теории и стереохимии связи 8 — 8. Во-вторых, существенно выяснение взаимосвязи между биологической активностью и конформацией макромолекул и роли дисульфидных связей в стабилизации активной конформации. В-третьих, важно определить роль дисульфидных связей в реакциях, приводящих к денатурации, коагуляции и другим конформационным изменениям молекул белка. В-четвертых, интересно значение дисульфидных связей для процессов- [c.399]

Оценивая роль различных взаимодействий в стабилизации глобулярных бел-ков, следует считать, что характер нативной конформации определяется не каким-либо одним эффектом, а представляет собой результат совместного тонко сбалансированного действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Водородные связи, образованные между полярными группами и водой и внутри глобулы, — главный фактор в обеспечении стабильности отдельных областей молекулы белка. Они ограничивают локальные конформационные изменения внутри белка, определяя жесткость конструкции и общий характер потенциальных барьеров для внутренних движений частей нативной структуры. В то же время гидрофобные взаимодействия между боковыми группами на отдельных участках основной цепи играют решаюшую роль в процессах сворачивания глобулы из первичной аминокислотной последовательности и в определении ее общей формы. В обоих случаях вода как растворитель имеет огромное значение, облегчая полярные взаимодействия за счет образования водородных связей как на поверхности, так и внутри макромолекулы белка. [c.234]

Часть углеводородных групп в молекуле белка, которые могут осуществлять гидрофобные взаимодействия, велика. К ним относятся боковые цепи остатков валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина, триптофана, пролина и аланина. У большинства белков эти остатки составляют 35—45% всего аминокислотного состава. В гидрофобных взаимодействиях могут участвовать и углеводородные фрагменты полярных боковых цепей. У. Козман предполагает, что пептидных водородных связей вполне достаточно для стабилизации нативной конформации белка. О большой роли гидрофобных взаимодействий свидетельствует сильный денатурирующий эффект слабополярных растворителей, в частности спиртов. Действие таких растворителей определяется контактами с углеводородными группами, которые нарушают гидрофобные взаимодействия. Денатурирующее действие спиртов на белки возрастает с увеличением размеров алифатического радикала. Сильный денатурирующий эффект мочевины и гуанидиновых солей также объясняется их способностью ослаблять гидрофобные взаимодействия. В то же время известно, что электролиты, как правило, являются слабыми денатурирующими агентами. Это, по-видимому, связано с тем, что солевые связи в белке не вносят существенного вклада в стабилизацию нативной конформации. [c.240]

Итак, решение конформационной задачи для линейной последовательности Leu - ys привело нас к рассмотрению одного из наиболее интересных вопросов пространственной организации белковых молекул. Он касается конформационных аспектов образования дисульфидных связей и их роли в стабилизации трехмерной структуры белка. В исследовании пространственного строения нейротоксина II, как и в исследовании всех других цистинсодержащих пептидов (см. гл. 10), мы исходили только из известного химического строения белка, не делая каких-либо предположений о сближенности соответствующих остатков ys и наличии четырех дисульфидных связей в молекуле. Предполагалось, что механизм свертывания белковой цепи является детерминированным, причем таким образом, что стерически возможными или энергетически наиболее предпочтительными становятся взаимодействия между вполне определенными остатками Суз. При справедливости этой гипотезы и правильности положенной в основу расчета нейротоксина II теории пространственной организации белка, а также при адекватности используемых потенциальных функций реальным атом-атомным взаимодействиям конформационный анализ линейной последовательности должен автоматически привести к установлению соответствующих цистеиновых пар-Рассмотрев конформационные возможности фрагмента Leu - ys , мы сможем оценить достоверность результатов расчета и отмеченных общих положений. Последовательность Leu - ys содержит три остатка цистеина, которые могут образовывать одну из трех дисульфидных связей ys - ys 7, ys - ys , ys - ys или оставаться вне взаимодействия. Рассмотрим возможности создания S-S-мостиков у иизкоэнергетических конформаций фрагмента, представленных в табл. IV.I. У двух конфор- [c.418]

Метиониновые остатки могут придавать молекуле белка гидрофобные свойства, что играет важную роль в стабилизации активной конформации ферментов в солевом окружении. [c.243]

Третичная структура белков, обусловленная взаимодействием боковых цепей аминокислот, не приводит к такой высокой упорядоченности структуры, как в предыдущем случае. Помимо водородных связей важным фактором стабилизации третичной структуры является образование дисульфидных связей. Молекула инсулина имеет три таких дисульфидных мостика, два из которых соединяют две отдельные полипептидные цепи в молекулу. Третичная структура часто придает белковой молекуле такую конформацию, при которой гидрофильные группы (ОН, ЫНз, СО2Н) расположены на поверхности молекулы, а гидрофобные группы (алкильные и арильные боковые цепи)[ направлены внутрь, к центру молекулы. [c.302]

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 р-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 пептидные водородные связи N-H...O= 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 дифиль-ные. 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. [c.73]

Коллаген и родственные коллагену полипептиды относятся к третьему классу фибриллярных белков и, как было показано Рамачандраном и Карта [91], имеют структуру тройной спирали. Синтетические полипептиды с последовательностями остатков, моделирующими коллаген (один остаток амино- на два остатка имино-кислот), на протяжении многих лет изучаются в лаборатории Н. С. Андреевой 192, 93 94, р. 173 95, V. 1, р. 291]. Н. Г. Есипова и Н. С. Андреева 192, 95] установили, что большую роль в стабилизации структур типа коллагена играют молекулы воды. Так, при понижении влажности молекулы воды, выходя из тройной спирали, заставляют полипептид принять иную конформацию (возможно, именно с этим связаны вопросы старения организмов). [c.383]