Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Структура (3-галактозидазы. Включить данный фермент в раздел, посвященный ДНК-связывающим белкам, но не принадлежащий, строго говоря, к таковым, побудили следующие два обстоятельства:
117
во-первых, структурная организация молекулы (3-галактозидазы, которую оказалось интересным сопоставить с только что рассмотренной организацией ДНК-топоизомеразы; во-вторых, участие фермента в регуляции транскрипционной активности ДНК, проявляющейся в его влиянии на эффективность считывания в процессе транскрипции целого кластера генов (включая собственный), ответственных за метаболизм лактозы. (З-Галактозидаза сыграла историческую роль в развитии молекулярной биологии, конкретно - представлении об общих молекулярных основах регуляции действия генов. Она явилась именно тем ферментом, изучение биосинтеза которого на уровне транскрипции у бактерий позволило А. Львову, Ф. Жакобу и Ж. Моно в начале 1960-х годов разработать теорию переноса генетической информации и регуляции синтеза белка (концепция оперона). Согласно концепции Львова, Жакоба и Моно, в каждый оперон входят ген-регулятор, промотор, оператор и структурные гены определенных белков (цистроны), с которых транскрибируется соответствующая пРНК (по-лицистронная РНК) и за работу которых ответственны три предшествующих регуляторных участка двойной спирали ДНК.
Первые исследования механизма генетического контроля были посвящены синтезу (3-галактозидазы, осуществляющей гидролиз дисахарида лактозы до моносахаридов глюкозы и галактозы в клетке Е. coli. Опыты привели к открытию белка-репрессора лактозного оперона, включающего транскрипцию структурных генов (в данном случае, гена |3-галактозидазы, а также пермеазы и галактозид-транс-ацетилазы). Это достигается путем связывания репрессора с операторным участком ДНК длиной в 21 нуклеотид, перекрывающимся с последовательностью промотора. В результате блокируется доступ РНК-полимеразы к ее участку связывания и транскрипция цистронов делается невозможной. Для индукции и репрессии синтеза белка, т.е. изменения скорости процесса в противоположных направлениях, необходимо наличие в модели регуляторного механизма еще одного элемента индуктора, который должен, с одной стороны, контролировать действия белка-репрессора лактозного оперона, а с другой -быть связанным прямо или косвенно с функцией синтезируемого фермента. Такой индуктор действительно был обнаружен, и им ока-зался субстрат (3-галактозидазы лактоза, точнее, аллолактоза, близкая по строению и образующаяся в присутствии лактозы.
(З-Галактозидаза является индуцибельным ферментом, скорость синтеза которого зависит от состава и условий среды, в частности концентрации лактозы. Количество фермента резко возрастает с ростом концентрации субстрата, так что связь индуктора с (3-галактозидазой очевидна. Воздействие лактозы через аллолактозу на репрессор имеет аллостерический характер. Когда внутриклеточное содержание лактозы начинает превышать норму, увеличивается концентрация аллолактозы, которая индуцирует конформационные изменения в молекуле репрессора. Его связь с ДНК ослабляется и он освобождает промотор и тем самым дает возможность РНК-полимеразе транскрибировать гены (3-галактозидазы. Наступает дерепрессия гена, образуется пРНК и
118
начинается синтез фермента, который необходим только тогда, когда в клетке присутствует лактоза.
Трехмерная структура |3-галактозидазы Е. coli с разрешением 2,5 А была недавно исследована Р. Джекобсоном и соавт. [435]. Рентгеноструктурный анализ показал, что аминокислотная последовательность белка из 1023 остатков имеет N-концевой а-пептидный участок 1-51 вытянутой формы и пять структурно автономных доменов: 51-217 (I), 220-334 (II), 334-627 (III), 627-736 (IV) и 736-1023 (V). В отличие от ДНК-топоизомеразы типа I, где полипептидная цепь переходит от одного незавершенного домена к другому и, не закончив его построения, направляется к третьему и т.д. (рис. 1.30), у |3-галактозидазы цепь проходит от N-конца молекулы к ее С-концу через все домены строго последовательно. Тем самым облегчается сборка длинной полипептидной цепи белка, поскольку при модульной структурной организации нативного фермента каждый домен может действовать как независимая свертывающаяся субъединица.
Ферментативную активность проявляет четвертичная структура fj-галактозидазы в виде гомотетрамерного невалентного комплекса молекулярной массы 465,412 к Да. Кристаллографический анализ показал, что он принадлежит к точечной группе симметрии 222. Четыре тетрамера составляют асимметричную элементарную ячейку пространственной группы P2j с параметрами а =107,9 А, Ь = 207,5 А, с = 509,9 А и |3 = 94,7°. На сегодняшний день из всех идентифицированных на атомном уровне трехмерных структур белков структура молекулы |3-галактозидазы обладает самой длинной полипептидной цепью. Работа Джекобсона и соавт. [435] впервые продемонстрировала возможность исследования невирусных кристаллов белка с размерами элементарной ячейки, превышающими 500 А, и относительной молекулярной массой ~ 2000 кДа на асимметрическую единицу.
