Алексей Витальевич Финкельштейн (стр. 9 )

A. к.

Наличие

число

Диполь/заряд

pK

Яркая тенденция быть в:

ост.

NH

Cb

g

до

спираль

за

клубок

ядро

aN

|aN

a

aC|

aC

b

Gly

-

-

+

Ala

+

-

Pro

1

+

-

-

-

-

+

Glu

1

COOH Þ CO2-

4.3

+

+

-

-

-

-

Asp

1

COOH Þ CO2-

3.9

+

+

-

-

-

-

+

-

Gln

1

OCNH2

-

Asn

1

OCNH2

+

-

+

-

+

-

Ser

1

OH

+

+

His

1

NH; и N Þ NH+

6.5

-

+

+

Lys

1

NH2 Þ NH3+

10.5

-

-

+

+

-

-

Arg

1

HNC(NH2)2+

12.5

-

-

+

+

-

+

-

Thr

2

OH

+

+

Ile

2

+

-

+

Val

2

+

-

+

Leu

1

+

+

-

+

Met

1

+

+

-

+

Phe

1

+

-

+

Tyr

1

OH Þ O-

10.1

-

+

+

Cys

1

SH Þ S-

9.2

-

+

+

Trp

1

NH

+

+

Примечания. К "структурным свойствам" отнесена тенденция быть в a-спирали (a), и особо   —  в ее N - и С-концевых витках, а также  —  непосредственно перед N - и за С-концом спирали; тенденция быть в b-структуре; тенденция быть в нерегулярных структурах, т. е. "петлях" (включая сюда и b-изгибы цепи); и, наконец, —  тенденция быть в гидрофобном ядре глобулы, а не на ее поверхности. Тенденцию "быть" я отмечал значком "+", "не быть "  —  значком "-". Жирным значком отмечалась особо сильная тенденция.
 
 

  Попробуем понять основные закономерности этой таблицы исходя из того, что мы уже изучили. При этом мы будем использовать следующую логику: так как белок в целом стабилен  —  значит, он должен в основном состоять из стабильных элементов, т. е. именно они должны наблюдаться в его структуре чаще всего, а нестабильные должны наблюдаться редко.

  Почему пролин не любит вторичной структуры?  —  Потому, что у него нет NH-группы в главной цепи, т. е. у него вдвое уменьшена возможность завязывать водородные связи  —  а именно на них и держится вторичная структура. Почему он, тем не менее, любит N-конец спирали?  —  Потому, что здесь, на N-конце, NH-группы "торчат" из спирали  —  т. е. они и так не вовлечены в водородные связи  —  и здесь пролину нечего терять... С другой стороны, угол j в пролине фиксирован его кольцом примерно при -60о  —  т. е. его конформация уже почти "готова" для a-спирали (Рис.10-2а).
 
 
 

  Рис.10-2. Запрещенные и разрешенные конформации различных аминокислотных остатков и  —  на их фоне  —  конформации a и b структуры. (а) Разрешенные () для пролина конформации на фоне конформаций, разрешенных для аланина ();   —  конформации, запрещенные для них обоих. (б) Разрешенные () конформации аланина на фоне конформаций  , разрешенные лишь для глицина;   —  области, запрещенные для всех остатков. (в) Карта запрещенных () и разрешенных (, ) конформаций более крупных остатков. В области  разрешены все конформации боковой группы по углу c1, в области  часть углов c1 запрещена.
 
 

  Почему глицин не любит вторичной структуры и предпочитает нерегулярные участки ("клубок")?  —  Потому, что для него допустима очень широкая область углов (jy) на карте Рамачандрана (Рис.10-2б),  —  ему легко принимать самые разнообразные конформации, лежащие вне вторичной структуры.
  Наоборот, аланин  —  с более узкой, но включающей и a, и b конформацию разрешенной областью на карте Рамачандрана (Рис.10-2б)  —  предпочитает нерегулярным конформациям a-спираль (и отчасти b-структуру).
  Остальные гидрофобные остатки (т. е. остатки без зарядов и диполей в боковой цепи) предпочитают, как правило, b-структуру. Почему? Потому, что их крупные g-атомы могут там располагаться более свободно (Рис.10-2в). Особенно это важно для боковых групп с двумя крупными g-атомами  —  и, действительно, они любят b-структуру особенно сильно.
  А вот аминокислоты с полярными группами в боковых цепях предпочитают нерегулярные участки ("клубок"), где эти полярные группы могут завязать водородные связи. Особенно заметна эта тенденция для наиболее полярных, заряженных при "нормальном" рН7 остатков, и для самых коротких (см. Рис.10-1), наиболее приближенных к главной цепи полярных боковых цепей. Кстати, по той же причине,  —  поскольку у них там есть возможность завязать дополнительную водородную связь,  —  короткие полярные боковые группы любят места у обоих концов спирали.
  Некое исключение среди аминокислот с диполями в боковой цепи составляют триптофан и тирозин, имеющие маленький диполь на фоне большой гидрофобной части, и цистеин, у которого (т. е. у SН-группы которого) водородные связи совсем слабые. Они ведут себя, в общем, так же, как гидрофобные остатки.

  Мы видим также, что отрицательно заряженные боковые группы предпочитают N-конец спирали (точнее: N-концевой виток и один-два остатка перед ним) и не любят С-концевой виток (и пару остатков за ним), а положительно заряженные  —  предпочитают C-конец спирали и не любят ее N-конец. Почему? —  Потому, что на N-конце из спирали торчат NH-группы и на нем образуется заметный положительный заряд, и "минусы" боковых цепей притягиваются к нему, а "плюсы"  —  отталкиваются от него (Рис.10-3). А С-конец спирали заряжен, наоборот, отрицательно,  —  и там эффект противоположен: около С-конца любят собираться "плюсы" боковых цепей, а "минусы" его избегают.
 
 
 

  Рис.10-3.

  Что касается расположения остатков внутри белка или на его поверхности  —  здесь общая тенденция заключается в том, что полярные (гидрофильные) боковые группы находятся снаружи, где они могут контактировать с полярной же водой ("подобное растворяется в подобном"!). Отрываться от воды полярным группам плохо  —  теряются водородные связи. Особенно плохо отрываться заряженным группам: переход из среды с высокой диэлектрической проницаемостью (из воды) в среду с низкой (ядро белка) ведет к большому повышению свободной энергии. И действительно,  —  ионизированных групп внутри белка практически нет (а почти все исключения связаны с активными центрами  —  ради которых, собственно, белок и создан...).
  Наоборот, большинство гидрофобных боковых групп находятся внутри белка  —  они-то и создают здесь гидрофобное ядро (опять: "подобное растворяется в подобном"!). Мы уже говорили, что гидрофобность группы тем больше, чем больше ее неполярная поверхность: именно ее нужно упрятать от воды. Для чисто неполярных групп гидрофобный эффект прямо пропорционален их поверхности, а для групп с полярными вкраплениями  —  их поверхности, за вычетом поверхности этих вкраплений.
  Слипание гидрофобных групп  —  главная движущая сила образования белковой глобулы. Главная, но не единственная  —  еще есть образование водородных связей во вторичной структуре (о чем мы уже говорили) и образование плотной, квазикристаллической упаковки внутри белка (о чем мы еще поговорим в свое время).
  Для создания гидрофобного ядра белковой цепью, она должна входить в него с уже насыщенными водородными связями  —  ведь иначе ее полярным пептидным группам от воды придется оторваться, а разрыв водородной связи дорог. Поэтому в гидрофобное ядро вовлекается цепь, уже образовавшая (или образующая при этом) вторичную структуру и тем самым насытившая водородные связи пептидных групп в главной цепи. Однако при этом в ядро должны увлекаться только гидрофобные остатки вторичной структуры, а входящие в нее полярные остатки должны остаться вне ядра,  —  потому и на a-спиралях, и на b-структурных участках выделяются гидрофобные и гидрофильные поверхности; для их создания необходимо определенное чередование соответствующих групп в белковой цепи (Рис.10-4).
 
 
 

  Рис.10-4. Боковые группы, которые (если все они  —  неполярные) могут формировать единые гидрофобные поверхности на a-спиралях и на b-структурных участках. Аналогичные сочетания полярных групп в цепи приводят к образованию гидрофильных областей на противоположных поверхностях на a-спиралей и на b-тяжей.
 
 

  Все закономерности, о которых мы сейчас говорили, используются как для конструирования искусственных белков, так и для предсказания  —  по аминокислотным последовательностям  —  вторичной структуры белков, а также для предсказаний тех участков их цепи, что глубоко погружены в белок,  —  или, наоборот, тех участков, что лежат на поверхности белка. К этим вопросам мы еще вернемся.

  В заключение  —  еще немного о заряженных (или, точнее, ионизуемых) боковых группах. Повышение рН всегда делает группу "более отрицательной"  —  нейтральная группа приобретает отрицательный заряд, а положительно заряженная  —  разряжается, см. Рис.10-5. Переход из незаряженного в заряженное или из заряженного в незаряженное состояние происходит у разных групп при разных рН, однако ширина перехода при этом всегда одна и та же  —  около 2 единиц рН (в этом интервале отношение заряженной и незаряженной форм меняется от 10:1 до 1:10).
  Следует обратить особое внимание на группы, переходящие из незаряженного в заряженное состояние при рН близком к 7, характерном для жизни белка в клетке: именно такие легко перезаряжаемые группы (и особенно гистидин) часто используются в активных центрах белков.
 
 
 

  Рис.10-5. Заряженность ионизуемых боковых групп, а также N-конца пептидной цепи (NH2-Ca) и ее С-конца (Ca-C'OOH) при разных рН.

Лекция 11

  Теперь, когда мы знаем свойства вторичных структур полипептидов и свойства аминокислотных остатков  —  обратимся, наконец, к белкам.
  Как уже говорилось, по "жизненным условиям", по стабилизующим структуру белков взаимодействиям и общему типу строения белки можно разбить на три класса: (1) фибриллярные белки; (2) мембранные белки; и (3) водорастворимые глобулярные белки.

  Рассмотрим сначала фибриллярные белки.

  Фибриллярные белки играют в основном структурную роль. Они образуют микрофиламенты, микротрубочки,  —  а также фибриллы, волосы, шелк и другие защитные покровы; они армируют мембраны и поддерживают структуру клеток и тканей.
  Фибриллярные белки часто образуют огромные агрегаты; их пространственная структура высоко регулярна, сложена в основном из очень больших блоков вторичной структуры, и держится в значительной степени на взаимодействии между разными полипептидными цепями. Первичная структура фибриллярных белков также высоко регулярна, периодична,  —  потому-то из нее и образуется обширная регулярная вторичная структура.

  Типичными представителями фибриллярных белков являются:

  а) b-структурный белок фиброин шелка. У b-листа, как мы знаем, периодичность состоит в чередовании остатков, обращенных "вверх" и "вниз" (Рис.11-1).
 


 

  Рис.11-1. Лист b-структуры. Подчеркнута его складчатость и периодичность. Голубые линии - водородные связи между цепями, слагающими b-листа.
 

  Соответственно, в фиброине шелка основной мотив первичной структуры выглядит как повтор восьми блоков, где в каждом из блоков идет чередование маленьких (Gly) и более крупных остатков, например:
 

,

и этот восьмикратный повтор шести остатков повторяется около 50 раз.
  Антипараллельные (такие, как на Рис.11-1) b-слои фиброина шелка уложены друга на друга по принципу "лицом к лицу, спина к спине": двойной слой глицинов (расстояние между плоскостями  —  3.5)  —  двойной слой аланинов/серинов (расстояние между плоскостями  —  5.7; это хорошо видит рентген)  —  двойной слой глицинов  —  и т. д.

  б) a-структурные фибриллярные белки, сложенные из длинных перевитых спиралей (coiled coil) (Рис.11-2). В a-кератине или тропомиозине такие спирали охватывают всю белковую цепь,  —  да и большая часть миозиновой цепи образует фибриллу такого типа. Такие структуры содержатся также в шелке  —  но не обычном шелке тутового шелкопряда, а шелке пчел и муравьев.
  Слипаясь, отдельные цепи образуют суперспираль.
 
 

Рис.11-2. Перевитые правые a-спирали. В комплексе они лежат параллельно друг другу и слегка закручены одна вокруг другой так, что каждая из них образует левую суперспираль. Контактирующие аминокислотные остатки занимают в цепи позиции a и d (см. Рис.11-3, 11-4).

 
 
 

  Рис.11-3. Взаимодействие a-спиралей в двойной (а) и тройной (б) суперспирали (вид с торца спирали). В двойной суперспирали непосредственно контактируют с другой спиралью только остатки а и d, а в тройной  —  еще и остатки e и g (хотя и более слабо).