Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Перед рассмотрением вопроса о том, как осуществляется свертывание белковой цепи в нативную трехмерную структуру, необходимо дать хотя бы краткую характеристику двум предельным в термодинамическом смысле конформационным состояниям белковой молекулы, отвечающим развернутой и свернутой в компактную глобулу полипептидной цепи. Представленный ниже материал следует рассматривать как введение к теме структурной организации белков.
11.1. НАТИВНОЕ И ДЕНАТУРИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЯ
Белок — понятие, определяющее особое термодинамическое состояние эволюционно отобранной аминокислотной последовательности. Эта последовательность становится физиологически активной молекулой (т.е. тем, что называется белком) и может неограниченно долго пребывать в таком состоянии только при достижении своей нативной пространственной структуры, что возможно лишь при определенных внешних условиях. В морфологическом отношении структура белка характеризуется плотнейшей упаковкой, существованием вторичных и всякого рода иных сегментов, многочисленных поворотов цепи, рядом других структурных особенностей, а также наличием во многих случаях дисульфидных связей. Денатурация нативной конформации белка — это переход аминокислотной последовательности в иное термодинамическое состояние, характеризующееся неструктурированной флуктуирующей полипептидной цепью, лишенной дисульфидных связей. Дена-
339
турация может быть вызвана повышением или понижением температуры, соответствующими изменениями pH, состаьа и концентрации солей, добавлением в раствор органических соединений (гуанидингидрохлори-да, мочевины и др.), высоким давлением и расщеплением дисульфидных связей. При этом, как принято говорить, полипептидная цепь переходит из свернутого состояния в развернутое. Следует, однако, заметить, что термин "развернутая цепь" не определяет однозначным образом термодинамическое состояние аминокислотной последовательности, поскольку денатурация является многоступенчатым процессом. Термин не в полной мере соответствует также тому геометрическому образу, который может ассоциироваться с его названием. В данном случае слова "развернутая" или даже "полностью развернутая цепь" не означают близкую к линейной вытянутую последовательность.
Вначале будет рассмотрена только полностью развернутая поли-нептидная цепь, что отвечает термодинамическому состоянию аминокислотной последовательности на последней ступени денатурации, когда она уже лишена всех структурных элементов нативной конформации белка и дисульфидных связей. Такое состояние термодинамически равновесно, стабильно в постоянных условиях и называется статистическим клубком. Клубок качественно отличается от другого предельного состояния — нативной трехмерной структуры белка, поскольку это уже не детерминантная пространственная форма, а огромное множество близких по энергии, непрерывно флуктуирующих и преимущественно свернутых, но тем не менее рыхлых конформаций. Если физические и химические свойства аминокислотной последовательности в физиологических условиях строго детерминированы пространственной структурой белка, то свойства той же последовательности, полностью денатурированной, обусловлены статистической природой клубка. По отношению к этому состоянию теряют смысл такие понятия, как геометрия трехмерной структуры, функциональная специфичность, взаимообусловленность, кооперативность состояний различных частей цепи и т.д., одним словом, те понятия, которые отражают уникальность свойств аминокислотной последовательности каждой белковой макромолекулы в естественном, физиологически активном состоянии. Детерминация нативной трехмерной структуры белка, однако, не означает ее статичность и полное отсутствие флуктуаций.
Детальное представление о нативных конформациях белков основано почти исключительно на результатах рентгеноструктурного анализа. Спектральные методы конформационного исследования белков в растворе пока не имеют в определении геометрии макромолекул самостоятельного значения. Однако они могут быть полезными в изучении ряда свойств белков и обнаружении связанных с ними новых явлений. Так, некоторые спектральные методы чувствительны к конформа-ционным состояниям, внешнему окружению и изменениям положений атомных групп в структуре белковой макромолекулы и даже к небольшим перемещениям отдельных атомов. Интерпретация подобных фактов тем не менее осуществляется в основном с помощью рентгеноструктурных моделей.
340
Долгое время существовало опасение, что пространственное строение белков в условиях кристаллической решетки отличается от строения в растворе. Однако, как утверждали Крик, Кендрью и Перутц еще до расшифровки первых рентгенограмм белков и получения бесспорных доказательств, это опасение лишено серьезных оснований. Сейчас очевидно (Дж. Рапли [6], Б. Мэтьюз [7]), что различия в конформациях белков в кристалле и растворе могут явиться скорее редким исключением [6—9], чем правилом, и коснуться положений некоторых боковых цепей на периферии глобулы. Устойчивость нативной конформации белка неудивительна, если учесть, что для кристаллов белков характерна высокая степень гидратации (приблизительно половина их объема занята водой), а также слабость и немногочисленность (в расчете на одну молекулу) межмолекулярных контактов в кристаллической решетке. Поэтому белок в кристалле находится примерно в том же состоянии, что и в растворе, и, как правило, сохраняет свою физиологическую активность.
