Давайте поговорим о роли слабых взаимодействий в биологических макромолекулах. Хотя они и слабые, их влияние на живые организмы отнюдь не ничтожно. Скромный набор видов слабых связей в биополимерах обусловливает всё многообразие биологических процессов, на первый взгляд никак не связанных между собой: передачу наследственной информации, ферментативный катализ, обеспечение целостности организма, работу природных молекулярных машин. А определение «слабые» не должно вводить в заблуждение - роль этих взаимодействий колоссальна.
Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей , проведенного на конференции «Биология - наука 21 века» в 2015 году.
Почему статья названа именно так? Потому что до сравнительно недавнего времени слабым взаимодействиям в химии (в биохимии, в частности, тоже) уделялось явно недостаточное внимание. Исследователи рассуждали приблизительно так: «Ковалентная связь прочная, поэтому свойства любого вещества определяются в первую очередь характером ковалентных взаимодействий между атомами. А слабые взаимодействия - водородные, ионные, электростатические связи - на то и слабые, что их роль в формировании свойств вещества второстепенная». Только с развитием таких неклассических направлений в химии, как супрамолекулярная и координационная химия, к слабым взаимодействиям появился должный интерес. Более того, выяснилось, что в функционировании живой клетки слабые взаимодействия между атомами и молекулами зачастую играют главную роль.
Дело в том, что наряду с видимым недостатком, вытекающим из самогό определения «слабый» (водородная связь, к примеру, в 15–20 раз менее прочна, чем «сильная» ковалентная), у интересующих нас взаимодействий есть и преимущество - они значительно легче возникают и рвутся. Для образования или разрыва ковалентных связей требуется химическая реакция с затратой энергии, длящаяся внушительный промежуток времени, нуждающаяся в катализе , и так далее. А для формирования слабых взаимодействий достаточно изменения конформации молекулы*. И если упомянутую живую клетку рассматривать как сложную молекулярную машину, то именно слабые взаимодействия оказываются в ней рычагом самого тонкого управления, чутко и, главное, быстро реагирующим на любые изменения внешней среды.
* - Невнимание к таким взаимодействиям дорого обходится биологам, фармацевтам и даже больным - часто именно в области конформационной динамики биомолекул кроется разгадка селективности лекарств и коварных эволюционных планов по развитию резистентности: « » . - Ред.
Связанные одной цепью
Рисунок 1. Предположения о структуре белка в двадцатые-тридцатые годы ХХ века.
Однако еще несколько десятилетий назад об этой роли слабых взаимодействий в живых системах никто не догадывался. К примеру, на исходе XIX века Эмиль Фишер доказал, что белок является линейным полиамидом , состоящим из остатков α-аминокислот . В наши дни это представление стало аксиомой. Теперь уже мало кто помнит о том, что в первой четверти ХХ века самые маститые ученые усомнились в правоте Фишера и высказали ряд своих предположений о структуре белка - достаточно оригинальных, хотя в настоящее время представляющих чисто исторический интерес (рис. 1). Ход их рассуждений был приблизительно таков. Если белок, по Фишеру, является линейным полимером, то он должен представлять собой нитевидную молекулу, сворачивающуюся в беспорядочный клубок. Каким образом такая молекула выполняет биологические функции? Следует добавить, что в то время уже возникли представления о глобулярных белках . Компактная глобулярная форма белковой молекулы на первый взгляд расходилась с представлениями немецкого химика.
В свете представлений 20–30-х годов прошлого века белковая глобула представляет собой сшитый полимер, состоящий из устойчивых шестичленных циклов, соединенных, разумеется, прочными ковалентными связями. По представлениям русского химика (и создателя угольного противогаза) Н.Д. Зелинского , например, белок состоит из дикетопиперазиновых циклов, представляющих собой внутренние амиды аминокислот. Ряд других химиков представлял белковую глобулу как конденсированную полиароматическую систему, включающую в себя азотистые гетероциклы , а наличие аминокислот в белковых гидролизатах, по их мнению, артефакт, возникающий в результате раскрытия гетероциклов при гидролизе.
Только начиная с сороковых годов ХХ века усилиями таких выдающихся ученых, как Лайнус Полинг , Розалинд Франклин , Джеймс Уотсон , Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс , была показана возможность формирования устойчивых структур биополимеров за счет слабых взаимодействий. Дж. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу в 1962 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за «открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значимости для передачи генетической информации». Р. Франклин, к сожалению, до заслуженной премии не дожила (зато Л. Поллинг становился нобелиатом дважды). В те годы стало ясно, что будь белковая глобула сшитым полициклом, она бы, конечно, отличалась высокой устойчивостью, но биологические функции выполнять не смогла, поскольку не была бы способна реагировать на внешние воздействия. Это была бы «мертвая» молекула.
В этом месте следует обратить внимание на любопытный факт. Несмотря на то, что теория Зелинского не подтвердилась, она послужила толчком для формирования химии дикетопиперазинов - направления, приведшего к созданию ряда лекарственных препаратов. Вторичные метаболиты дикетопиперазиновой природы, в том числе и с лекарственной активностью, обнаружены и в живой природе, пусть не в составе белков. Так изначально неверная гипотеза принесла полезный практический результат - явление, встречающееся в науке нередко.
Bond. Hydrogen Bond
Рисунок 2. Водородные связи в белках.
Одним из самых распространенных видов слабых взаимодействий являются водородные связи , возникающие при наличии в молекулах полярных групп - гидроксилов, аминогрупп, карбонилов и т.д. В макромолекулах биополимеров, как правило, полярные группы широко представлены (за исключением разве что натурального каучука). Особенностью водородной связи является то, что ее прочность зависит не только от расстояния между группами, но и от их пространственного расположения (рис. 2). Самая прочная связь образуется, когда все три задействованных в ее образовании атома располагаются на одной прямой длиной около 3 Å. Отклонение на 20–30° считается критическим: дальнейшее увеличение угла ведет к катастрофическому снижению прочности вплоть до полного исчезновения связи. А это энергетически невыгодно. Поэтому водородные связи служат стабилизаторами структур биополимеров, придают им жесткость. Например, открытая Л. Полингом α-спираль - один из типов вторичной структуры белка - стабилизируется водородными связями, образующимися между атомами водорода при азоте и карбонильными группами пептидных связей на соседних витках спирали . В 1954 году «за изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул» Полинг получил свою первую Нобелевскую премию - по химии. Второй (тоже «единоличной») - премии мира - он удостоился в 1962 г., но совсем за другую деятельность.
Слава двойной спирали
Изображенная на рисунке 3 изящная двойная спираль ДНК узнаваема сразу. Сейчас, пожалуй, ни одна голливудская постановка не обходится без изображения этой молекулы, которому малограмотные в естественных науках продюсеры фильмов придают поистине мистический смысл. На самом деле нативная ДНК состоит из двух зеркально отражающих друг друга (комплементарных) макромолекул, соединенных водородными связями наподобие застёжки «молния». Нуклеотиды , из которых состоят макромолекулы, содержат четыре азотистых основания, два из которых являются производными пурина (аденин и гуанин), а два других - производными пиримидина (тимин и цитозин). Отличительной особенностью этих веществ является способность избирательно формировать водородные связи друг с другом. Аденин легко образует двойную водородную связь с тимином или урацилом, однако комплекс с цитозином оказывается значительно менее прочным. Гуанин, напротив, склонен создавать тройную связь с цитозином. Другими словами, основания «узнают» друг друга. Причем сродство это столь велико, что комплексы аденин–тимин (А–Т) и гуанин–цитозин (Г–Ц) кристаллизуются как самостоятельные вещества.
Рисунок 3. Вверху: Стабилизирующие структуру ДНК водородные связи между азотистыми основаниями. Внизу: модель одного витка ДНК в B-форме, созданная на основе данных рентгеноструктурного анализа. Цвет атомов: кислород - красный, углерод - серый, водород - белый, азот - синий, фосфор - желтый. Рисунок с сайта www.visual-science.com .
Разумеется, так же они ведут себя и в составе полинуклеотидов. Водородные связи между А–Т и Г–Ц-парами сшивают между собой две нити ДНК, формируя знаменитую двойную спираль. Это же сродство оснований позволяет строить комплементарную полинуклеотидную цепочку на матрице существующей. Нуклеиновые кислоты - единственные известные науке молекулы, способные размножаться (реплицироваться). Это свойство позволило им стать носителями наследственной информации .
Очевидно, что тройная водородная связь в паре Г–Ц прочнее, чем двойная в А–Т. Судя по всему, это, как и физико-химическое сродство между первичными аминокислотами и определенными нуклеотидами, сыграло немалую роль в становлении генетического кода . ДНК, богатые Г–Ц-парами, подвергаются тепловой денатурации (говоря профессиональным языком молекулярных биологов - «плавятся», хотя к процессу плавления в строгом смысле слова денатурация ДНК не относится) при более высокой температуре. Например, ДНК термофильных бактерий денатурирует при температуре, приближающейся к 100 °С, а искусственная ДНК, состоящая из одних А–Т-пар - всего при 65 °С. «Плавление» ДНК косвенно проявляется через гиперхромный эффект - усиление поглощения ультрафиолетового света с длиной волны 280 нм азотистыми основаниями, которые в нативной молекуле ДНК упакованы внутрь спирали и поглощают слабо.
Выходит, что фундамент жизни - наследственность - сводится к формированию водородных связей. А ведь наследственность - только один из множества примеров. Вся молекулярная биология держится на межмолекулярном распознавании , а оно, в свою очередь, - на слабых взаимодействиях. Это все генетические ферменты, рибосома, тРНК, РНК-интерференция и т.д. Это иммунитет. Это многочисленные варианты взаимодействия рецептор-лиганд . В конечном итоге - сама жизнь!
Разумеется, создав совершенный механизм передачи наследственной информации, природа позаботилась и о способе его поломки. Миметики пиримидиновых оснований 5-галогенурацилы (5-фторурацил, 5-бромурацил и др.) относятся к классу супермутагенов - в их присутствии частота генных мутаций возрастает на несколько порядков. Вероятно, данное свойство 5-галогенурацилов связано с существованием их в двух таутомерных формах: в нормальной кетоформе они образуют двойную водородную связь с аденином, «выдавая» себя за тимин, а в редкой енольной форме становятся аналогами цитозина и образуют тройную связь с гуанином (рис. 4). Такое «двуличие» 5-галогенурацилов ведет к нарушению строгости репликации и возможному закреплению мутации, если им удается встроиться в нуклеотид .
Рисунок 4. Механизм мутагенного воздействия 5-галогенурацилов (на примере 5-бромурацила).
Сила имени Ван-дер-Ваальса
Рисунок 5. Характерные параметры потенциалов Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
Водородные связи, конечно же, не единственный вид слабых взаимодействий. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия играют в живой природе не меньшую роль.
Головоломка-«змейка», или Сказ о торсионных углах
Молекулы биополимеров зачастую имеют очень высокую молекулярную массу - до сотен тысяч и даже миллионов дальтон. Столь массивные молекулы содержат бесчисленное множество атомных групп и теоретически способны принимать астрономическое количество конформаций. На практике же любой биополимер в стандартных условиях стремится принять нативную конформацию, в которой он существует в живом организме. Сходу данный парадокс нелегко объяснить. В самом деле, что мешает гибкой молекуле при непрерывном тепловом движении менять свою геометрию бесконечно?
Ответ кроется в том, что изменение конформации молекулы полипептида всегда начинается с изменения углов между атомными группами основной цепи полипептида (на жаргоне называемой «бэкбоном»), так называемых торсионных углов , обозначаемых греческими буквами Φ (для связей углерод–азот) и Ψ (для связей углерод–углерод). Оказалось, что далеко не все теоретически предсказанные значения торсионных углов способны реализоваться в действительности.
Известные индийские ученые Рамачандран и Сасисекхаран исследовали конформации белковых цепей, и плодом их усилий стала карта конформаций, носящая их имя (рис. 6). Белое поле на карте - запрещенные значения углов, обведенное оранжевым и заштрихованное - разрешенные, но невыгодные, а обведенное красным и плотно заштрихованное - нативная конформация белка. Видно, что почти вся карта окрашена в белый цвет. Таким образом, нативная конформация белка в условиях живого организма - наиболее энергетически выгодная, и белок самопроизвольно принимает именно ее. Если бы биополимеры обладали большей конформационной свободой, четко отлаженная работа живой молекулярной машины стала бы невозможной .
Рисунок 6. Зависимость пространственной структуры полипептидов от торсионных углов. Слева: карта Рамачандрана-Сасисекхарана для запрещенных (белое поле) и разрешенных (заштрихованные поля) конформаций крупных аминокислотных остатков при вращении по торсионным углам Φ и Ψ в белковой цепи. (Именно эти углы определяют всё конформационное разнообразие линейных полипептидных цепочек.) По осям абсцисс и ординат откладываются значения углов Φ и Ψ от –180° до +180°. В обведенной красным области разрешены все конформации боковой группы по углу χ 1 для α-спиралей и β-складок; в обведенной оранжевым области часть углов χ 1 запрещена. (Углы χ определяют разрешенные положения для боковых заместителей аминокислотных остатков в белке, не влияя на пространственный тип укладки в целом.) Справа: Обозначения торсионных углов Φ и Ψ в полипептидной молекуле. Именно они позволяют белковым цепям принимать, как головоломке-«змейке», огромное разнообразие наблюдаемых типов укладки белковых молекул.
Современная компьютерная биофизика стремится построить реалистичную модель биополимеров, чтобы только на основании последовательности молекулы (ее первичной структуры) можно было бы предсказать пространственное строение, поскольку в природе мы наблюдаем, что именно так и происходит: процесс самопроизвольного сворачивания белка в «нативную» конформацию называют фолдингом (от англ. to fold - сворачивать, складывать). Однако понимание физики этого процесса еще далеко от идеального, и современные вычислительные алгоритмы, хотя и дают обнадеживающие результаты, пока далеки от окончательной победы в состязании .
Боязнь воды, и причем тут структура биомолекул
Большинство биополимеров в природе находится в водном окружении. А вода, в свою очередь, является сильно ассоциированной жидкостью, «сшитой» трехмерной сетью водородных связей (рис. 7). Этим объясняется аномально высокая температура кипения воды: даже жидкая вода имеет подобие кристаллической решетки. С такой структурой Н 2 О связана и избирательная растворимость в ней различных веществ. Соединения, способные образовывать водородные связи в силу наличия полярных групп (сахароза, этиловый спирт, аммиак), легко встраиваются в «кристаллическую решетку» воды и прекрасно растворимы. Вещества, лишенные полярных групп (бензол, четыреххлористый углерод, элементная сера), не способны «пробить» сеть водородных связей и смешаться с водой. Соответственно, первую группу веществ именуют «гидрофильными» (водолюбивыми), а вторую - «гидрофобными» (водоотталкивающими).
Рисунок 7. Гидрофобные связи в белке. Вверху слева: нормальный лед. Пунктир - Н-связи. В ажурной структуре льда видны небольшие полости, окруженные молекулами Н 2 О. Вверху справа: схема нерегулярной упаковки связанных водородными связями молекул Н 2 О вокруг неполярной молекулы. Внизу: доступная для воды поверхность внедренной в воду молекулы белка . Зеленые точки показывают центры граничащих с водой атомов; зеленая линия - их Ван-дер-Ваальсовы оболочки. Молекула воды представлена синим шариком (радиус 1,4 Å). Доступная для воды поверхность (красная линия) создается центром этого шарика, когда он обкатывает погруженную в воду молекулу, касаясь Ван-дер-Ваальсовых поверхностей ее внешних атомов.
Контакт воды с гидрофобной поверхностью энергетически крайне невыгоден. Вода стремится сохранить водородные связи, но на границе раздела фаз правильная трехмерная сеть образоваться не может (рис. 7). В результате здесь меняется структура воды: она становится более упорядоченной, молекулы утрачивают подвижность, т.е. фактически вода замерзает при температуре выше 0 °С! Естественно, вода стремится свести невыгодное взаимодействие к минимуму. Этим объясняется, например, то, почему мелкие капельки масла на поверхности воды стремятся слиться в одну большую каплю: фактически это сама водная среда сталкивает их вместе, стремясь уменьшить площадь поверхности контакта.
Белки и нуклеиновые кислоты содержат как гидрофильные, так и гидрофобные фрагменты. Поэтому молекула белка, оказавшись в водной среде, сворачивается в глобулу таким образом, что гидрофильные остатки аминокислот (глутамин, глутаминовая кислота, аспарагин, аспарагиновая кислота, серин) оказываются на ее поверхности и контактируют с водой, а гидрофобные (фенилаланин, триптофан, валин, лейцин, изолейцин) - внутри глобулы и контактируют друг с другом, т.е. образуют между собой гидрофобные контакты*. То есть процесс сворачивания белка в третичную структуру подобен процессу слияния капель масла, а характер третичной структуры каждого белка определяется взаимным расположением аминокислотных остатков. Отсюда правило - все последующие (вторичная, третичная и даже четвертичная) структуры белка определяются его первичной структурой.
* - Это до конца верно только для небольших и растворимых в воде белков, а белки, встроенные в биомембрану, или большие белковые комплексы могут быть устроены сложнее. Мембранные белки, например, организованы почти с точностью до наоборот, потому что контактируют не с полярным растворителем, а с гидрофобной средой липидного бислоя: « » . - Ред.
Как уже было сказано, двойная спираль ДНК образуется за счет водородных связей между основаниями. Однако в пределах каждой цепочки соседние азотистые основания уложены в «стопку» гидрофобными контактами (в данном случае называемыми «стэкинг-взаимодействиями »). Гидрофильный сахарофосфатный остов молекулы ДНК, в свою очередь, взаимодействует с водой.
Иными словами, нативная структура большинства биополимеров (за исключением, например, белков, погруженных в липидные мембраны клеток) формируется водным окружением - естественной средой внутри любого живого организма. С этим связана мгновенная денатурация биополимеров при контакте с органическими растворителями.
Благодаря гидрофильной поверхности нативные молекулы биополимеров покрыты объемной гидратной оболочкой («гидратной шубой»). О том, насколько велика и прочно связана эта шуба из молекул воды, свидетельствует тот факт, что все полученные белковые кристаллы примерно на 60% состоят из связанной воды. При этом трудно отказаться от мысли, что гидратная шуба является такой же неотъемлемой частью молекулы белка, как и сама полипептидная цепь, хотя такая идея противоречит устоявшимся представлениям об индивидуальности химических веществ. И всё же очевидно, что гидратная оболочка способна определять свойства биополимера и его функции, а популярные в наши дни представления о структурировании воды наполняются новым (научным) смыслом.
Заряд бодрости
Рисунок 8. Электростатическое взаимодействие между белком и водным окружением. Ориентация молекул воды (изображены в виде диполей) вокруг белка и заряда (изображен положительным просто для определенности).
Конечно, поверхности молекул биополимеров свойственна не только гидрофильность. Их поверхность, как правило, несет еще и электрический заряд. Белки содержат заряженные карбоксильные и аминогруппы, нуклеиновые кислоты - фосфатные группы, полисахариды - карбоксильные, сульфатные и боратные. Поэтому еще одним видом слабых взаимодействий, присущих биополимерам, являются ионные связи - как внутренние, между радикалами самой молекулы, так и внешние - с ионами металлов или с соседними макромолекулами (рис. 8).
Грамотная координация
Разумеется, нельзя не упомянуть еще один важный вид слабых взаимодействий - координационную связь . На рисунке 9 показан искусственный комплекс трехвалентного кобальта с синтетическим лигандом - этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТК, EDTA). Природные комплексы биополимеров, разумеется, имеют более сложную структуру, но в целом очень сходны с представленным. Комплексы с поливалентными металлами характерны для белков и полисахаридов. Металлопротеины представляют собой обширнейший класс биополимеров. К ним относятся белки-переносчики кислорода, многие ферменты, мембранные белки - звенья электронтранспортных цепей. Металлопротеины обладают ярко выраженной каталитической активностью. И хотя непосредственным катализатором является ион переходного металла, полипептидные цепи служат мощнейшим усилителем катализа, а кроме того, они способны направлять активность металла, подавлять его побочные каталитические свойства, тем самым на порядки повышая эффективность катализа. Таким способом достигается совершенство метаболических процессов и возможность необычайно тонкой их регуляции.
Рисунок 9. Координационные связи. а - Структура октаэдрического комплекса, образованного атомом Со 3+ с ЭДTК. б - Характерная координация центрального иона при различном соотношении его радиуса с радиусами окружающих его доноров электронов. Рисунок из .
Вторичные структуры
Для белков характерны два вида вторичных структур. Об α-спирали выше говорилось не раз. Здесь можно добавить только, что возможны α-спирали двух видов - правозакрученные (обозначаются буквой R) и левозакрученные (обозначаются буквой L). В природе известны только правозакрученные спирали - они значительно более стабильны (рис. 10). Разумеется, образование α-спирали возможно только из одного оптического изомера аминокислот.
Другая распространенная структура белка - складчатый β-лист. Если в α-спирали водородные связи образуются между витками, то в β-листе - между соседними тяжами, формирующими крупную складчатую двумерную структуру («лист»). Такая структура характерна для ряда фибриллярных белков, например, фиброина натурального шелка. Несмотря на то, что отдельно взятая водородная связь не отличается прочностью, благодаря огромному количеству и правильному чередованию таких связей достигается очень крепкое сшивание цепей. Это в свою очередь делает шелковую нить феноменально прочной на разрыв - более прочной, чем стальная проволока такого же диаметра.
Рисунок 10. Вторичные структуры белка. Вверху слева: правая α-спираль. а - Атомарная структура. R - боковые группы. Голубые линии - водородные связи. б - Схематическое изображение одного витка той же α-спирали (вид с торца). Стрелка показывает поворот спирали (в расчете на один остаток) по мере ее приближения к нам (номера остатков при этом убывают). Вверху справа: вторичная структура полипептидной цепи (α-спираль и тяж β-листа) и третичная структура - полипептидная цепь, уложенная в глобулу. Внизу слева: правые (R) и левые (L) спирали. Под ними показан отсчет положительного угла в тригонометрии, при этом «близкая к нам» стрелка вращается против хода часов (соответствует R-спирали). Внизу справа: лист β-структуры имеет складчатую поверхность. Боковые группы (маленькие отростки) расположены на складках и обращены в ту же сторону, что и складка, т.е. направленные вниз и вверх боковые группы чередуются вдоль β-тяжа. Рисунок из .
Весь спектр конформаций
О роли слабых взаимодействий в биополимерах свидетельствуют спектроскопические методы исследования. На рисунке 11 представлены фрагменты спектров ИК (инфракрасных) и КД (кругового дихроизма) синтетического полипептида полилизина, находящегося в трех конформациях - α-спирали, β-листа и неупорядоченного клубка. Поразительно, но спектры совершенно не совпадают, как будто бы сняты с трех различных веществ. То есть в данном случае слабые взаимодействия определяют свойства молекулы не в меньшей степени, чем ковалентные связи.
Рисунок 11. Сравнение спектров поглощения трех конформаций полилизина. Слева: характерные формы спектров КД (в «дальнем» УФ) для полилизина в конформации α-спирали, β-структуры и неупорядоченного клубка (r). Справа: характерные формы ИК-спектров пропускания, измеренных в тяжелой воде (D 2 O) для полилизина в тех же конформациях. Измерения в данном случае проводились в области «амид I», отражающей колебания С=О связи. Рисунок из .
Двадцать в степени N
Число конформаций белковых цепей многократно возрастает из-за обилия аминокислот, входящих в их состав. Протеиногенных аминокислот двадцать, и отличает их многообразие боковых радикалов. У глицина, например, боковой радикал сводится к единственному атому водорода, тогда как у триптофана он представляет собой массивный и сложный по структуре остаток скатола. Радикалы бывают гидрофобные и гидрофильные, кислые и основные, ароматические, гетероциклические и содержащие серу.
Разумеется, свойства боковых радикалов аминокислотных остатков отражаются на конформационных свойствах полипептидной цепи. Они, в частности, влияют на величины торсионных углов и вносят поправки в карты Рамачандрана. Еще от них зависит заряд белковой молекулы, ее изоэлектрическая точка - один из важнейших показателей свойств белка (рис. 12). Например, остаток аспарагиновой кислоты утрачивает отрицательный заряд только в сильнокислой среде, при рН 3. Остаток основной аминокислоты аргинина, напротив, теряет положительный заряд при рН 13 - в сильнощелочной среде. В щелочной среде, при рН 11, заряжается фенольный гидроксил тирозина, а при рН 10 то же самое происходит с сульфгидрильной группой цистеина. Большой интерес вызывает гистидин, радикал которого включает в себя имидазольный цикл: последний приобретает положительный заряд при рН 6, т.е. в физиологических условиях. Иными словами, взаимные превращения заряженной и незаряженной форм остатков гистидина происходят в организме постоянно. Эта легкость перехода определяет каталитическую активность остатков гистидина: данная аминокислота, в частности, входит в состав активных центров ряда ферментов, таких как нуклеазы.
Рисунок 12. Многообразие структур и свойств боковых радикалов аминокислот в составе белков. Вверху слева: боковые цепи двадцати стандартных аминокислотных остатков. Вверху справа: боковые группы, которые (если все они неполярные) могут формировать единые гидрофобные поверхности на α-спиралях и на β-структурных участках. Аналогичные сочетания полярных групп в цепи приводят к образованию гидрофильных областей на противоположных поверхностях α-спиралей и β-тяжей. Внизу: заряженность ионизуемых боковых групп, а также N-конца пептидной цепи (NH 2 -C α) и ее С-конца (C α -C’OOH) при разных рН. Рисунок из .
Двойная Тройная спираль
Как уже сказано выше, двойную спираль ДНК никому представлять не нужно. Тройная спираль коллагена значительно менее узнаваема, причем незаслуженно, ведь коллаген - главный белок организма хордовых животных (и человека), из него состоят соединительные ткани.
Коллаген отличает бедный аминокислотный состав: в нем отсутствуют ароматические аминокислоты, зато он обогащен глицином и пролином. Аминокислотная последовательность полипептидных цепей коллагена также необычна: аминокислоты чередуются в правильном порядке; каждым третьим остатком является глицин. Каждая цепочка коллагена закручена в особую левую спираль (напомню, что α-спираль почти всегда правая), а вместе цепочки скручиваются в правую тройную («коллагеновую») суперспираль (рис. 13).
Рисунок 13. Модель суперспирали коллагена и ее формирование.
Слева:
модель для последовательности (глицин–пролин–пролин) n . Каждая цепь выделена своим цветом. Отмечены завязывающие водородные связи Н-атомы NH-групп глицина (синим) и О-атомы СО-групп первого пролина тройки Gly–Pro–Pro (красным). При этом Gly цепи «1» завязывает связь с цепью «2», а Pro - с цепью «3» и т.д. Завиваясь вокруг двух других, каждая цепь коллагена образует правую
суперспираль. «Супер» - потому что на более мелком масштабе, на масштабе конформаций отдельных остатков, коллагеновая цепь уже образует спираль типа poly(Pro)II (эта «микроспираль» - левая
); ее можно проследить по направлению пролиновых колец.
Справа:
образование коллагена in vivo
. Шаг 1
. Биосинтез про- α 1 -цепей и про- α 2 -цепей (по 1300 остатков в каждой) в пропорции 2:1. Шаг 2
. Гидроксилирование некоторых остатков Pro и Lys. Шаг 3
. Присоединение сахаров (GLC-GAL) к гидроксилированным остаткам. Шаг 4
. Образование тримера и S-S-связей на его концах. Шаг 5
. Образование тройной спирали в середине проколлагена. Шаг 6
. Секреция проколлагена во внеклеточное пространство. Шаг 7
. Отщепление глобулярных частей. Шаги 8–10
. Спонтанное образование фибрилл из тройных суперспиралей, окончательная модификация аминокислотных остатков и образование ковалентных сшивок модифицированных остатков коллагеновых цепей. Рисунок из .
На этом особенности коллагена не кончаются. Некоторые остатки пролина и лизина в его составе гидроксилированы (3-гидроксипролин, 4-гидроксипролин, 5-гидроксилизин) и образуют дополнительные водородные связи, стабилизирующие и упрочняющие белковую фибриллу. Еще бόльшие возможности для формирования водородных связей создает то, что ряд остатков гликозилирован по гидроксильным группам, а некоторые гидроксилы гидроксилизина окислены до кетогруппы.
Гидроксилирование аминокислотных остатков коллагена невозможно в отсутствии аскорбиновой кислоты (витамина С). Поэтому при недостатке данного витамина в пище человека и животных, неспособных к самостоятельному биосинтезу аскорбиновой кислоты, развивается тяжелое заболевание - цинга . При цинге в организме синтезируется аномальный коллаген, лишенный прочности. Соответственно, соединительные ткани становятся очень хрупкими - разрушаются дёсны, прикосновение к телу вызывает боль и гематому. Питание фруктами, богатыми аскорбиновой кислотой, быстро устраняет симптомы цинги. Следует подчеркнуть, что причиной этих симптомов является отсутствие характерной для нормального коллагена системы водородных связей, образуемой остатками гидроксиаминокислот.
Энергетический ландшафт
Выше неоднократно говорилось о том, что нативная конформация биополимеров энергетически наиболее выгодна, и молекула в стандартных для себя условиях стремится принять именно ее. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на карту энергетического ландшафта макромолекулы (рис. 14). Самая глубокая «впадина» на ней соответствует нативной конформации (энергетический минимум), а самые высокие «горные пики», понятно, принадлежат самым невыгодным, напряженным структурам, принимать которые молекула избегает. Обращает на себя внимание то, что соответствующий нативной конформации глобальный минимум отделен от остальных впадин широким пространством - «энергетической щелью». Это затрудняет спонтанный переход макромолекулы из нативной конформации в какую-либо другую, тоже энергетически выгодную . Надо сказать, что в данном правиле есть исключения - функции ряда биополимеров связаны с переходом из одной конформации в другую, у них и энергетический ландшафт другой . Но такие исключения только подтверждают общее правило.
Рисунок 14. Самосборка третичной структуры белка. Слева: один из возможных путей последовательного сворачивания белка. Все промежуточные состояния имеют высокую свободную энергию и потому не накапливаются при сворачивании и не могут наблюдаться непосредственно. Справа: схематическое изображение энергетического ландшафта белковой цепи. (На рисунке мы можем изобразить только две координаты, описывающих конформацию белковой цепи, тогда как реальная конформация описывается сотнями координат.) Широкая щель между глобальным энергетическим минимумом и прочими энергетическими минимумами необходима для того, чтобы стабильная укладка цепи разрушалась только путем термодинамического перехода типа «всё-или-ничего»; это обеспечивает надежность функционирования белка - по принципу «всё-или-ничего», как у электрической лампочки.
Тем не менее спонтанная правильная укладка биополимера наблюдается далеко не всегда. Например, приготовление яичницы есть ни что иное, как тепловая денатурация яичного белка. Но никто до сих пор не наблюдал, чтобы, остывая, яичница ренатурировала обратно в сырое яйцо. Причиной этому служит неупорядоченное взаимодействие между собой полипептидных цепей, их сплетение в единый клубок. Такого рода стабилизация денатурированного состояния наблюдается и в живой ткани, скажем, при том же самом термическом воздействии. Эволюция предусмотрела решение и этой проблемы, создав так называемые белки теплового шока . Эти агенты названы так потому, что интенсивно вырабатываются в организме при термических ожогах. Их задача - помочь денатурированным макромолекулам вернуть нативную структуру. Белки теплового шока еще называют шаперонами , т.е. «няньками». Для них характерно наличие вместительной полости, в которую помещаются фрагменты денатурированных молекул и где создаются оптимальные условия для правильной укладки цепей. Таким образом, функция шаперонов сводится к устранению стерических препятствий на пути самопроизвольной ренатурации биополимеров.
Не только белки, но и углеводы
Рисунок 15. Водородные связи в полисахаридах. Слева: в целлюлозе соседние остатки глюкозы повернуты на 180°, что позволяет им образовать две Н-связи. Это делает невозможным перемещение остатков друг относительно друга, и молекула целлюлозы представляет собой жесткую, негнущуюся нить. Такие нити образуют водородные связи между собой, формируя микрофибриллы , которые объединяются в фибриллы - жгуты с высокой механической прочностью. Справа: другая конфигурация связей между мономерами в амилозе приводит к тому, что водородные связи образуются между остатками глюкозы, находящимися в цепи далеко друг от друга. Поэтому амилоза образует спиральные структуры, в которых на один виток приходится 6 остатков глюкозы, т.е. водородными связями соединены первый и шестой остатки, второй и седьмой, третий и восьмой и т.д.
До сих пор речь шла фактически только о двух классах биополимеров - белках и нуклеиновых кислотах. Но есть и третий большой класс - полисахариды , которых мы традиционно упустили из вида.
Молекулярные биологи всегда относились к полисахаридам с некоторым пренебрежением, как к грубой субстанции. Дескать, нуклеиновые кислоты - это интересный объект исследования, они - носитель генетической информации. Белки тоже интересны, к ним относятся почти все ферменты. А полисахариды всего-навсего энергетический запас, топливо живого организма или строительный материал, не более. Разумеется, данный подход неверен и постепенно изживает себя. Теперь мы знаем, что полисахариды и их производные (в частности, протеогликаны) играют ключевую роль в регуляции клеточной деятельности. Например, рецепторы клеточной поверхности представляют собой разветвленные молекулы полисахаридной природы, а роль полисахаридов клеточных стенок растений в регуляции жизнедеятельности самого растения еще только начала выясняться, хотя уже получены интереснейшие данные.
Нас же интересует роль слабых взаимодействий, которая у полисахаридов проявляется, пожалуй, даже сильнее, чем у других биополимеров. С первого взгляда ясно, что хлопковая вата и картофельный крахмал не одно и то же, хотя химическое строение целлюлозы и амилозы (неразветвленной фракции крахмала) очень сходное. Оба вещества представляют собой (1→4)-D-глюканы - гомополимеры, состоящие из остатков D-глюкозы в форме пиранозных циклов, соединенных друг с другом гликозидными связями в положениях 1 и 4 (рис. 15). Разница в том, что амилоза - это α-(1→4)-D-глюкан (в ней остатки глюкозы не повернуты относительно друг друга), а целлюлоза - β-(1→4)-D-глюкан (в ней каждый остаток глюкозы повернут на 180° относительно двух своих соседей). В результате макромолекулы целлюлозы оказываются выпрямленными и образуют прочную сеть водородных связей как между собой, так и внутри каждой макромолекулы. Пучок таких макромолекул образует фибриллу . Внутри фибриллы макромолекулы упакованы настолько плотно и упорядоченно, что формируют кристаллическую структуру, редкую для полимеров. Фибриллы целлюлозы по механической прочности приближаются к стали и инертны до такой степени, что выдерживают действие уксусно-азотного реактива (горячей смеси азотной и уксусной кислот). Вот почему целлюлоза выполняет в растениях опорные, механические функции. Она является каркасом клеточных стенок растений, фактически их скелетом. Очень сходное строение имеет хитин - азотистый полисахарид клеточных стенок грибов и наружного скелета многих беспозвоночных животных.
Амилоза структурирована иначе. Ее макромолекулы имеют форму широкой спирали, на каждый виток которой приходится шесть глюкозных остатков. Каждый остаток связан водородной связью с шестым от себя «собратом». Спираль имеет вместительную внутреннюю полость, в которую могут проникать комплексообразователи (например, молекулы йода, образующего с крахмалом комплекс синего цвета). Такая структура делает амилозу рыхлой и непрочной. В отличие от целлюлозы она легко растворяется в воде, образуя вязкий клейстер, и не менее легко гидролизуется. Поэтому в растениях амилоза вместе с разветвленным амилопектином играет роль резервного полисахарида - хранилища глюкозы.
Итак, все приведенные в статье данные свидетельствуют о колоссальной роли, которую играют слабые взаимодействия в живом организме. Статья не претендует на научную новизну: самое главное, что уже известные факты рассмотрены в ней с несколько нетривиальной точки зрения. Можно лишь напомнить о том, что уже прозвучало в начале - слабые связи в значительно большей степени годятся на роль рычагов управления молекулярной машиной, чем ковалентные . А то, что они столь широко представлены в живых системах и несут столько полезных функций, лишь подчеркивает гениальность Природы. Надеюсь, что прозвучавшие в этой статье сведения заинтересуют и тех, кто занимается созданием искусственных молекулярных машин: следует помнить о том, что мир един, живой и неживой природой управляют одни и те же законы. Не стоим ли мы у истока новой науки - молекулярной бионики У истоков генетического кода: родственные души Физическая водобоязнь ;
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Структурная организация белков
Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. В организме человека насчитывается до 5 млн. различных видов белков. Белковая молекула может состоять из одной или нескольких цепей, содержащих от пятидести до нескольких сотен (иногда более тысячи) аминокислотных остатков. Молекулы, содержащие менее пятидесяти остатков, относят к пептидам. В состав многих молекул входят остатки цистеина, дисульфидные связи которых ковалентно связывают участки одной или нескольких цепей. В нативном состоянии белковые макромолекулы обладают специфической конформацией. Характерная для данного белка конформация определяется последовательностью аминокислотных остатков и стабилизируется водородными связями между пептидными и боковыми группами аминокислотных остатков, а также электростатическими и гидрофобными взаимодействиями.
2. Первичная структура белка: методы исследования
Структурные особенности пептидной связи.
Пептидная связь образуется при реакции аминогруппы одной амино-
кислоты и карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды:
СН3-СН(NH2)-COOH + CH3- СН(NH2)-COOH >СН3-СН(NH2)-CONH-(CH3) СН-COOH + H2O
Связанные пептидной связью аминокислоты образуют полипептидную цепь. Пептидная связь имеет плоскостную структуру: атомы С, О и N находятся в sp2-гибридизации; у атома N имеется р-орбиталь с неподеленной парой электронов; образуется р-р-сопряженная система, приводящая к укорочению связи С?N (0,132 нм) и ограничению вращения (барьер вращения составляет?63 кДж/моль). Пептидная связь имеет преимущественно трансконфигурацию относительно плоскости пептидной связи. Подобное строение пептидной связи сказывается на формировании вторичной и третичной структуры белка. Пептидная связь жесткая, ковалентная, генетически детерминированная. В структурных формулах изображается в виде одинарной связи, однако на самом деле эта связь между углеродом и азотом носит характер частично двойной связи:
Это вызвано различной электроотрицательностью атомов С, N и O. Вокруг пептидной связи вращение невозможно, все четыре атома лежат в одной плоскости, т.е. компланарны. Вращение же других связей вокруг полипептидного остова достаточно свободно.
Первичная структура была открыта профессором Казанского университета А.Я. Данилевским в 1989 г. В 1913 году Э. Фишером были синтезированы первые пептиды. Последовательность аминокислот для каждого белка уникальна и закреплена генетически
Рис. 1.2 Образование дипептида
Для определения первичной структуры отдельной, химически гомогенной полипептидной цепи методом гидролиза выясняют аминокислотный состав: соотношение каждой из двадцати аминокислот в образце гомогенного полипептида. Затем приступают к определению химической природы концевых аминокислот полипептидной цепи, содержащей одну свободную NH2-группу и одну свободную СООН-группу.
Для определения природы N-концевой аминокислоты предложен ряд методов, в частности, метод Сэнжера (за его разработку Ф. Сэнжер был удостоен Нобелевской премии в 1958 г.). Этот метод основан на реакции арилирования полипептида 2,4-динитрофторбензолом. Раствор полипептида обрабатывают 2,4-динитрофторбензолом, который взаимодействует со свободной б-аминогруппой пептида. После кислотного гидролиза продукта реакции только одна аминокислота оказывается связанной с реактивом в виде 2,4-динитрофениламинокислоты. В отличие от других аминокислот она имеет желтый цвет. Ее выделяют из гидролизата и идентифицируют методом хроматографии.
Для определения С-концевой аминокислоты часто используют ферментативные методы. Обработка полипептида карбоксипептидазой, которая разрывает пептидную связь с того конца пептида, где содержится свободная СООН-группа, приводит к освобождению С-концевой аминокислоты, природа которой может быть идентифицирована методом хроматографии. Существуют и другие методы определения С-концевой аминокислоты, в частности, химический метод Акабори, основанный на гидразинолизе полипептида. Следующий этап работы связан с определением последовательности аминокислот в полипептиде. Для этого вначале проводят частичный (химический и ферментативный) гидролиз полипептидной цепи на короткие пептидные фрагменты, последовательность которых может быть точно определена. После гидролиза с помощью электрофореза и хроматографии составляют пептидные карты. Затем устанавливают последовательность аминокислот в выделенных пептидах и первичную структуру всей молекулы.
Вторичная структура белков:б--спираль, ее основные характеристики, в--структура, в--изгиб. Роль водородных связей в формировании вторичной структуры.. Сверхвторичные (надвторичные) структуры белка.
Вторичная структура? это пространственное расположение полипептидной цепочки в виде б-спирали или в-складчатости безотносительно к типам боковых радикалов и их конформации. Л. Полинг и Р. Кори предложили модель вторичной структуры белка в виде б-спирали, в которой водородные связи замыкаются между каждой первой и четвертой аминокислотой, что позволяет сохранять нативную структуру белка, осуществлять простейшие функции, защищать от разрушения. В образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы, что обеспечивает максимальную стабильность, снижает гидрофильность и увеличивает гидрофобность белковой молекулы. б-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией, отвечающей минимуму свободной энергии.
Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая б-спираль (б R).
Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 0,54 нм; б-спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные б-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах (трансмембранные спирали). Зеркально-симметричная относительно б R-спирали левая б-спираль (бL) встречается в природе крайне редко, хотя энергетически возможна. Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру происходит вследствие взаимодействия между кислородом карбонильной группы i-того аминокислотного остатка и водородом амидогруппы (i+4)- аминокислотного остатка посредством образования водородных связей:
Рис. 1.3 (а) Атомы азота изображены синим цветом, кислорода - красным. Оранжевым изображены водородные связи, образующиеся между соответствующими атомами азота и кислорода Атомы азота изображены синим цветом спирали. И оранжевым отображены водородные связи, образующиеся между соответствующими правилу атомами кислорода и азота
рис.1.3(б) Вторичная структура белка: альфа-спираль
Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей. Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и при остатке в 3,3 в каждом витке более пологая по сравнению с б-спиралью. В отличие от б-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль. Наряду с б-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие в-структуры, в-изгиб. В отличие от конденсированной б-спирали в-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно. B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи.Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (вб); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (вn). В складчатых структурах б-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз.
Энергетически предпочтительной оказывается вб-складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.
Рис. 1.4 Бета-складчатая структура белка
Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это - в-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних в-тяжей в антипараллельных в-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.
Супервторичная структура? это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур:
1. б-спираль? два антипараллельных участка, которые взаимодействуют гидрофобными комплементарными поверхностями (по принципу «впадина-выступ»);
2. сверхспирализация б-спирали;
3. вхв? два параллельных участка в-цепи;
4. в-зигзаг.
Встречаются разнообразные способы укладки белковой цепи:
рис.1.5 Способы укладки белковой цепи
Домен - компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться свертыванию в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.
Рис. 1.6 Мотивы укладки белковой цепи и орнаменты на индейских и греческих вазах. Вверху: мотив меандра; в середине: мотив греческого ключа; внизу: мотив зигзага-"молнии" .
3.Вторичная структура белков: конформации полипептидной цепи
Для понимания структуры белка необходимо рассмотреть возможные конформации полипептидной цепи.Они определяются,прежде всего, плоским строение пептидной связи -СО - NН- .Структурные параметры пептидных единиц,установленные в результате рентгенографического исследования пептидов и родственных им соединений,представлен в табл.
Таблица 1. Структурные параметры пептидных единиц: длины связей и углы между ними X и Y -атомы,с которыми связан углерод как в основной цепи,так и при привеске радикалов.
Полностью вытянутая цепь(без деформации валентных углов и изменений длин связей) имеет транс конформацию с нулевыми значениями углов поворота.Однако такая конформация не является наиболее стабильной. Атомы иминных групп N-H образуют водородные связи с атомами кислорода карбонильных групп.Нахождение наиболее устойчивой конформации требуетминимизации ее полной энергии,включая энергию внутримолекулярных водородных связей.
Полинг и Кори определили наиболее устойчивые конформации полипептидной цепи,основываясь на данных рентгеноструктурных исследований и рассмотрении полной упаковки цепей с максимальным числом водородных связей. Таких конформаций три.Это, во-первых,уже известная б-спираль. Она характеризуется поворотом вокруг оси на 54 нм.
Водородные связи образованны между С=О группой данной группы и N-Н группой четвертой предшествующей единицы. Такие связи реализуются между всеми аминокислотными остатками, за исключением пролила (Про), не содержащего N-Н группы. Б-спираль может быть и правой и левой. В первом случае углы =132?? и =123?? ,во втором =228 ?? и =237 ?? соответственно.
Вторая и третья конформации с максимальным насыщением водородных связей - параллельная и антипараллельная в-формы.Это конформация уже не отдельной цепи, а совокупности цепей, образующих слоистую структуру. Цепи в такой форме не имеют плоского транс-строения. В параллельной форме углы 61? и 239? соответственно, в антипараллельной - 380? и 325?.
Очень важна возможность образования бета-формы и в отдельной полипептидной цепи. Это так называемые кросс-бета-формы. В местах изгибов углы поворотов имеют значения, отличные от свойственным упорядоченным участкам.
Рис. 1.7 Регулярные вторичные структуры - альфа-спираль, пераллельный бета-лист, антипараллельный бета-лист
Таким образом, водородные связи стабилизируют конформации полипептидной цепи в растворе. Наличие вторичной структуры, имеющей периодичность, означает сходство цепи с кристаллом: альфа-спираль подобна одномерному, бета-форма - двумерному кристаллу.
Рис. 1.8 Вспомогательные взаимодействия: водородные связи
Альфа- и бета-формы, в частности, не единственные. Например, фибриллярные белки обладают другими конформациями.
Рассмотрим теперь зависимости энергий полипептидной цепи от углов внутреннего вращения - так называемые стерические карты, подобные геодезическим.
Конформационная энергия цепи определяется слабым взаимодействием валентно не связанных атомов. Вследствие плоского строения пептидной группы углы поворота i-го звена практически не зависят от углов поворота соседних звеньев. И если углы поворота i-го звена варьируют в области значений, не запрещенных перекрыванием атомов пептидных групп, соединенных связями i-го и (i+1)-го звеньев, и если одновременно варьируют углы (i+1), то не существует такой комбинации этих четырех углов, при которой возможно стерическое взаимодействие i-го и (i+2)-го звена. Тем самым полипептидная цепь имеет ограниченную кооперативность, ближние взаимодействия в ней ограничены ближними соседями. Это позволяет рассматривать порознь конформационные энергии для отдельных конформационных остатков. Стерическая карта для данного остатка существенно зависит от природы его радикала R.
Можно считать, что взаимодействия в данной паре пептидных групп характеризуют аминокислотный остаток, соединяющий эти группы, Рамачардан исследовал дипептид Глицил-L-аланин и получил конформационную (стерическую карту для аланина).
Рис. 1.9 Двумерное распределение плотности вероятности по торсионным углам.
Наиболее часто посещаемые области имеют более темный цвет. Для аминокислотных остатков чаще всего рассматривают двумерные распределения по торсионным углам ш,ц,? .Среди возможных вариантов двумерных распределений обычно уделяют особое внимание сечению по углам ш,ц.
Рис. 2.1 Карта Рамачандрана для аминокислотного остатка.
Конформации, которые могут быть достигнуты любым амтнокислотным остатком, представлены темно-серым цветом. Большинство аминкислот может заселять области, обозначенные светло-серым цветом. Белым обозначены запрещенные конформации, которые, тем не менее, могут встречаться в некоторых белковых структурах.
Расчет проводился на основе простейшего предположения об атомах как твердых сферах, имеющих ван-дер-ваальсовые радиусы, определяемые из данных по межатомным расстояниям в молекулярных кристаллах. В таблице приведены эти расстояния, чаще всего наблюдаемые в кристаллах, и минимальные расстояния, наблюдаемые лишь в немногих случаях.
Таблица 2. Контактные расстояния между атомами в полипептидах
|
Пара атомов |
Обычное расстояние,нм |
Минимальное расстояние,нм |
Пара атомов |
Обычное расстояние, нм |
Минимальное Расстояние,нм |
|
4.Третичная структура белков. Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру. Роль S--S--мостиков в формировании третичной структуры некоторых белков
Под третичной структурой понимают пространственное расположение полипептидной цепи (способ укладки цепи в определенном объеме). В стабилизации пространственной структуры основную роль играют нековалентные связи. К ним относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот (гидрофобные взаимодействия), диполь-дипольные взаимодействия. Кроме того, важную роль в формировании третичной структуры играют дисульфидные связи (S-S-мостики):
Рис. 2.2 (а) Образование дисульфидных связей
Рис. 2.2 (б) Образование дисульфидных связей
Дисульфидные связи образуются при окислении сближенных в пространственной структуре белка остатков цистеина в остатки цистина. Считают, что дисульфидные связи, часто множественные, особенно важны для стабилизации маленьких белков, в которых не может возникнуть обширной системы нековалентных взаимодействий.
Третичная структура - уникальное для каждого белка расположение в пространстве полипептидной цепи, зависящее от количества и чередования аминокислот, т.е. предопределенное первичной структурой белка. Конфигурация белковых молекул может быть фибриллярной и глобулярной. Третичная структура многих белков составляется из нескольких компактных глобул, называемых доменами. Между собой домены обычно бывают связаны тонкими перемычками.
Третичная структура белков. Гемоглобин и миоглобин: конформационные перестройки. Известно, что нативная, трехмерная структура белка устанавливается в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Характерные времена многих внутримолекулярных изменений, в том числе и ферментативных процессов тысячных долей секунды и зависят от pH, температуры и ионного состава среды. Таким образом, изменения ионного гомеостаза могут непосредственно влиять на структурные изменения в клеточных белках и,соответственно, на их функции и активность. Рассмотрим в качестве примера конформационные перестройки белков,переносящих кислород,-гемоглобина и миоглобина. Строение этих белков, находящихся в кристалической форме, детально изучено методом рентгеноструктурного анализа. Пространство между альфа-спиральными участками,в том числе полость активного центра гемовой группы внутри молекул белка, заполнено гидрофобными боковыми цепями аминокислот, а в окружающую водную среду выступает множество полярных белковых цепей. Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (две б и две в), образующих правильный тетрамер. Молекулы воды, локализованные в области контактов субъединиц,образуют солевые мостики и дополнительно стабилизируют тетрамер. Железо может находиться в высоко- и низкоспиновом состоянии в зависимости от способа заполнения d-орбитали электронами,который определяется правилом Хунда. В связи с этим заполнение электронами внешних d-орбиталей ионов двух- и трехвалентного железа характерно для свободных ионов или ионов в составе соединений с ионной связью. Ситуация меняется,когда атомы железа находятся в комплексе, где связаны с лигандными атомами ковалентной связью и входят в состав гема. Следует подчеркнуть,что спиновое состояние центрального атома в комплексе определяется характером лигандного окружения:симметрией,силой связывания лигандов в комплексе и т.д. В силу этого изменения в лигандном окружении могут приводить к изменениям в спиновом состоянии иона металла,что в свою очередь может вызвать изменения конформации белка с которым связан ион металла. Изменения спинового состояния ионов железа, индуцированные присоединением субстратов,сменой температуры,были продемонстрированны для ряда гемопротеинов. Переход иона железа из низкоспинового состояния в высокоспиновое увеличивет диаметр иона и приводит к выводу его из плоскости гема,что и обуславливает конформационные изменения в близжайшем белковом “окружении”.
В высокоспиновом состоянии ион двухвалентного железа обладает координационным числом 5 и расположен вне плоскостии гема на расстоянии 0,05-0,07 нм.Он координационно связан с четырьмя атомами азотапиррольных групп плоскогопорфиринового кольца,а в 5-м положении взаимодействует с атомом N имидазольного кольца гистидина. Оксигепация и образование связи кислород-железо не меняет валентности атома железа, но переводят его из высокоспинового состояния в низкоспиновое, увеличивая число лигандов в координационной сфере до 6.В 6-ом положении железо координируется с кислородом или другими лигандами.
Рис. 2.3 (а) Упрощенная схема строения гемоглобина
Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в молекуле гемоглобина.Связывание кислорода с переводом атома железа в низкоспиновое состояние сопровождается одновременным смещением железа на 0,07 нм в плоскость гемовой группы.Это смещение передается через гистидин,и спираль вместе с ним “подтягивается” в сторону гема к центру молекулы,выталкивая из полости остаток тирозина.Затем происходит поэтапный разрыв солевых мостиков между б-субъединицами и смещение их вдоль области контакта. Расстояние между гемом и б-субъединицами увеличивается, а между гемом и в-субъединицами, наоборот, сокращается. Центральная полость гема при этом сжимается. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух б-субъединиц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следовательно, облегчает соединение следующих молекул кислорода с остальными субъединицами, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характер присоединения кислорода к гемоглобину, при котором начало оксигенации последнего облегчает связывание остальных молекул кислорода.
Использование лазерного излучения с длиной волны поглощения в диапазоне в-полосы порфиринаи вблизи нее позволяет регистрировать спектры РКР протопорфиринов в целых клетках(эритроцитах).В этих спектрах доминируют линии, лежащие в области 1000-1650/см, которые обусловлены плоскостными колебаниями связей С-С и С-N и деформационным колебаниям С-Н. Некоторые из них подвержены влиянию химических превращений, происходящих с атомом железа, и могут быть использованы для изучения структуры макроцикла. При изменении состояния окисления атома железа от трехвалентного до двухвалентного наблюдается снижение частоты скелетных колебаний порфирина. Положение этой и других характерных полос спектра РКР отражает заселенность электронами р-орбиталей порфирина. С ее увеличением связи в порфирине становятся менее прочными, что выражается в снижении частоты колебаний. Заселенность этих орбиталей возрастает за счет обратного перехода электронов с р-орбиталей атома железа. Поскольку процесс сильнее выражен для для двухвалентного железа, полосы, характеризующие состояние окисления, сдвинуты в область более низких частот для гемом именно с таким железом. При таком подходе любой эффект (в том числе изменение состояния окисленности атомов железа), который вызывает изменения в распределении электронов в порфирине, может повлиять на частоту соответствующих характеристических линий. Эта частота сильно меняется, например, если аксиальный лиганд, имеющий р-орбиталь, может взаимодействовать с орбиталями порфиринов через dр-электроны атома железа. Аксиальный р-электронный донор приводит к дополнительному переходу dр-электронов атома железа на р-орбитали порфирина и вызывает снижение частоты полос, характеризующих состояние окисления до нетипичных величин.
Рис. 2.3(б) Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью). Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом - гем
Рис.1.7(в) степень насыщения кислородом миоглобина и гемоглобина
При свертывании белковой глобулы значительная часть (не менее половины) гидрофобных радикалов аминокислотных остатков оказывается скрытой от контакта с окружающей белок водой. Происходит образование своеобразных внутримолекулярных «гидрофобных ядер». В них особенно представлены объемные остатки лейцина, изолейцина, фенилаланина, валина.
С появлением третичной структуры у белка появляются новые свойства - биологические. В частности, проявление каталитических свойств связано с наличием у белка третичной структуры. И наоборот, нагревание белков, приводящее к разрушению третичной структуры (денатурация), приводит и к утрате биологических свойств.
5.Четвертичная структура белков. Количество и типы субъединиц, взаимодействия между субъединицами, стабилизирующие четвертичную структуру. Функциональное значение четвертичной структуры белков
Четвертичная структура? это надмолекулярное образование, состоящее из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентно, а водородными связями, электростатическими, дипольдипольные и гидрофобными взаимодействиями между остатками аминокислот, находящихся на поверхности. Примером может служить молекула гемоглобина, вирус табачной мозаики (2130 субъединиц).
Каждый из белков-участников третичной структуры при образовании четвертичной структуры называют субъединицей или протомером. Образовавшуюся молекулу называют олигомером, или мультимером. Олигомерные белки чаще построены из четного количества протомеров с одинаковыми или разными молекулярными массами. В образовании четвертичной структуры белка принимают участие те же связи, что и при образовании третичной структуры, за исключением ковалентных.
Объединение белковых молекул третичной структуры без появления новых биологических свойств называют агрегированным состоянием. Как четвертичная структура, так и агрегированное состояние могут быть обратимо разрушены с применением детергентов, в частности, додецилсульфата натрия или неионных детергентов типа тритона. Очень часто для разрушения четвертичной структуры исследуемый белок нагревают при 100°С в присутствии 1%-ного 2-меркаптоэтанола и 2%-ного додецилсульфата натрия. В таких условиях восстанавливаются -S-S-связи между остатками Cys, которые в некоторых случаях удерживают субъединицычетвертичной структуры. Субъединицы, образующие четвертичную структуру белка, могут быть различными как по строению, так и по функциональным свойствам (гетеромеры). Это позволяет объединить в одной структуре несколько взаимосвязанных функций, создать полифункциональную молекулу. Например, в протеинкиназе, стехиометрия червертичной структуры которой отвечает формуле С2R2, субъединица С ответственна за ферментативную активность, осуществляя перенос фосфатного остатка от АТР на белок; субъединица R является регуляторной. В отсутствие циклического АМР последняя связана с С-субъединицей и ингибирует ее. При образовании комплекса с сАМР четвертичная структура распадается и С-субъединицы оказываются способными фосфорилировать белковые субстраты. В гомомерных белках субъединицы одинаковы.
Подавляющая часть белков, имеющих четвертичную структуру, приходится на димеры, тетрамеры и гексамеры, последние встречаются у белков с молекулярной массой, большей 100 кДа.
Характерной особенностью белков с четвертичной структурой является их способность к самосборке. Взаимодействие протомеров осуществляется с высокой специфичностью, благодаря образованию десятка слабых связей между контактными поверхностями субъединиц, поэтому ошибки при формировании четвертичной структуры белков исключены. Практически все белки-ферменты имеют четвертичную структуру и состоят, как правило, из четного числа протомеров (двух, четырех, шести, восьми). Четвертичная структура белка подразумевает такое объединение белков третичной структуры, при котором появляются новые биологические свойства, не характерные для белка в третичной структуре. В частности, такие эффекты, как кооперативный и аллостерический, характерны лишь для белков с четвертичной структурой. Четвертичная структура - последний уровень в организации белковой молекулы, причем не обязательный - до половины известных белков ее не имеют.
Литература
белок биофизика полипептидный
1. Биохимия и молекулярная биология. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: конспект лекций / Н.М. Титова, А.А.Савченко, Т.Н. Замай и др. - Электрон. дан. (10 Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.
2 Ревин В.В. Биофизика: Учеб./В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс; Под редакцией проф. А.Б. Рубина.-Саранск: Изд-во Мордов. ун-та,2002. 156 с.
3. М.В. Волькенштейн. Биофизика М.: Наука,1988.-592 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Строение и свойства белков. Различия в строении аминокислот. Пространственная организация белковой молекулы. Типы связей между аминокислотами в молекуле белка. Основные факторы, вызывающие денатурацию белков. Методы определения первичной структуры белка.
реферат , добавлен 15.05.2010
Оценка сложившегося административно-территориального устройства России. Исследование белков. Классификация белков. Состав и строение. Химические и физические свойства. Химический синтез белков. Значение белков.
реферат , добавлен 13.04.2003
Характеристика белков как высокомолекулярных соединений, их структура и образование, физико–химические свойства. Ферменты переваривания белков в пищеварительном тракте. Всасывание продуктов распада белков и использование аминокислот в тканях организма.
реферат , добавлен 22.06.2010
Общая характеристика, классификация, строение и синтез белков. Гидролиз белков с разбавленными кислотами, цветные реакции на белки. Значение белков в приготовлении пищи и пищевых продуктов. Потребность и усвояемость организма человека в белке.
курсовая работа , добавлен 27.10.2010
Роль в живой природе. Состав и свойства белков. Классификация белков. Определение строения белков. Определение наличия белка. Идентификация белков и полипептидов. Синтез пептидов. Искусственное получение белка. Аминокислоты.
реферат , добавлен 01.12.2006
Общие пути обмена аминокислот. Значение и функции белков в организме. Нормы белка и его биологическая ценность. Источники и пути использования аминокислот. Азотистый баланс. Панкреатический сок. Переваривание сложных белков. Понятие трансаминирования.
презентация , добавлен 05.10.2011
Аминокислоты, входящие в состав пептидов и белков. Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды. Энантиомерия аминокислот, образование солей. Мезомерия и строение пептидной связи. Методы выделения и анализа белков. Электрофорез в полиакриламидном геле.
презентация , добавлен 16.12.2013
Основные химические элементы, входящие в состав белков. Белки - полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Строение аминокислот, уровни организации белковых молекул. Структуры белка, основные свойства белков. Денатурация белка и ее виды.
презентация , добавлен 15.01.2011
Общие принципы препаративной химии белков, особенности их выделения. Удаление небелковых примесей, разделение между собой собственно белковых компонентов. Характерные свойства белков, на которых основано разделение, гель-хроматография (гель-фильтрация).
научная работа , добавлен 17.12.2009
Общий анализ взаимодействия поверхностно-активных веществ (ПАВ) с полимерами. Особенности дифильности белков. Относительная вязкость растворов желатина в зависимости от концентрации добавленного додецилсульфата натрия. Роль взаимодействий белков с ПАВ.
Вторичная структура белка – это способ укладки полипептидной цепи в более компактную структуру, при которой происходит взаимодействие пептидных групп с образованием между ними водородных связей.
Формирование вторичной структуры вызвано стремлением пептида принять конформацию с наибольшим количеством связей между пептидными группами. Тип вторичной структуры зависит от устойчивости пептидной связи, подвижности связи между центральным атомом углерода и углеродом пептидной группы, размером аминокислотного радикала. Все указанное вкупе с аминокислотной последовательностью впоследствии приведет к строго определенной конфигурации белка.
Выделяют два возможных варианта вторичной структуры: в виде "каната" – α-спираль (α-структура), и в виде "гармошки" – β-складчатый слой (β-структура). В одном белке, как правило, одновременно присутствуют обе структуры, но в разном долевом соотношении. В глобулярных белках преобладает α-спираль, в фибриллярных – β-структура.
Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными группами: атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д.
α-Спираль
Данная структура является правозакрученной спиралью, образуется при помощи водородных связей между пептидными группами 1-го и 4-го, 4-го и 7-го, 7-го и 10-го и так далее аминокислотных остатков.
Формированию спирали препятствуют пролин и гидроксипролин, которые из-за своей циклической структуры обусловливают "перелом" цепи, т.е. ее принудительный изгиб как, например, в коллагене .
Высота витка спирали составляет 0,54 нм и соответствует высоте 3,6 аминокислотных остатков, 5 полных витков соответствуют 18 аминокислотам и занимают 2,7 нм.
β-Складчатый слой
В этом способе укладки белковая молекула лежит "змейкой", удаленные отрезки цепи оказываются поблизости друг от друга. В результате пептидные группы ранее удаленных аминокислот белковой цепи способны взаимодействовать при помощи водородных связей.
n1.docx
Вопрос 79. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белков,-химические связи, обеспечивающие сохранение данной структуры. Денатурация и ренатурация белков.
Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы - сочетания аминокислот, играющих ключевую роль в функциях белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка.
Вторичная структура - локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями . Ниже приведены самые распространённые типы вторичной структуры белков:
?-спирали - плотные витки вокруг длинной оси молекулы,в белках преобладает правозакрученная.
?-листы (складчатые слои) - несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга аминокислотами или разными цепями белка.
3Полиаминные алкалоиды (производные путресцина , спермидина и спермина ).
Медицинское
применение растений-алкалоидоносов имеет давнюю историю. В XIX веке, когда первые алкалоиды были получены в чистом виде, они сразу нашли своё применение в клинической практике в качестве лекарственного средства
. Многие алкалоиды до сих пор применяются в медицине (чаще в виде солей), например
:
| Алкалоид | Фармакологическое действие |
| Аймалин | антиаритмическое |
| Атропин , скополамин , гиосциамин | антихолинергические препараты |
| Винбластин , винкристин | противоопухолевое |
| Винкамин | сосудорасширяющее, антигипертензивное |
| Кодеин | противокашлевое средство |
| Кокаин | анестетик |
| Колхицин | средство от подагры |
Вторичная структура − это пространственное расположение полипептидной цепочки в виде α-спирали или β-складчатости безотносительно к типам боковых радикалов и их конформации.
Л. Полинг и Р. Кори предложили модель вторичной структуры белка в виде α-спирали, в которой водородные связи замыкаются между каждой первой и четвертой аминокислотой, что позволяет сохранять нативную структуру белка, осуществлять простейшие функции, защищать от разрушения. В образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы, что обеспечивает максимальную стабильность, снижает гидрофильность и увеличивает гидрофобность белковой молекулы. α-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией, отвечающей минимуму свободной энергии.
Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая α-спираль (α R). Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 0,54 нм; α-спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные α-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах (трансмембранные спирали). Зеркально-симметричная относительно α R -спирали левая α-спираль (α L) встречается в природе крайне редко, хотя энергетически возможна. Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру происходит вследствие взаимодействия между кислородом карбонильной группы i-того аминокислотного остатка и водородом амидогруппы (i+4)- аминокислотного остатка посредством образования водородных связей (рис.6.1).
Рис. 6.1. Вторичная структура белка: α-спираль
Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей. Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и при остатке в 3,3 в каждом витке более пологая по сравнению с α-спиралью. В отличие от α-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль.
Наряду с α-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие β-структуры, β-изгиб.
В отличие от конденсированной α-спирали β-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно (рис.6.2).
Рис.6.2. Параллельное (а) и антипараллельное (б) расположение β-слоев
B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи (рис.6.3). Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (β α); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (β n). В складчатых структурах α-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз. Энергетически предпочтительной оказывается β α -складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.
Рис.6.3. β-складчатая структура
Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это – β-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних β-тяжей в антипараллельных β-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.
Супервторичная структура − это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур.
