Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Ни один из ставших известными с тех пор экспериментальных фактов не вступил в противоречие с постулатами Ламри и Эйринга.
Специфическим свойством эволюционно отобранной аминокислотной последовательности является способность принимать в физиологических условиях вполне определенную, уникальную конформацию, которая определяет биологическую функцию белка. Такой способностью белки обладают, несмотря на значительную конформационную свободу аминокислотных остатков и малые значения барьеров вращения вокруг ординарных связей основной и боковых цепей. Плотная, глобулярная структура белковой молекулы непосредственно доказывается малой вязкостью белков в растворе и большей их плотностью по сравнению с синтетическими полипептидами. Молекулы последних образуют в тех же условиях рыхлые клубки с открытой структурой, в которых растворитель занимает до 99% всего объема. Отсюда сравнительно большие линейные размеры клубков и значительная вязкость белков в этом состоянии. Молекулы нативных белков содержат в несколько раз меньшее количество связанной воды (-30% по массе), они малы по линейным размерам и незначительно загущают раствор. На это указывает вся совокупность результатов исследования белка и синтетических полипептидов методами седиментации, диффузии, светорассеяния, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии, рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами, электронной микроскопии.
Какие же факторы определяют плотную упаковку полипептидной белковой цепи, т.е. стабильность трехмерной структуры? Это одна из центральных проблем пространственной организации молекул белка. В данной главе она будет рассмотрена с той полнотой, которая отвечает состоянию структурных исследований белков в период 1950-1960-х годов. В следующем томе после анализа нового экспериментального и
231
теоретического материала обсуждение этой проблемы будет продолжено.
Из общих соображений следует, что трехмерная структура белка обусловлена не сильными химическими, а слабыми невалентными взаимодействиями атомов звеньев полипептидной цепи. Единственными ковалентными связями в белковой глобуле между далеко отстоящими участками цепи являются дисульфидные связи между остатками цистеина. Наличие нескольких дисульфидных "сшивок", конечно, накладывает заметные ограничения на конформационную свободу белка. Однако нельзя сказать, что S-S-мостики определяют плотную упаковку молекулы. Далеко не все белки содержат остатки цистеина. Дисульфидные связи отсутствуют, например, в последовательностях миоглобина, гемоглобина, белка вируса табачной мозаики, нуклеазы стафилококка. Между тем эти белки имеют четко фиксированную глобулярную форму и не отличаются меньшей плотностью.
С другой стороны, каучук, вулканизированный серой, сохраняет свойства статистического клубка, несмотря на наличие ди- и полисуль-фидных мостиков. Изучение обратимой денатурации белков с разрывом и последующим спонтанным восстановлением первоначальных дисульфидных связей, прежде всего исследование К. Анфинсена [7] денатурации и ренатурации рибонуклеазы А, склоняет к предположению, что не S-S-мостики создают нативную структуру, а, напротив, структура, формирующаяся за счет слабых взаимодействий, приводит к сближению вполне определенные остатки цистеина и тем самым обусловливает избирательное образование системы дисульфидных связей. Таким образом, можно заключить, что белковую глобулу создают слабые невалентные взаимодействия. Невалентные взаимодействия в водорастворимом белке могут возникать между пептидными группами основной цепи, между боковыми цепями аминокислотных остатков, между звеньями основной цепи и боковыми цепями. Кроме того, поскольку белок сохраняет свою нативную конформацию и функционирует только в водном растворе при определенных, так называемых физиологических значениях pH и ионной силы, то структура определяется также взаимодействиями белка с молекулами воды и находящимися в ней соединениями и ионами. Окружающая среда, помимо этого, оказывает конкурирующее и иное влияние на внутримолекулярные взаимодействия. Рассмотрим сложившееся мнение о природе перечисленных взаимодействий, об их вкладах в конформационную энергию и, следовательно, влиянии на стабильность пространственной структуры белковой молекулы.
7.1. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ
Давно утвердилось представление о том, что главной силой, формирующей структуру белка, является водородная связь между пептидными группами основной цепи. Еще Астбери в 1933 г. предполагал, что а-кератин имеет форму вытянутых цепей, удерживаемых вместе водородными связями [8]. А. Мирский и JI. Полинг были первыми, кто в 232
1936 г. постулировал доминирующее влияние этих связей на структуру белка [6]. В 1940 г. Полинг писал: "Из сил, участвующих в сохранении нативной конформации белка, водородные связи являются, вероятно, наиболее важными" [9. С. 2656].
В первых моделях пространственного строения белковых молекул водородная связь служила главным стабилизирующим фактором. Молекулы фибриллярных белков представлялись слоистыми структурами, а молекулы глобулярных белков - пакетом слоистых структур, состоящих или из плоских пептидных цепей, скрепленных водородными связями, или из свернутых, регулярных цепей, также стабилизированных внутренними водородными связями. Отклонение от регулярности, повороты цепей и нарушение оптимальных условий образования внутримолекулярных водородных связей допускались лишь в местах аминокислотной последовательности, где находятся остатки пролина. Среди тех, кто считал водородную связь не только главной, но и единственной упаковочной силой, был М. Хаггинс [10, 11]. Все предложенные им структуры полипептидов были полностью насыщены водородными связями. Этот же принцип был положен в основу конструирования пептидных моделей JI. Брэггом, Дж. Кендрью и М. Перут-цем [12], а также а-спирали и (3-структуры складчатых листов JI. Полингом и Р. Кори [1,2].
