Молекулярная биология. Структура и функция белков - Степанов В.М.
ISBN 5-06-002573-Х
Скачать (прямая ссылка):
Очевидно, что оба эти фактора, способствующие ренатурации белковой глобулы и препятствующие ее денатурации, могут действовать только после формирования пространственной структуры белка. Образование же дисульфидных связей в ходе биосинтеза не предшествует свертыванию полипептидной цепи 'в глобулу, а как бы сопутствует этому процессу, идет параллельно с ним.
При формировании белковой глобулы, вероятно, могут возникать промежуточные состояния, где некоторые дисульфидные связи "неправильны1-, т.е. образованы не теми остатками цистеина, между которыми они устанавливаются в нативной структуре белка: Лишь на конечной стадии может‘происходить их "корректировка".
Опыты по введению дополнительных дисульфидных связей в некоторые белки методами белковой инженерии показали, что далеко не всегда это приводит к повышению стабильности белка.
В большинстве случаев трудно' судить с достаточной определенностью, почему для стабилизации некоторых белков используются ди-112 . '
сульфидные связи тогда как другие белки вполне, устойчивы только за счет нековалентных взаимодействий. По-видимому, дисульфидные связи валены для "кинетической" стабилизации (устойчивости к- внешним факторам) секреторных белков, функционирующих вне более или менее постоянной внутриклеточной среды. Ясно, что дисульфидные связи, часто множественные, особенно важны для стабилизации маленьких белков, в которых не может возникнуть обширной системы нековалентных взаимодействий. Таковы, например, многие ингибиторы протеиназ, в частности панкреатический ингибитор трипсина. Его пептидная цепь, состоящая всего из 54 аминокислотных остатков, так хорошо стабилизирована четырьмя дисульфидными связями, что этот белок, несмотря на малые размеры, сохраняет компактную грушевидную форму при нагревании до 95 °С.
Впрочем, эти соображения н$ могут рассматриваться как сколько-нибудь жесткие правила, так как нетрудно указать секреторные, а также небольшие белки, не имеющие дисульфидных связей и тем не менее вполне стабильные.
6.4. ФОРМА, КОМПАКТНОСТЬ И ДИНАМИКА МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА
Геометрическая форма глобулярных белков в первом приближении может бкть аппроксимирована эллипсоидом вращения, у которого отношение полуосей, как правило, не превышает 2:1. В то же время поверхность глобулярных белков никак нельзя считать гладкой: она как бы изрыта, содержит впадины, а иногда весьма глубокие щели. Такая изрытость -существенна для функционирования белка. Например, сорбция субстрата в достаточно хорошо сформированной щели в глобуле' фермента переводит реакцию с его участием в совершенно новую среду. Как следствие, субстрат изолируется от воды, дегидратируются его функциональные группы, процесс протекает в среде с диэлектрической постоянной около 4—5, тогда как диэлектрическая постоянная воды составляет 80.
Внутреннее гидрофобное ядро белков нередко описывали как "жирную каплю", уподобляя ее структуру гидрофобному ядру мицеллы мыла или другого поверхностно-активного вещества. Хотя такое
сравнение неплохо отражает физическую сущность сил, диктующих
1
погружение гидрофобных элементов белка внутрь его глобулы, оно неточно. Боковые цепи гидрофобных аминокислот, образующие внутреннее ядро, не свободны, а достаточно плотно упакованы, приближаясь скорее к кристаллу, чем к жидкой капле. Это особенно справедли-
во для ядра, но свойственно и пространственной структуре белка в целом. ‘
Анализ белковых кристаллов показывает, что плотность упаковки
¦ атомов в белковой глобуле, т.е. отношение суммы ван-дер-ваальсовых объемов аминокислотных остатков к объему глобулы,'лежит в пределах 0,72—0,77, что'вполне сравнимо с типичным диапазоном плотности упаковки в кристалла* органических соединений, 0,68—0,80 и выше интервала 0,60—0,65, характерного для органических жидкостей.
Все же и представление о белковой глобуле как о квазикристаллй-ческом образовании также не вполне точно посксшьку для пространственной структуры белка, включая и гоютноупакованные ее участки, характерна определенная динамика. Система водородных и других нековалентных связей в белке допускает локальные флуктуации, например частичное и обратимое ."расстегивание" о-спиралей или /?-структур. Очевидно, этим объясняется и ббльшая подвижность аминокислотных остатков, расположённых на концах упорядоченных элементов вторичной структуры, по сравнению с "внутренними" остатками, перемещение которых потребовало бы серьезных нарушений кооперативной системы нековалентных взаимодействий. В сочетании с наличием небольших пустот все это позволяет молекулам малого размера, например воде, перемещаться внутри пространственной структуры, несмотря ца отмеченною плотность ее упаковки. Это делает возмож-ным,- в частности,, обмен атомов водорода скрытых внутри глобулы "внутренних" пептидных связей с окружающей, белок, водой. Известны и функционально важные миграции молекул внутри белка ^
Понятно, что аминокислотные остатки, расположенные на поверхности белка, еще более динамичны. Это особенно справедливо ддд длин-г ных и, как правилр, хорошо гидратированных боковых цепей лизицр. Они нередко оказываются "невидимыми" при рентгецоструктурном анализе, так как образующие их метиленовые группы цо мере, удаления от о-углеродного атома описывают окружности все большего радиуса. Вследствие этого их электронная плотность оказывается как бы "размазанной”, распределенной в довольно большом объеме. При рентгеноструктурном анализе ^иоглобина боковая цепь остатка. Lys-98^ направленная в раствор, прослеживается только до, ^-углеродного атома, тогда как в Lys-77, аминогруппа которого фиксирована солевой связью с остатком Glu-18, отчетливо выявляются все атомы углерода и азота. Нередко значительной подвижностью (до 10 А) обладают петли нерегулярной структуры на поверхности белка. В целом поверхностный слой белка характеризуется значительно большей подвижностью, **ём внутреннее ядро.
