Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

стандартных, так называемых канонических, конформации, легко обнаруживаемых в нативиии форме с помощью различных методов. Такого рода пространственно упорядоченные участки, стабилизированные водородными связями между пептидными СО- и NH-группами, называются элементами вторичной структуры.

Исторически первой описанной пространственной конфигурацией полипептидиой цепи была li-структура, предложенная У. Астбе-ри в 1941 г. на основании рентгеиоструктурных исследований В-кератина. Через 10 лет Л. Полинг и Р. Кори установили, что В-структура, или «складчатый лист» (рис, 38),— это стабилизированный межцепочечными водородными связями ассоииат вытяну

Рис. 38. Конформация Р-складчатога

92

Белки и пептиды

тых зигзагообразных пептидных цепей. В зависимости от взаимной ориентации цепей различают парвллельные и антипараллель иые Б-структуры (рис. 39).

Примером белков природного происхождения с В-структурой является фиброин шелка. По существу, предельная вы януто ь -стр ктуры и определяет большую прочность шелковой нити, ее малую растяжимость. С другой стороны, так как отдельные «слон* ее связаны друг с другом лишь за счет ван дер ваа ьсовых взаимодействий, шелк чрезвычайно эластичен.

Полинг IP ullngl Лвйнус Карл (р. 1901), ам риканскии физик и химик, иностранный член АН СССР (1958). Окончил Калифорнийский технологический институт (1922). Известен фундаментальными трудами по изучению строения сложных молекул, главным образом белков. Исследуя природу химической связи, создал метод электронных пар и теорию резонанса. Сформулировал (1951, совместно с Р. Кори) теорию вторичной структуры белка и открыл и-спираль. Лауреат Нобелевской премии по химии (1954) и Нобелевской премии мира (1962), Международной Ленинской премии >3а укрепление мира между народами» (1970).

Рис ЗЧ Параллельная (а) и ан и аоал лельная lf5) ^-структура.

В фиброине шелка поли пептидные цепи расположены а нти параллельно, 93

а в кератине стягиваются дополнительно липопротеином серицином. Достаточно _____

протяженные участки фиброина шетка имеют повторяющийся структурный фраг- Строение белков и пептидов

мент Gly Ala—Gly—Ser- Gly—Ala . и так как остатки Ala и Ser оказы-вакттся расположенными по одну сторону средней плоскости «листа», а остатки Gly — по другую, то расстояние между слоями не одинаково и составляет О 35 нм н 0,57 нм соответственно (а не 0,47 нм. как в канонической ^-структуре). ^-Структура (типа ((-кератина) присутствует в синтетических полипептидах. Приблизи-течьно 15% аминокислотных остатков глобулярных белков твкже входит в состав р структур.

Края антипараллельных \\ структур образованы особым видом вторичной структуры, который называется ^-изгибом (реверсивным поворотом), р* Изгибы образуются четырьмя последовательно расположенными аминокислотными остатками, как правило, образующими водородную связь 4—»- I. Анализ показывает, что возможны даа основных вида ^-изгибов (так называемые изгибы типа I и II, рис. 40), отличающихся ориентацией пептидного карбонила по отношению к средней плоскости 10-членного цикла. р-Изгибы — характерный элемент пространственной структуры природных и синтетических оли го пептидов, как линейных, так и циклических. Фрагмент Р-структуры из двух антипараллельных цепей с fi изгибом часто на зыввют <ф-шпилькой».

Одна из главных канонических форм полипептидной цепи была впервые обнаружена Л. Полиигом и Р. Кори в 1951 г. и названа а-спиралью (рис 41) В общем случае спиральная структура воз никает, когда во всех звеньях полипептидной цепи углы поворота вокруг простых связей имеют одинаковые величину и знак, что и приводит к постепенному закручиванию цепочки. Структура сс-спирали. помимо невалентных взаимодействий ближайших атомов, стабилизируется также внутримолекулярными водородными связями между С—О- и N — Н-группами полипептидного остова. Радикалы аминокислотных остатков оказываются иа периферии образованного спиралью цилиндра и могут, в зависимости от харак-

94 тера аминокислотных остатков, обеспечивать гидрофобную или

- гидрофильную природу этой цилиндрической поверхности. а-Спи-

Белки и пептиды раль имеет следующие геометрические параметры: радиус

г = 0,23нм, высота спирали (смещение) на один остаток d = 0,15им; шаг а-спирали (период идентичности) Р = 0,54нм (рис. 42). Один виток а-спирали образуют 3,6 аминокислотных остатка. Как и любая другая спираль, а спираль может быть правой или левой. В белках встречаются только правые а-спирали.

В а спирали каждая NH-группа полипептидного остова соединяется водородной связью с группой СО четвертого от нее аминокислотного остатка (5—* 1 связь),образуя И членный цикл. Так как в один виток а спирали входит 3,6 остатка, то ее можно обозначить как 3 6 спираль Аналогичным образом, с учетом размеров Н-свя-занных циклов, обозначаются и другие теоретически возможные типы спиралей (рис. 44).

Спираль 2,2Г (2,2 остатка иа виток, семичленный Н связанный цикл) оказывается весьма напряженной и в природных полипептидах и белках не реализуется. Спираль 3 h хотя и является напряженной, тем не менее существует в природе, в частности найдена в миоглобине и лизоциме. Спирали 4,4ц» или л-спирали, в белках практически не встречаются. В силу ограничений, вносимых структурой пролина (фиксированный угол <(), полипролин может существовать в специфических спиральных конформациях, обозначаемых как спираль полипролина I и спираль полипролина II (рис. 45). Такие спирали во многом подобны спирали коллагена. Параметры спиральных структур (рис. 42) приведены в таблице 4.

а Спираль встречается в белках очень часто. Например, кера тин является полиостью а спиральным белком, в миоглобине и гемоглобине содержание а-спирали составляет 75%, а в сывороточном альбумине — 50%. С другой стороны, имеются белки, в которых а-спиральные участки отсутствуют (например, неиротоксииы змей, см. с. 280) или их содержание невелико. Так, в ферментах рибо нуклеазе А и химотрипсине доля а-спиралей составляет 17 и 8% соответственно.

Завершая обсуждение вторичной структуры белков, следует отметить, что распространенность ct-спирали и р-структуры связана

95

Строение белков и пептидов

Рис. 43. Спиральные конформации полипептидных цепей с внутримолекулярными водородными связями.

96 с тем, что они являются энергетически предпочтительными кон-

фигурация ми полипептидной цепи. Это легко видеть и на конфор-

Белки и пептиды мационной карте (рис. 46), где для сравнения приведены параметры

других регулярных форм.

Сверхвторичная структура. Следующий за вторичной структурой уровень организации полипептидной цепи связан с наличием

2,2 -Спираль

н

I

-сн

\

Водородная свнзь 3^*1

" n i

Зю -Спираль н

~ nch \

у., .°

~СН i

\

С = о

н '

I

Водородная " с пзь 4 " 1

R

юН

|

8 -В

э-сн__с -

/(

о

сн

\

3 6 Спираль {rt)

u-H

н •^'n-

сн *^с

\4 'II

N ЛШ.

R3~ch, \

/ " о

Водородная связь 5 -1

o^n'h ,.н

/.о ,2/

R-ch-c>\h-r6

4 -Ло

4 4| Спираль (л)

r2 н \

R3 /n~-'

n-h

-сн, ||

/ о

, с? 4R'

Водородная ""связь 6 -1

вн

чсн -1 сн

Rs II \

Рис. 44. Строение Н вязанных циклов в различных типах спирален.

Таблица 4

Параметры спиральных структур

97

Параметр спирали Спираль 3|0 о -Спираль 11 Спираль Полнпро-лин I Полнпро-лин 11

Число аминокис- 3,0 3,6 4/1 3,3 3

лотных остатков левов ра

иа виток (п) щающая

спираль)

Высота спирали на 0,2 0.13 0,11 0.19 031

один аминокис-

лотный остаток

d (нм)

Высота спирали на 0,6 0.54 0.5 0.57 093

один виток (шаг

спирали) Р (нм)

Углы (в градусах)

-49 -47 -57 -83 -76

26 -57 -70 + 158 + 146

+ 180 + 180 + 180 0 + 180

ансамблей взаимодействующих между собой вторичных структур. В частности, имеются примеры агрегации а-спиралей с образованием су перс пи рал изо ванных систем.

Наиболее известна в этом отношении структура а кератина шерсти. Три а спиральные цепи кератина скручены в протофибрил-лы, которые, в свою очередь, объединены в микрофибриллу, обра

jB-Структура (Фиброин)

I

Ф 0*

X --Полипролин

1

^^^^Нг--Коллаген

^^В---fi - Структура

л - Спираль

Левая

а спираль

-Правая с-спираль

Строение белков и пептидов

Рис. 45. Спираль полипролина П.

Рис. 46. Двугранные углы регулярных структур.

98

Белки и пептиды

Прптофибрилла

эующую волос (рис. 47). Такая сверхвторичная структура объясняет, почему шерсть эластична, легко растягивается и после снятия усилия постепенно восстанавливает свою длину. В силу того, что межмолекулярные связи слабы, шерсть непрочна. В волокнах шерсти период идентичности равен 0,51 нм (а не 0,54нм, как в «канонической» а-спирали).

Короткие участки суперспирализованных антипараллельных а-спиралей присутствуют и в некоторых глобулярных белках. Весьма компактную левую тройную спираль образуют параллельные спирали типа полипролина в коллагене (см. с. 257). Другая распространенная группа супервторичных структур — различные варианты так называемой [На[3-структуры, в которой а-спираль взаимодействует с ^-складчатым листом. Чаще всего встречается структура к,аРар\ показанная на рисунке 48.

Многие белки содержат "относительно слабо взаимодействующие между собой участки, которые называют доменами. Средний размер домена обычно составляет 100 — 150 остатков, что отвечает глобуле с поперечником около 2,5 нм. Вместе с тем встречаются и значительно большие домены. Вероятнее всего, формирование пространственной структуры белка вначале происходит внутри будущих доменов, а взаимная укладка доменов, т. е. образование третичной структуры, происходит на заключительных этапах формирования глобулы.

Третичная структура белков

Полипептидная цепь, содержащая определенное число участков вторичной структуры, обычно укладывается в пространстве в относительно компактную систему, в которой элементы вторичной структуры взаимодействуют между собой и с участками неупорядоченной структуры, образуя глобулу (глобулярные белки) или достаточно вытянутое волокно (фибриллярные белки). В этих случаях

Рис. 47. Сборка кератина

Рис. 48. Сверхвторичная ВаВаВ-структу-ра (•греческий орнамент»).

принято говорить о формировании третичной структуры. Для многих белков третичная структура эквивалентна полной пространственной структуре. Каждый белок обладает своей уникальной пространственной структурой.

Главным методом, с помощью которого в настоящее время определяется третичная структура белка, является рентгенеструктурный анализ кристаллических образцов. Для ре нтге неструктурного анализа необходимо получение монокристаллов белков. Проблема кристаллизации часто оказывается весьма сложной и требует не только соответствующего методического арсенала, но и высокого экспериментального искусства, а порой и просто везения. Для анализа кристаллов относительно простых соединений можно пользоваться так называемыми прямыми методами. В большинстве случаев оказывается необходимо ввести в молекулу белка тяжелый атом (например, атом ртути), причем так, ч*тобы пространственная структура белка существенно не искажалась — это известная проблема изоморфного замещения. Кристалл изоморфного производного белка и служит основным объектом исследования

Реитгеноструктурный анализ сегодня является самым точным и мощным методом расшифровки пространственного строения белков (нередко разрешение достигает 0,15 — 0,2 нм). Основной вклад в разработку рентгеноструктуриого анализа белков был внесен английской школой кристаллографов (Дж. Бериал, Д. Ходжкин, Дж. Кендрью, М. Перутц, Д. Филлипс и др.). Этим методом к настоящему времени расшифровано строение более 200 белков. Использование новейших методических подходов, наличие современной вычислительной базы позволяет резко сокращать сроки анализа и получать исчерпывающую информацию об упаковке белковой молекулы и ее динамических характеристиках.

На рисунках 49 — 52 приведены структуры некоторых белков, детально изученных на основе рентгеноструктуриого анализа. Невольно приходит мысль, что многие из этих иллюстраций могли бы заслуженно занять место в коллекциях современной абстрактной живописи.

На рисунке 49 показана молекула цитохрома с: а — обычный код пептидной цепи, где видны отдельные атомы (Р. Дикерсон, 1975); в изображение той же конформации по методу Д. Ричардсон с акцентом иа участки вторичной структуры Как видно из рисунка, цитохром с имеет высокий процент а-с пи рал и зеванных областей. Напротив, для преальбумина (рис. 50) характерно очень высокое содержание структур типа «складчатого листа», которые образуют основное ядро белковой молекулы. Еще более выразительны конформации ферментов триозофосфатизомеразы (рис. 51 й, б) и лактатдегидрогеназы (рис. 52), в которых упорядоченные «сгустки» р-структур в центре молекулы обрамлены «-спиралями различной длины.

Нередко возникает вопрос — правомочно ли оперировать структурой белка в кристалле, в то время как в реальных условиях белковая молекула находится в растворе или в среде со сложным составом и именно в таких условиях выполняет свою биологическую функцию? Хотя дискуссии не прекращаются, многочисленные экспериментальные данные позволяют утвердительно ответить на этот вопрос. Во-первых, кристаллы белков весьма своеобразны по своей природе, они содержат большое количество растворителя (воды), иногда свыше 60% общей массы кристалла, и даже в кристалле молекулы белка оказываются в «плавающем» состоянии. Во многих случаях показано, что структура белка в кристалле соответствует его предпочтительной конформации, ибо межмолекулярные взаимодействия в кристаллической решетке не вносят существенных «возмущений» в структуру. Во-вторых, многие белки даже

99

Строение белков и пептидов

Ходжкин | Кроу фут Ходжкин| |Crowfo ot-Hodg,kln| Дороти (р. 1910), английский кристаллограф, иностранный член АН СССР (1976)- Окончила Оксфордский университет (1932), с 1932 г. работает в Кембриджском университете. Ей принадлежат основополагающие труды па ренггеноструктурному исследованию белков, витаминов и других биологически активных соединений. С помощью кристаллографического анализа определила пространственную структуру инсулина (1936), пенициллина (1946), витамина (1956). Лауреат Нобелевской премии по химии (1964).

4*.

Филлипс | Phillips) Дввид Хилтон

(р. 1924), английский биофизик и кристаллограф. Окончил Кардиффский университет (1951), с 1966 г.— профессор Оксфордского университета. Основные работы — по изучению пространственного строения белков методом рентгеноструктурного анализа. Установил структуру лизоцима и предложил механизм его действия.

102

Белки и пептиды

.та

Кендрью IKendrew) Джон Коудери

(р. 1917), английский биофизик и би О химик. Окончил Кембриджский университет (1939); с 1946 г.— профессор Кембриджского университета, одновременно с 1975 г.— руководитель Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге. Основные

страница 14
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.10.2017)