WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГО-ПОЧВЕННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра биофизики и биотехнологии БИОТЕХНОЛОГИЯ Часть 1 Физико-химические свойства ферментов Для студентов IV курса Составитель:

Т. А. Ковалева ВОРОНЕЖ 2001 РОЛЬ АМИНОКИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ В ФОРМИРОВАНИИ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА Вся сложная организация биологических систем основана на способности кинетически контролировать химические реакции, причем биохимические превращения, обусловливающие брожение, дыхание, синтез различных соединений, осуществляются с помощью ферментов-катализаторов белковой природы.

Молекулы белков представляют собой компактную конструкцию из одной или нескольких полипептидных цепей, которые благодаря дисульфидным мостикам, водородным и ионным связям, а также гидрофобным взаимодействиям совершенно определенным образом располагаются в пространстве, т.е. имеют при данных условиях определенную конформацию. Лишь 20 - 21 тип аминокислот встраиваются в полипептидную цепь в ходе трансляции, причем в результате реакций посттрансляционной модификации некоторые из них превращаются в другие аминокислотные остатки (цистеин - в цистин, серин - в фосфосерин и т.п.).

Аминокислотные остатки с гидрофобными цепями различной геометрии (Ala, Cys, Glu, Val) позволяют сформировать в белковой молекуле компактное внутреннее ядро, организовать гидрофобные контакты с лигандами. Глицин выступает в роли связующего звена в полипептидной цепи, обеспечивая минимальные стерические препятствия при вращении и размещении соседних групп. Гидрофильные нейтральные аминокислоты (Ser, Thr, Asp, Gln) участвуют в образовании системы водородных связей, обеспечивая гидратацию белковой молекулы. Аминокислоты с боковыми цепями, обладающими кислотными свойствами, обусловливают присутствие отрицательного заряда на поверхности белка. Серин и треонин способны к образованию эфиров фосфорной и органических кислот и служат местом присоединения углеводных компонентов в гликопротеидах. Основные аминокислоты (His, Lys, Arg) участвуют в ионных взаимодействиях как внутри полипептидных цепей, так и с другими молекулами. Кроме того, боковая цепь лизина имеет реакционно-способную аминогруппу на конце, и в нейтральных растворах способна принимать протон. Имидазольная группа гистидина составляет часть активного центра многих ферментов и может связывать ионы металлов.

Гуанидиниевая группа аргинина в большинстве случаев протонирована и выступает как центр связывания фосфатных групп. Остатки цистеина открывают возможность участия белка в окислительно-восстановительных процессах, а также образуют дисульфидные мостики - дополнительные факторы стабилизации белковой структуры. Образование цистина приводит к возникновению ковалентных S-S связей между удаленными участками полипептидной цепи или между двумя полипептидными цепями, разрушающимися при обработке белков избытком восстанавливающего агента (меркаптоэтанол).

Фенильная боковая цепь фенилаланина и индольное кольцо триптофана также способны вступать в гидрофобные взаимодействия. Водородный атом азота индольного кольца может участвовать в образовании водородных связей с другими группами, локализованными внутри глобулы белка. Пролин--аминокислота, содержащая вторичный амин в пирилидиновом кольце, позволяет полипептидной цепи изгибаться и складываться.

Ионные группы располагаются главным образом на поверхности белковой молекулы и сольватированы посредством водородных связей или ион-дипольных связей с молекулами воды. Эти группы придают поверхности белка положительные или отрицательные заряды и тем самым обусловливают электростатические свойства белков в растворе. Иногда ионные группы присутствуют и в неполярных внутренних областях белковых глобул и между ними возникают электростатические взаимодействия.

Например, в молекуле дезоксигемоглобина такие связи возникают между остатками аспарагиновой кислоты и аргинина, расположенными в двух различных -цепях.

Остатки тирозина и цистеина могут быть погружены в гидрофобные внутренние области белков, поскольку их неионизированные R-радикалы могут участвовать в гидрофобных взаимодействиях или в образовании водородных связей.

Глицин отличается от других аминокислот отсутствием R-группы, поэтому остатки глицина могут располагаться как в гидрофобном окружении, так и на поверхности белка.

Причем наличие этого аминокислотного остатка делает полипептидную цепь более гибкой. Многие реакционно-способные группы часто окружены остатками глицина, что облегчает доступ субстрата к функциональным группам фермента.

Хотя неполярные алифатические и ароматические аминокислоты формируют пространственную структуру белков, участвуя во внутренних гидрофобных взаимодействиях, некоторые R-радикалы этих остатков могут располагаться вблизи поверхности глобулы. Например, некоторые остатки тирозина, находящиеся на поверхности белка, взаимодействуют с различными химическими реагентами на фенольную группу, тогда как другие находятся в гидрофобном окружении внутри молекулы и потому нереакционноспособны.

Химические возможности функциональных групп белковых аминокислот резко обогащаются за счет образования пространственно организованных ансамблей - первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры, обеспечивающих выполнение свойственных данному белку функций.

ОСОБЕННОСТИ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ФЕРМЕНТОВ Наличие вторичной, третичной и четвертичной структур определяется первичной структурой, которая обусловлена, в первую очередь, планарностью пептидной связи, все четыре атома которой лежат в одной плоскости. Причем связь N-C укорочена по сравнению с таковой в алифатических аминах (связь в R-NH2 имеет длину l=0,147 нм), что может свидетельствовать о сопряжении связей N-C и С=О и перекрывании их электронных оболочек, сопровождаемом сдвигом электронной плотности от N к C.



В 1957 году Полинг Л. и Кори Р., основываясь на данных рентгеноструктурного анализа, показали, что вторичная структура белков может быть представлена в виде спирали, -спирали и -структуры (типа скрученного листа).

-спираль характеризуется следующими параметрами: высота витка - 0,54 нм, период идентичности вдоль оси макромолекулы - 2,7 нм, в который входит 18 остатков.

Все пептидные группы соединены между собой водородными связями типа 51, при этом группа С=О i-го остатка связана с N-H (i+4)-го звена. В замыкаемый водородной связью цикл входит 13 атомов, а диаметр цилиндрической поверхности, на которой расположены все -углеродные атомы, - 1,01 нм. Таким образом, в 1 витке -спирали находятся 3,6 аминокислотного остатка, причем совмещение остатков происходит при повороте на 100° и перемещении вдоль оси на 0,15 нм.

-спираль содержит 5,1 остатка на виток с высотой витка 0,5 нм и проекцией остатка на ось 0,09 нм, имеет водородную связь типа 71, которая замыкает кольцо из 19 атомов.

По модели Полинга Л. и Кори Р. -структура напоминает складчатый лист, поддерживается поперечными, межцепочечными водородными связями между С=О и N-H группами разных полипептидных цепей. В поперечном связывании принимают участие все пептидные связи и возникает совокупность цепей, образующих слоистую структуру. Причем полипептидные цепи в -формах не имеют плоской трансконформации. -структуры могут образовываться и в отдельных полипептидных цепях в результате систематических изгибов.

Были рассмотрены все возможные конформации в минимумах торсионных потенциалов вращения С-N и С-С и сделаны выводы, что -спираль и -форма отвечают наиболее предпочтительным ориентациям смежных пептидных групп. При учете только торсионного потенциала -спираль, по оценке Полинга Л. и Кори Р., менее стабильна, чем -форма, на 8,4 кДж/моль. В отличие от компактной -спирали -спираль представляет собой более рыхлую цилиндрическую структуру с отверстием 0,25 нм.

Поиск подхода к предсказанию трехмерной структуры белка начали несколько десятилетий назад, но и в настоящее время практически во всех исследованиях предпринимаются попытки найти эмпирические корреляции между природой, последовательностью и конформационным состоянием аминокислотных остатков в белковой молекуле. В большинстве работ эмпирические правила выводятся путем статистического анализа белков известного пространственного строения, используются моделирование, стереохимические подходы и другие экспериментальные и теоретические данные физико-химических методов.

Показано, что для стабилизации -спирали наиболее существенна природа остатков в положении n, n ± 3, n ± 4. Установлено, что находящиеся в этих местах полипептидной цепи неполярные аминокислотные остатки группируются на одном краю спирали и тем самым обеспечивают как устойчивость самих спиральных сегментов, так и образование благоприятных межспиральных контактов путем создания гидрофобных ядер.

Было проанализировано распределение аминокислотных остатков на N- и С- концах, а также в средней части полипептидной цепи, и показано, что гидрофобные остатки аланина и лейцина обнаруживают тенденцию находиться во внутренних витках спиралей, а остатки с отрицательно и положительно заряженными боковыми цепями концентрируются на N- и С- концах, а также рассмотрены механизмы свертывания полипептидных цепей в белках при учете только ближних взаимодействий.

Показано, что в процессе элонгации или же сразу после биосинтеза самосборка белковой цепи в нативную конформацию начинается с образования -спиралей, которые в дальнейшем определяют направление свертывания окончательной структуры. При рассмотрении аминокислотного состава 135-ти -изгибов в структурах восьми белков было показано, что к аминокислотным остаткам, имеющим наибольшую склонность образовывать повороты цепи, относятся Ser, Thr, Asp.

Считается, что зародышевыми конформациями при самосборке молекулы белка являются спиральные и вытянутые вторичные структуры. Стабилизация отдельных регулярных структур на ранней стадии самоорганизации определяется главным образом индивидуальными свойствами аминокислот, а устойчивость объединенных вторичных структур на последующей стадии - взаимодействием соответствующим образом расположенных полярных и неполярных остатков. Стабильность конформации каждого участка цепи в свернутой форме молекулы обусловлена силами его взаимодействия с гидрофобным ядром и молекулами воды.

Показано, что к спиралеобразующим аминокислотным остаткам можно отнести Gln, Leu, Phe, Ile, Met, Val, Lys, Ala, His, Arg, Ser, к спиралеразрушающим - Asp, Tyr, Gly, Pro, Cys и к индифферентным - Gln, Trp.

Таким образом, гидрофобные остатки, как правило, стабилизируют и формы.

Почти все короткие гидрофильные и все заряженные аминокислотные остатки характеризуются дестабилизацией регулярной вторичной структуры, причем изгибы и петли обогащены этими R-радикалами. Распределение гидрофобных групп, благоприятствующее формированию - и - участка в развернутой цепи, одновременно обеспечивает их способность встраиваться в компактную глобулу.

Анализ данных литературы показывает, что макромолекулы белков обладают не всегда четко выраженной вторичной структурой. Наряду с регулярными участками полипептидных цепей имеются разнообразные изгибы и петли. Причем два или три соседних по цепи структурных фрагмента образуют элементарные комплексы.





При сворачивании протяженных -структурных участков полипептидной цепи, когда крайние отрезки ее смыкаются, формируя между собой систему водородных связей, -форма утрачивает характер локального образования. Так возникают супервторичные структуры, энергетически предпочтительные агрегаты вторичных регулярных структур, и домены, представляющие собой обособленные, состоящие из супервторичных структур, глобулярные области.

Суперспирализация может осуществляться приблизительно с равным успехом при параллельном и антипараллельном направлениях аминокислотных последовательностей.

В конформациях глобулярных белков возможна реализация 12 видов супервторичных структур, составленных путем двойных и тройных комбинаций спиралей и -форм. Chotia C. показал, что в изучаемых им белках имеет место лишь 5 из 12 видов супервторичных структур: (), (), (), (), (). При этом разделяющие супервторичные структуры нерегулярные участки, которые, как правило, превосходят по своей длине упорядоченные фрагменты полипептидной цепи, не были учтены.

Установлено, что в нативных конформациях глобулярных белков супервторичные структуры не обладают какой-либо предпочтительностью перед структурами, состоящими из одиночных -спиралей и -форм и нерегулярных участков.

Относительное содержание вторичных структур изменяется в очень широких пределах, причем доля нерегулярных участков оказывается весьма значительной.

Молекула карбоксипептидазы имеет размер 5,0х4,2х3,8 нм и почти сферическую форму.

Общее число аминокислотных остатков - 307. Из них 115 входят в -спиральные структуры, 45 - в -структуры, 147 - в структуры, которые можно назвать нерегулярными.

-спирали расположены в левой части молекулы, а -формы образуют одну из сторон активного центра, причем 4 цепи параллельны, а три антипараллельны. Правая часть состоит главным образом из неупорядоченных участков. Она содержит дисульфидный мостик, находящийся на расстоянии 2,0 нм от атома Zn.

Фиброин шелка Bombuk mari, содержащий 44% глициновых остатков, характеризуется наличием антипараллельных складчатых слоев, причем все глициновые остатки направлены на одну сторону слоя. Кератин и аналогичные белки могут иметь две конфигурации - и -форму. Характерным свойством рентгенограмм -кератина являются сильные меридианальные рефлексы, отвечающие расстояниям 0,51 и 0,15 нм.

Этим данным соответствует система -спиралей, скрученных совместно. Предлагали различные модели, отличающиеся числом совместно свитых спиралей: семиспиральный кабель, трехспиральный кабель.

Величина оптического вращения кератина пера =-430 соответствует [ ] D трехспиральной структуре, -форма кератина характеризуется экваториальными рефлексами, отвечающими 0,97 и 0,465 нм, меридианальным рефлексом 0,33 нм и аксимальным рефлексом 0,11 нм. Эти результаты соответствуют складчатому слою или подобной структуре.

Наибольшее число различных структур предполагалось для коллагена. В данном белке около одной трети остатков составляют остатки глицина, пролин и оксипролин - 25%. В коллагене каждые три полипептидные цепи скручены и образуют тройную спираль, причем под влиянием оксипролина это как бы ломаная спираль. Каждая пептидная цепь коллагена имеет около 1000 аминокислотных остатков. Полная трехспиральная единица составляет тропоколлаген, причем тропоколлагеновые структуры уложены в волокнах коллагена ступенчатым образом. Поэтому расстояние между фибриллами коллагена 60-70 нм.

Создание количественных методов компьютерного определения вторичных структур, усложнение методов корреляционного анализа, увеличение количества исследованных белков с помощью рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о несостоятельности традиционного представления о пространственном строении глобулярных белков как о наборе регулярных вторичных структур. Такое представление, возникшее в начальный период структурных исследований ферментов, оказалось справедливым лишь по отношению к регулярным компонентам фибриллярных белков и ограниченной группе глобулярных энзимов. Большая группа белковых молекул существенно иррегулярна на большинстве своих локальных участков. Представление о том, что у гетерогенной полипептидной цепи наиболее компактными, энергетически предпочтительными оказываются только регулярные структуры, не подкрепляется какими-либо физическими соображениями, противоречат экспериментальным данным и результатам теоретического конформационного анализа. У белков, характеризующихся нерегулярным расположением вдоль полипептидной цепи боковых радикалов, масса которых составляет 2/3 массы всей молекулы, пространственные структуры с регулярными формами не могут во всех случаях обеспечить максимальное число внутримолекулярных контактов и поэтому не могут быть всегда самыми стабильными. Сложнейшая система взаимодействий боковых цепей специфична для каждой природной аминокислотной последовательности ответственна за практически беспредельное многообразие трехмерных структур белковых молекул и их динамических конформационных свойств. В настоящее время изучены трехмерные структуры нескольких сотен белков, среди которых большинство состоит в основном из нерегулярных участков, а ряд белков (тРНК-синтетаза, агглютинин и др.) вообще их не содержит. Входящие в белки вторичные структуры сильно искажены и лишь весьма условно могут быть отнесены к регулярным.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.