Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Отмеченные работы представляют собой первую попытку связать механические свойства белкового вещества с его химическим и пространственным строением. Дальнейшим развитием этого направления можно считать изучение Мейером мышечных белков. Было показано, что макроскопическое сокращение мускулов связано с изменением молекулярной формы белковых цепей. Проведя совместное механическое и рентгеноструктурное исследование, Мейер пришел к заключению, что в ослабленных мускулах имеются параллельно ориентированные цепи главных валентностей, а в сокращенных их нет. Он наблюдал дифракционную диаграмму у высушенного в растянутом виде мускула, типичную для волокнистой структуры, отвечающую аморфному состоянию. Такой интерпретации удовлетворяли данные опытов с замороженным белком. Растянутый мускул легко расслаивался при температуре жидкого воздуха вдоль предполагаемых волокон, тогда как сокращенный препарат в этих же условиях распадался на комочки. По этому поводу' Мейер в 1930 г. писал: "Белковые цепи, скрепляющиеся друг с другом по всей длине мускула в определенных местах посредством молекулярных сил сцепления несольватируемых групп или какими-нибудь другими связями и сокращающиеся или растягивающиеся под влиянием меняющейся величины pH, должны вызывать сокращения или же ослабления на протяжении всей длины мускула. Этим макроскопическое сокращение сводится в конце концов к внутримолекулярному процессу" [3. С. 435]. И далее он делает не менее важное и новое для того времени замечание: "Нет сомнения в том, что источником мускульной энергии и причиной движения является химический выделяющий энергию процесс" [3. С. 438; см. также 4. С. 64].
Дальнейшее развитие этого направления связано прежде всего с именем У. Астбери, которому принадлежат во многом основополагающие рентгеноструктурные исследования белков, проведенные в
10
1930-1940-е годы. Именно они в наибольшей степени способствовали успешной расшифровке структур биополимеров. У. Астбери в 1946 г. ввел термин "молекулярная биология". Ему одному из первых стало ясно, что изучение конформаций макромолекул имеет решающее значение для понимания функционирования живых организмов. Оценивая вклад Астбери в науку, Дж. Бернал в 1963 г. писал: "Памятник ему будет установлен всей молекулярной биологией - наукой, которую он назвал и действительно основал" [10. С. 31]. Сказано несколько сильно, но, безусловно, Астбери входит в число первых исследователей, чьи работы ускорили становление молекулярной биологии.
Прежде чем рассмотреть исследования Астбери, кратко остановимся на предложенной им классификации белков, в основу которой был положен структурный признак [11, 12]. По этому признаку все белки делятся на два больших класса фибриллярных и глобулярных белков. Первые имеют вытянутую, волокнистую структуру; вторые -форму глобулы (во времена Астбери они назывались корпускулярными белками). Такое разделение отчасти согласуется со спецификой функционирования белков и растворимостью их в воде. Фибриллярные белки входят в состав кожи, соединительных тканей, хрящей, скелета, волос, рогов и т.д. Как правило, в обычных условиях они химически инертны, не растворяются в воде и выполняют структурную или защитную функцию. Глобулярные белки играют активную роль в метаболизме, участвуя во всех процессах жизнедеятельности организма. Многие глобулярные белки растворимы в воде. Четкой структурной или функциональной границы между двумя классами белков, однако, провести нельзя. Например, миозин (белок мышц), хотя и имеет волокнистое строение, тем не менее химически не инертен. Функция миозина связана с превращением химической энергии в механическую работу. Несмотря на значительную условность, предложенная Астбери и сохранившаяся до сих пор классификация белков по структурному признаку остается все еще целесообразной. Сама идея разделения белков в зависимости от топологии структуры хорошо согласуется с одной из задач молекулярной биологии, а именно с установлением связи между строением (в том числе пространственным) и функцией биологических молекул. У. Астбери были изучены структуры разнообразных фибриллярных белков [13, 14]. Оказалось, что эти белки по структурному признаку могут быть разделены на две конформационные группы. Первая группа, названная по начальным буквам входящих в нее белков группой k.m.e.f., включает такие белки, как кератин (белок волос, шерсти, ногтей и т.д.), миозин (белок мышц), эпидермин (белок кожи) и фибриноген (белок плазмы крови). Во вторую группу фибриллярных белков (группа коллагена) входят белки сухожилий, соединительных тканей, хрящей и др. Белки каждой группы имеют близкие картины рентгеновской дифракции, что указывает на их конформационную аналогию.
Наиболее важной особенностью рентгенограмм белков группы k.m.e.f. в нормальном состоянии является наличие меридионального рефлекса 5,1 А. Конформации белков этой группы Астбери назвал а-
11
формой. Кератин, миозин, эпидермин и фибриноген обладают сходными эластичными свойствами, а именно способностью под влиянием нагрузки на волокнистый образец увеличивать свою длину приблизительно в два раза. У. Астбери предпринял попытку связать макроскопические свойства белка с его молекулярными конформационными свойствами. При растяжении белковых волокон a-форма кератина, миозина и других переходит в иную, вдвое более вытянутую структуру, которую Астбери назвал (3-формой. Рентгенограммы а- и (3-форм весьма различны. Характерной особенностью рентгеновской дифракции (3-формы является интенсивный меридиональный рефлекс 3,5 А, что отвечает длине аминокислотного остатка, а удвоенная величина совпадает с периодом идентичности и плотностью растянутых цепей фиброина шелка. При более умеренном растяжении период идентичности меньше, что свидетельствует о появлении изгибов цепи. В свободном, ненагруженном состоянии кератин имеет свернутую а-форму. У. Астбери удалось обнаружить способность кератина сжиматься при определенных условиях еще сильнее, что было объяснено дальнейшим "складыванием" цепи (суперконтракцией) [15]. Ниже изображены все формы, предложенные Астбери для кератина. Они имеют плоскую, ленточную структуру; переход между ними сопровождается образованием или разрывом валентных связей, т.е. химическим процессом. По Астбери, а- и суперконтракционная формы содержат связанные дикетопиперазиновые циклы, а (3-форма является полностью полипептидом.
