Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
1.2. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ БЕЛКА
Положение о том, что понимание химических и физических свойств белков требует знания пространственного строения молекул, впервые, по-видимому, было высказано К. Мейером и Г. Марком в 1930 г. Более того, они предприняли попытку установить прямую связь между некоторыми физическими свойствами белков и пространственной структурой, подобно тому, как это уже делалось в химии при определении зависимости между химическими свойствами и строением молекул. В частности, они предположили наличие непосредственной связи механического состояния специально приготовленных белковых препаратов при растяжении и сжатии с изменением молекулярной формы полипептидных цепей. Первыми объектами исследования пространственного строения с помощью рентгеноструктурного анализа стали фибриллярные белки, содержащие наряду с аморфной также упорядоченную часть, представляющую собой нечто вроде одномерного линейного кристалла Г. Герцог и У. Янеке, а позднее Р- Брилл получили в самом начале 1920-х годов рентгенограммы фиброина шелка. Их интерпретация основывалась на предположении дикетопи-перазинового строения белка, что многими химиками было воспринято как
подтверждение теории Зелинского. К. Мейер и Г. Марк, позднее исследовавшие тот же белок, пришли, однако, к другому заключению. Они показали, что рентгенограмма фиброина шелка лучше соответствует плоскому полипептидному строению белковой цепи с трансоидной конфигурацией пептидных групп. Тот же вывод сделал О. Кратки (1929 г.). По построенной им пространственной модели этого белка, включающей только остатки глицина и аланина, была рассчитана плотность фиброина шелка; полученное значение (1,46 г/см3) совпадало с известными тогда экспериментальными величинами (1,33-1,46 г/см3). О. Кратки определил параметры элементарной ячейки, предположив, что через нее проходят параллельные друг другу четыре плоские полипептидные цепи на расстояниях соответственно 4,4 и 4,8 А.
Столь же часто в то время объектом рентгеноструктурного анализа был коллаген - самый распространенный в клетках и живых организмах структурный белок. Рентгеновскую дифракцию на коллагене в его нативном и аморфном (желатине) состояниях наблюдали П. Шеффер (1920 г.), Дж. Катц и О. Гернгросс (1925 г.), Г. Герцог и У. Янеке (1926 г.) и др. Период идентичности по оси волокна у коллагена, согласно Н. Су-зиху, равен 8,4 А, а у фиброина шелка, по данным О. Кратки, - 7,0 А. Значительное отличие этих величин свидетельствовало о разной пространственной структуре двух молекул, что, в свою очередь, указывало на различие в их химическом строении. К. Мейер впервые провел аналогию между свойствами коллагена и каучука. В нагретом, съежившемся состоянии белок по механическим свойствам напоминал аморфный каучук, получавшийся при нагревании, а в естественных условиях проявлял свойства растянутого каучука. Был сделан вывод о том, что белковые цепи могут существовать в полностью растянутой и свернутой формах, конкретный вид которых остался, однако, неизвестным.
К. Мейер предпринял совместное исследование механических свойств мышечных белков с дифракцией рентгеновских лучей. Было показано, что в расслабленном мускуле цепи главных валентностей ориентированы параллельно друг другу, а в сокращенном - каким-то иным способом. У высушенного в растянутом состоянии мускула Мейер наблюдал дифракционную картину, типичную для волокнистой структуры; диаграмма высушенного сокращенного образца отвечала аморфному состоянию. Прямо связывая макроскопические механические изменения белкового вещества с его молекулярным химическим и пространственным строением, автор предположил, что источником мускульной энергии является экзотермическая химическая реакция, что позднее было подтверждено экспериментально В.А. Энгельгардтом и М.Н. Любимовой (1942 г.).
Рентгеноструктурные исследования, оказавшие огромное влияние на развитие кристаллографии белков, принадлежат У. Астбэри. Выбрав в качестве критерия структурный признак, он по наблюдаемым дифракционным картинам разделил фибриллярные белки на две группы. В первую (группа k.m.e.f.) вошли кератин, миозин, эпидермин, фибриноген, а во вторую (группа коллагена) - белки сухожилий, соединительных тканей, хрящей и др. У. Астбэри обнаружил, что белки группы k.m.e.f., имея
близкие рентгенограммы, а следовательно, и пространственные формы, названные им a-формами, обладают сходными эластическими свойствами. При растяжении образцов этих белков до предела (~ в 2 раза) резко меняются дифракционные картины, по-прежнему, оставаясь очень похожими. У. Астбэри сделал вывод о переходе белков группы k.m.e.f. в иную более вытянутую пространственную структуру, названную им P-формой. Характерной особенностью рентгеновской дифракции Р-формы является наличие рефлекса 3,5 А, равного расстоянию между атомом С“ двух смежных аминокислотных остатков и кратного периоду идентичности полностью вытянутых цепей фиброина шелка (7,0 А). Позднее Астбэри наблюдал у этих белков после их специальной термической обработки еще одну суперконтракционную форму. Вначале он полагал, что а- и вновь обнаруженная формы полипептидной цепи содержат дикетопипе-разиновые циклы, а p-форма является полностью вытянутым полипептидом. Таким образом, согласно Астбэри, переходы между этими формами, происходящие при растяжении и сжатии белковых образцов, являются не чисто конформационными, а сопровождаются образованием и разрывом химических связей. В своих последующих работах и при конструировании новых моделей он исходил уже только из полипептидного строения белков. Трактовка Астбэри обратимого перехода а —» р основывалась на представлении p-формы в виде параллельных вытянутых плоских пептидных цепей, соединенных между собой водородными связями, а ос-формы в виде плоской ленточной структуры с тремя остатками на изгиб. Это удовлетворяло наблюдаемым рефлексам на рентгенограммах приблизительно двойному соотношению длин а- и p-форм одинаковой плотности белков группы k.m.e.f. в обоих случаях и максимальной растяжимости образцов в два раза. Суперконтракционной форме Астбэри приписал плоскую ленточную структуру с четырьмя остатками на изгиб. Для белка группы коллагена он предложил две формы с параллельной и анти-параллельной направленностью пептидных цепей, связанных между собой водородными связями. У. Астбэри был в числе первых исследователей пространственных структур синтетических полиаминокислот и глобулярных белков, в которых он также обнаружил а- и p-формы фибриллярных белков. Подводя итог его работам, следует прежде всего отметить высказанную им впервые гипотезу об общности молекулярного строения фибриллярных, глобулярных и денатурированных белков, оказавшую Огромное влияние на концептуальное развитие последующих структурных исследований.
