Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
В отношении строгой, с точностью до тепловых флуктуаций, детерминированности пространственной структуры и высокой плотности упаковки атомов белковые молекулы (но не белковые кристаллы) сближаются с кристаллами низкомолекулярных соединений, хотя последние однородны и периодичны, а первые неоднородны и апериодичны. Но и здесь различия велики. Э. Шредингер следующим образом оценивает дистанцию между периодическим и апериодическим кристаллическими состояниями малых неорганических молекул и органических макромолекул: "Для физики периодические кристаллы являются весьма интересными и сложными объектами; они составляют одну из наиболее очаровательных и сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в заме-
шательство интеллект физика. Однако по сравнению с апериодическими кристаллами они кажутся несколько элементарными и скучными. Различие в структуре здесь такое же, как между обычными обоями, на которых один и тот же рисунок повторяется с правильной периодичностью, и шедевром вышивки, скажем, рафаэлевским гобеленом, который воспроизводит сложный, полный замысла рисунок, начертанный великим мастером" [47. С. 15].
Существенно различны между собой не только конечные результаты процесса структурной самоорганизации белковых молекул и обычных кристаллов, но и механизмы этого процесса, о чем подробно рассказывается в главе 1. Отметим лишь, что образование кристаллов низкомолекулярных соединений в насыщенных растворах может быть представлено непрерывной совокупностью равновесных состояний при бесконечно малом изменении внешних условий (например, температуры), и поэтому относится к равновесному процессу. Образование трехмерной структуры белка -процесс сугубо неравновесный, протекающий вдали от положения равновесия; в этом его суть. Если в первом случае малый сигнал на входе вызывает всегда малый эффект на выходе, то во втором случае небольшие изменения в окружении могут сопровождаться радикальными качественными изменениями в состоянии белковой цепи.
По признаку нерегулярности белок может быть сопоставлен с такой неупорядоченной системой как стекло. Однако и здесь аналогия имеет формальный характер; сходство не идет дальше простой констатации наличия нерегулярных структур у веществ, ни по каким другим свойствам между собой не совпадающим. Стекло постоянно пребывает в неравновесном состоянии, лишено линейной "памяти" и в силу этого - способности к самоорганизации. Его плавление и повторное засгекловывание приводят к полному обновлению микроструктуры. Белок же при рена-турации восстанавливает свою структуру вплоть до положения каждого атома. Таким образом, структурная организация белковой молекулы и процесс ее самоорганизации не встречаются в уже достаточно детально изученных элементарных системах неживой природы.
Физические и химические свойства белков во многих отношениях несопоставимы также со свойствами важнейших молекулярных компонентов живого - жирами, углеводами и нуклеиновыми кислотами. Химическое поведение последних определяется в основном локальными участками цепи. По сравнению с белками оно крайне просто и подчиняется классической теории химического строения. Жиры и высокомолекулярные углеводы в растворе не образуют фиксированных трехмерных структур.
О пространственном строении нуклеиновых кислот следует сказать особо. Структурная организация и конформационные возможности дезоксирибонуклеиновых кислот в клетке определяются не столько самими молекулами ДНК, сколько их взаимодействиями с многочисленной группой так называемых ДНК-связывающих белков, среди которых центральная структурная роль принадлежит гистонам. Молекула ДНК, имеющая длину, например в хромосоме человека, несколько сантиметров, с помощью гистонов упакована в клеточном ядре, диаметр которого равен лишь нескольким микрометрам. Самым нижним уровнем упаковки является двой-
ная спираль ДНК Уотсона-Крика. Ее ассоциация с гистонами приводит сначала к образованию нуклеосомы - основной структурной единицы хроматина, а затем — бусеничной нуклеосомной нити. Из нитей последовательно формируются хроматиновые фибриллы, петельные домены, конденсированные участки хромосомы и, наконец, метафазная хромосома. В процессе создания этой сложной структурной организации сама молекула ДНК удивительно пассивна и не проявляет склонности к самосборке. Можно утверждать, что пространственная структура ДНК, как и реализация ее функций, определяется белками.
Более самостоятельны в организации своей пространственной структуры рибонуклеиновые кислоты, особенно транспортные (тРНК) и рибо-сомные (рРНК). Молекулы всех одноцепочечных, относительно низкомолекулярных полинуклеотидов тРНК имеют сходные черты в химическом строении и универсальный мотив складывания основной цепи во вторичную структуру ("клеверный лист") и третичную структуру, имеющую у всех транспортных рибонуклеиновых кислот L-образную форму. Главной причиной, заставляющей молекулу тРНК принять определенную конформацию, служит взаимодействие между комплементарными парами азотистых оснований на трех внутренних участках цепи и расположенных антипараллельно 5'- и З'-концевых участков. При создании и стабилизации трехмерных структур тРНК реализуется также целый ряд неканонических взаимодействий между основаниями. Переход от тРНК к обладающей аминокислотной специфичностью аминоацил-тРНК-синтетазе заметным образом не изменяет компактность полинуклеотидного каркаса, который образовался спонтанно при сборке транспортной рибонуклеиновой кислоты. Пространственные структуры различных рибонуклеопротеидных аминоацилсинтетаз включают две или четыре белковые субъединицы, идентичные или неидентичные. Таким образом, молекулы тРНК, имеющие одинаковый рисунок складывания цепи, обладают, как и белки, способностью спонтанно обретать строго детерминированные пространственные структуры. В отношении рРНК столь же однозначного вывода сделать нельзя. При определенных условиях прокариотическая рибосома 70S диссоциирует на две субъединицы с коэффициентами седиментации 50S и 30S (их молекулярные массы соответственно равны 1,5 • 106 и 0,85 • 106 Да), а эукариотическая рибосома 80S распадается на 60S и 40S субъединицы. Каждая рибосомная частица содержит определенный набор белков, большинство которых представлено лишь в одном экземпляре. Малая частица рибосомы Е. coli содержит 21 белок (S1-S21), а большая частица - 32 различных белка (L1-L32). А.С. Спирин отмечает: "Будет не очень большим преувеличением сказать, что рибосома есть прежде всего ее РНК. Примитивный предшественник рибосомы мог бы состоять только из РНК и лишь в ходе эволюции постепенно модифицироваться белками. Прокариотическая рибосома по массе на 2/3 состоит из РНК и лишь на 1/3 из белков. Эволюционно более поздняя эукариотическая рибосома уже наполовину состоит из белков" [48. С. 68].
