Введение в физику белка (стр. 2 )

  Архитектуры белков, особенно глобулярных водорастворимых белков, сложны и разнообразны  —  в противоположность универсальности двойной спирали ДНК (одноцепочечные РНК здесь как бы занимают промежуточное положение). Однако и в белках прослеживается набор "стандартных" структур, о которых мы будем говорить весьма подробно.
  Прежде всего здесь речь идет о регулярных вторичных структурах белка  —  об a-спирали и b-структуре; a-спирали часто изображаются спиральными лентами (см. Рис.1-1) или цилиндрами, а вытянутые b-структурные участки (слипаясь, они образуют листы)  —  стрелками (см. Рис.1-1). Вторичные структуры отличаются регулярной, периодической формой (или, как говорят, "конформацией") главной цепи, —  при разнообразии конформаций боковых групп.
  Укладка вторичных структур одной полипептидной цепи в глобулу называется третичной структурой (Рис.1-1). Объединение же нескольких белковых цепей в "суперглобулу" называется четвертичной структурой белка (Рис.1-1). Пример (в дополнение к приведенному на Рис.1-1 димеру белка cro репрессора): гемоглобин состоит из двух b и двух a цепей (к a - и b-структурам это никакого отношения не имеет!). Если четвертичная структура белка сложена из одинаковых цепей, то она обычно симметрична (и cro репрессор, и гемоглобин здесь не исключение).
  Среди третичных структур есть наиболее типичные, с которыми нам предстоит еще познакомиться. Часто такие типичные структуры охватывают не весь глобулярный белок целиком, а лишь его компактную субглобулу  —  "домен" (Рис.1-2).
 
 
 

  Рис.1-2. Доменная структура большого белка сходна с четвертичной структурой, сложенной из малых белков.
 
 

  Образование трехмерной структуры белка in vivo происходит при биосинтезе или сразу после него. Замечательно, однако, что оно может происходить не только при биосинтезе: 40 лет назад Анфинсен показал, что оно может идти и при "ренатурации"  —  сворачивании чем-то развернутой белковой цепи in vitro; причем идти совершенно спонтанно  —  без помощи других макромолекул.
  Это значит, что аминокислотная последовательность сама (при подходящей температуре и рН воды!) определяет пространственную структуру белка  —  т. е. белок способен к самоорганизации.
  Опыты Анфинсена принципиально отделили физический процесс  —  самоорганизацию пространственной структуры  —  от биохимического синтеза белковой цепи. Стало ясно, что структура белка детерминирована самой его аминокислотной последовательностью, а не навязывается белку клеточной машинерией. По-видимому, основная задача этой машинерии  —  оберегать сворачивающийся белок от нежелательных контактов (к коим относятся и контакты между отдаленными, образующими разные домены кусками цепи очень больших белков)  —  ведь in vivo белок сворачивается в клеточном бульоне, где так много разных молекул, так много возможностей прилипнуть к чему-нибудь! Но в разбавленном растворе in vitro белок  —  по крайней мере, не очень большой  —  складывается спонтанно, сам по себе.

  Строго говоря, белок способен к спонтанной самоорганизации и ренатурации, только если он не подвергся сильной пост-трансляционной модификации  —  т. е. если его химическая структура не была сильно нарушена после биосинтеза. Например, инсулин (где половина цепи вырезается уже после того, как он свернулся) не способен к ренатурации.
  Пост-трансляционные модификации бывают самые разные. Как правило, химические модификации контролируются специальными ферментами, а не "самоорганизуются" в самом белке. Кроме расщепления белковой цепи (протеолиза: он часто способствует превращению зимогена в активный энзим), наблюдается модификация концов цепи, ацетилирование, гликозилирование, пришивание липидов в определенные точки цепи, фосфорилирование определенных боковых групп, и т. д., и т. п. Недавно был обнаружен даже "сплайсинг" белковых цепей (спонтанное вырезание куска цепи и склейка образовавшихся при этом концов). Изредка наблюдается и спонтанная циклизация кусочков белковой цепи.
  Особо надо отметить завязывание S-S связей между серусодержащими остатками цистеина белковой цепи: "правильные" S-S способны (в подходящих условиях in vitro) к спонтанной самоорганизации, хотя in vivo их образование катализируется специальным ферментом, дисульфидизомеразой. Как правило, эти связи завязываются только в секретированных белках (внутри клетки нет кислорода, и потому  —  неподходящий окислительный потенциал); при этом правильно завязанные S-S связи отнюдь не мешают, а скорее способствуют ренатурации белка.

  Итак, аминокислотная последовательность определяет пространственную структуру белка, а структура эта уже определяет его функцию,  —  т. е. с кем этот белок взаимодействует и что при этом делает. Но, сказав это, надо иметь в виду масштабы. Если обрабатываемая молекула велика  —  с ней может взаимодействовать весь белок, и тогда вся его форма важна для его функции. Если же обрабатываемая белком молекула мала, то именно мелкомасштабные детали небольшого участка поверхности белка определяют его функцию, а остальное его тело лишь фиксирует эти критически важные детали. Так или иначе, специфичность белка подразумевает его твердость.
  Здесь необходимо сделать несколько замечаний.
  Первое. Глядя на Рис.1-1, можно подумать, что внутри белка много пустого пространства и, следовательно, что он "мягок". На самом деле это вовсе не так! Белок тверд  —  белковая цепь упакована плотно, атомы упираются в атомы (см. левую часть Рис.1-3). Но вот только анатомию белка, его скелет, его внутреннее строение неудобно изучать на полной атомной модели  —  внутреннее устройство белка можно увидеть, лишь сделав атомы "прозрачными" и обратив основное внимание на ход белковой цепи (см. правую часть Рис.1-3 и, в особенности, Рис.1-1, 1-2, где боковые группы "сбриты", а элементы вторичной структуры  —  выделены). На полноатомной же модели белка (Рис.1-3) даже не видно, что белок образован полимерной цепью,  —  видна лишь поверхность глобулы, похожая на картофелину. Однако полноатомная модель нужна для изучения функции белка  —  специфику его работы определяют именно физико-химические и геометрические свойства поверхности глобулы, этой "картофелины", а дело скелета белка  —  создать и фиксировать эту поверхность.
 
 
 

  Рис.1-3. Атомная модель белковой глобулы (слева) и ее скелетная модель (справа).
 
 

Второе. В состав белка  —  помимо самой белковой цепи - часто входят кофакторы (Рис.1-4), т. е. относительно небольшие молекулы, принимающие участие в функционировании, а порой и в формировании структуры белковой молекулы. Эти кофакторы могут присоединяться к белку химическими связями, а могут просто прилипать к определенным местам белковой глобулы.
 
 
 

  Рис.1-4. Три сходных по форме, но разных по функции a-спиральных белка: цитохром c', миогемэритрин и белок оболочки вируса табачной мозаики. Показана как белковая цепь, так и кофакторы: скелетные модели  —  гем (в цитохроме) и фрагмент РНК (в белке оболочки вируса), оранжевые шарики  —  ионы железа (в геме цитохрома и в миогемэритрине), красный шарик  — связанный железом кислород (в миогемэритрине).
 
 

  Третье. Твердый белок ("апериодический кристалл", говоря словами Шредингера) ведет себя именно как кристалл при изменении внешних условий (например, при повышении температуры),  —  то есть он "терпит" до каких-то пор, а потом разом плавится,  —  а не теряет своей формы и твердости постепенно, как стекло. Это фундаментальное свойство белков тесно связано с надежностью их работы: как электрическая лампочка, белки ломаются по принципу "все или ничего", а не постепенно (последнее привело бы к ненадежности их действия  —  к расплыванию специфичности и т. д.).
  И последнее. Говоря о твердости, надо различать сравнительно небольшие и действительно твердые однодоменные белки (они состоят из одной компактной глобулы),  —  и более крупные белки, имеющие либо доменную (Рис.1-2), либо четвертичную (Рис.1-1) структуру: слагающие их субглобулы могут сдвигаться и раздвигаться, а также слегка, как твердое тело, деформироваться (но не полностью перестраиваться!) при функционировании белка.

  Обычно сходные по внутренней структуре (по анатомии) белки делают одно и то же. Однако порой одна и та же, в общем, пространственная структура может обеспечивать совсем разные функции. Так, из трех сходных по "грубой" пространственной структуре белков,  —  один (цитохром) связывает электрон, другой (миогемэритрин) связывает кислород (эти функции немного похожи  —  обе они включены в цепь окислительных реакций), а третий (белок облочки вируса) связывает гораздо более крупные молекулы  —  РНК, а также другие оболочечные белки (Рис.1-4).
  Верно ли обратное, т. е. определяет ли функция белка его структуру? Здесь тоже прослеживаются некие частные корреляции, но в общем такое определяющее влияние прослеживается только на очень грубом уровне,  —  уровне, определяемом "средой обитания" белковых функций (так, белки, несущие структурную функцию  —  например, те, из которых слагаются волосы или фибриллы  —  как правило, фибриллярны; рецепторы  —  это мембранные белки, и т. д.). Но часто это совсем неверно на уровне архитектуры белка. Так, две сериновые протеазы (трипсин и субтилизин) имеют одну и ту же каталитическую функцию и даже почти одинаковую специфичность  —  при совершенно разной (Рис.1-5) внутренней структуре глобул [эти белки сходны не более чем тюлень и жук-плавунец: лишь их (белков) "плавники",  —  т. е. их активные центры, включающие по полудюжине аминокислотных остатков из пары сотен звеньев цепи,  —  устроены одинаково, а все остальное  —  по-разному].