Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Обнаруженные при анализе рентгеноструктурных моделей белков факты, касающиеся распределения аминокислотных остатков в глобуле, оказались очень важными, поскольку они приближали к истинному пониманию структурной организации белковых молекул хотя бы уже тем, что давали возможность увидеть реальное положение и обнаружить несостоятельность существовавших на этот счет представлений. Общая структура свернутого белка исключительно компактна. Например, полностью вытянутая цепь панкреатического трипсинового ингибитора (58 остатков) имеет длину 211 А (-3,6 А на остаток), а максимальный габаритный размер свернутого белка равен около 29,0 А.
344
Карбоксипептидаза, состоящая из 307 аминокислотных остатков, в вытянутой форме имеет длину 1114 А, а в свернутой — 50,0 А. Количественные исследования кристаллографических моделей белков позволили получить новые опытные данные об упаковке атомов в глобуле и атомной плотности белковых молекул. Нативное состояние белковой молекулы имеет высокий коэффициент упаковки, в среднем 75% (с вариацией от 68 до 82%, М. Клэппер [21] и Б. Ли и Ф. Рихарде [10]), Для сравнения отметим, что у правильных сферических тел этот коэффициент равен 74%, а у молекул жидкой воды и жидкого цикло-гексана составляет 58 и 44% соответственно. По плотности упаковки белки близки кристаллам малых органических молекул (70—78%), связанных между собой дисперсионными, лондоновскими силами. Из-за высокой плотности упаковки белки отличаются слабой сжимаемостью. Так, их коэффициент сжимаемости в 20 раз меньше, чем у масла, и практически совпадает с коэффициентом сжимаемости олова и каменной соли. Плотность белка неодинакова во всех частях глобулы. У. Козман и соавт. [22], например, нашли, что плотность центральной части ниже кажущейся плотности белковой молекулы в растворе. Это наблюдение, однако, имеет частный характер. Низкая плотность и даже "пустоты", т.е. области, не заполненные атомами белка, встречаются в различных частях глобулы. Как правило, в них находятся единичные молекулы воды, связанные с аминокислотными остатками водородными связями. Молекулы Н20 обнаруживаются рентгеноструктурным анализом и составляют с белком как бы единое целое. Интересно, что белки, содержащие большое число дисульфидных связей, не отличаются повышенными коэффициентами упаковки и большей плотностью.
Полипептидная цепь в состоянии статистического клубка характеризуется большой гибкостью. Обычно полагают, что аминокислотный остаток в свободном состоянии обладает в среднем десятью приблизительно равновероятными конформациями. В нативной структуре белка у каждого остатка из них реализуется одна конформация, а в статистическом клубке могут попеременно присутствовать все десять. Поэтому у развернутой полипептидной цепи возможно огромное количество изоэнергетических конформаций, состоящих только из самых предпочтительных состояний остатков (приблизительно 10", где п — число остатков в цепи). К. Тэнфорд [23] и П. Флори [24] полагают, что денатурированный белок является правильным статистическим клубком.
В какой степени состояние полностью денатурированного белка отличается от аналогичного состояния модельных гомополипептидов и низкомолекулярных соединений, от модели классического идеального статистического клубка? Характерные особенности последнего заключаются в том, что даже смежные звенья полимера не взаимодействуют между собой, одинаково доступны растворителю и постоянно флуктуируют случайным образом в результате собственного броуновского теплового движения, так что конформация макромолекулы непрерывно меняется. По данным А. Гвидта и С. Нильсена [25], в молекуле рибо-
345
нуклеазы А с восстановленными остатками цистеина совершается полный обмен всех обмениваемых протонов с той же скоростью, что и у модельных пептидных соединений. Исследования У. Харрингтона, Дж. Шеллмана, К. Тэнфорда и других показали, что и физические свойства белка с разрушенными дисульфидными связями отвечают свойствам статистического клубка; это подтверждается также тем фактом, что свойства не меняются при добавлении сильнейшего денатуранта — гуанидингидрохлорида. Однако, как и во многих других случаях, в отношении белков рискованно делать слишком определенные и обобщающие заключения. Так, согласно данным Т. Крейтона [26], шесть сульфгидрильных групп восстановленных остатков Cys в панкреатическом трипсиновом ингибиторе обладают одинаковыми химическими свойствами и реагируют, например, с йодацетатом с той же скоростью, что и модельные меркаптаны. Таким образом, поведение денатурированного белка как будто бы аналогично поведению развернутой цепи рибонуклеазы, тем не менее более тонкое исследование с использованием спектров ЯМР показало, что только разрывы дисульфидных связей трипсинового ингибитора недостаточны для его полной денатурации с исчезновением всех структурированных элементов нативной конформации или вновь образованных. Г. Снайдер и соавт. [27], например, обнаружил у всех четырех остатков тирозина белка, лишенного дисульфидных связей, неэквивалентное окружение. Следовательно, трипсиновый ингибитор, денатурированный только путем восстановления атомов серы, не соответствует состоянию с полностью развернутой цепью и тем более состоянию статистического клубка. По спектрам ЯМР, реагирующим на развертывание цепи сужением линий протонного резонанса, было найдено, что денатурированный химотрипсиноген имеет значительно меньшую скорость катализируемого обмена протонов, чем малые молекулы, которые можно рассматривать как модель истинного полного развертывания. Наблюдение было объяснено неодинаковыми условиями проникновения обменивающихся атомов в места протонного обмена. К. Тэнфорд утверждает, что только в очень концентрированных водных растворах гуанидингидрохлорида полипептид действительно принимает состояние, определяющееся произвольным набором конформаций [23]. В любом случае вода является плохим растворителем для развернутого полипептида. В этом состоянии аминокислотная последовательность легко осуществляет экспериментально обнаруживаемые внутримолекулярные взаимодействия, прежде всего, за счет дисперсионных контактов, а также электростатики и водородных связей. Конечно, такие взаимодействия не столь эффективны и менее стабильны по сравнению с нативным состоянием, но и здесь они создают плотную, постоянно мигрирующую сетку межостаточных взаимодействий.
