Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
3.3. Структура белка [20] Клетки в значительной степени состоят из белков, на долю которых приходится более половины их сухого вещества (см. табл. 3-1). Белки определяют структуру и форму клетки; кроме того, они служат инструментами молекулярного узнавания и катализа. ДНК, хотя и содержит всю необходимую для построения клетки информацию, оказывает незначительное прямое воздействие на клеточные процессы. Например, ген гемоглобина сам не переносит кислород: это свойство белка, кодируемого им. Используя компьютерную терминологию, можно сказать, что ДНК и мРНК представляют собой «программное обеспечение» - инструкции, полученные клеткой от родительской клетки. Белки и молекулы каталитических РНК составляют «аппаратное обеспечение» - физические механизмы, осуществляющие хранящуюся в памяти программу. ДНК и РНК представляют собой цепи, построенные из нуклеотидов, химически очень похожих друг на друга. Напротив, молекулы белков собраны из 20 очень разных аминокислот, каждая из которых обладает ярко выраженной химической индивидуальностью. Это разнообразие лежит в основе необычайной универсальности химических свойств различных белков, и, по-видимому, эволюция выбрала именно белки, а не молекулы РНК в качестве катализаторов большинства реакций в клетке. 3.3.1. Форма белковой молекулы определяется ее аминокислотной последовательностью [21] В длинной полипептидной цепи возможно свободное вращение атомов вокруг многих связей, что делает остов белковой молекулы очень гибким. Поэтому любая белковая молекула в принципе может принимать почти бесконечно большое число различных форм {конформаций). Однако большинство полипептидных цепей существуют лишь в одной из 138 Рис. 3-22. Схематически показано, как белок свертывается в глобулу. Полярные боковые группы аминокислот стремятся расположиться на наружной поверхности белка, где они могут взаимодействовать с водой. Неполярные боковые группы аминокислот расположены внутри, где образуют «спрятанное» от воды гидрофобное «ядро». этих конформаций, определяемой последовательностью аминокислот. Это обусловлено тем, что боковые группы аминокислот взаимодействуют друг с другом и с водой с образованием слабых нековалентных связей (см. схему 3-1). В этом случае соответствующие боковые группы оказываются в ключевых местах цепи, между ними образуются сильные связи, что делает определенную конформацию очень стабильной. Полипептидная цепь большинства белков самопроизвольно сворачивается с образованием правильной конформаций. При обработке определенными агентами белок можно развернуть, или денатурировать; при прекращении действия денатурирующего агента белок обычно самопроизвольно возвращается к исходной конформаций. Это указывает на то, что вся необходимая информация для определения формы белка содержится в самой последовательности аминокислот. Одним из важнейших факторов, направляющих свертывание полипептидной цепи, является расположение полярных и неполярных боковых групп. Многочисленные гидрофобные боковые группы стремятся собраться внутри белковой молекулы, что позволяет им избежать контакта с водным окружением (точно так же сливаются механически диспергированные в воде капельки масла). В то же время все полярные группы стремятся, наоборот, расположиться на поверхности молекулы белка, где они могут взаимодействовать с водой и другими полярными группами (рис. 3-22). Именно таким путем происходит спаривание почти всех полярных групп, оказывающихся внутри белковой глобулы. Таким образом, водородные связи играют главную роль во взаимодействии разных участков одной полипептидной цепи в свернутой молекуле белка; кроме того, они имеют исключительно важное значение для многих взаимодействий, происходящих на поверхности белковых молекул (рис. 3-23). Секретируемые белки, или белки клеточной поверхности, часто образуют дополнительные ковалентные связи между разными участками одной и той же полипептидной цепи. Например, образование дисуль- Рис. 3-23. Водородные связи (выделены цветом), которые могут образовываться между аминокислотами в белках. Пептидные связи обозначены серым. 139 Рис. 3-24. Образование ковалентной дисульфидной связи между соседними остатками цистеина белка. фидных связей (называемых также —S—S-мостиками) между двумя SH-группами цистеина, оказавшимися по соседству в свернутой полипептидной цепи, стабилизирует пространственную структуру внеклеточных белков (рис. 3-24). Для правильного свертывания белков эти связи не нужны, поскольку оно происходит нормально в присутствии восстанавливающих агентов, препятствующих образованию —S—S-мостиков. В самом деле, —S—S-мостики образуются редко (если образуются вообще) у белковых молекул в цитозоле, где высока концентрация агентов, восстанавливающих SH-группы и разрушающих такие мостики (см. разд. 8.6.11). Общий результат всех индивидуальных взаимодействий аминокислот состоит в том, что большинство молекул белка спонтанно принимает характерную для них конформацию: обычно компактную глобулярную, но изредка и вытянутую фибриллярную. Сердцевина глобулы образована плотно упакованными, почти как в кристалле, гидрофобными боковыми группами, а полярные боковые группы формируют сложную и нерегулярную наружную поверхность. Специфичность связывания белка с малыми молекулами и другими макромолекулярными поверхностями определяется расположением и химическими свойствами различных атомов на этой сложной поверхности (см. ниже). С химической точки зрения белки - наиболее сложные из известных молекул. 3.3.2. Одни и те же способы укладки цепи постоянно повторяются в разных белках [22] Хотя аминокислотная последовательность полипептидной цепи и содержит всю необходимую для ее свертывания информацию, мы до сих пор не знаем, как эту информацию прочесть, чтобы по последовательности детально предсказать пространственную структуру белка. В результате нативную конформацию белка можно определить лишь с помощью очень трудоемкого метода рентгеноструктурного анализа белковых кристаллов. Этим методом к настоящему времени полностью проанализировано более 100 белков. Специфическая конформация каждого из них столь сложна, что для ее детального описания потребовалась бы целая глава. При сравнении пространственной структуры различных белков выяснилось, что, хотя конформация каждого белка уникальна, несколько способов укладки цепи постоянно повторяются в отдельных частях макромолекул. Особенно часто встречаются два способа укладки, поскольку они обусловлены регулярным образованием водородных связей между самими пептидными группами, а не уникальными взаимодействиями боковых цепей. Оба способа были правильно предсказаны 140 Рис. 3-25. β -Слой - это обычная структура участков глобулярных белков. Сверху показан включающий 115 аминокислот домен молекулы иммуноглобулина. Он состоит из двух β - слоев, уложенных наподобие сандвича, один из которых выделен цветом. Внизу более детально изображен совершенный антипараллельный β -слой. Обратите внимание на то, что каждая пептидная группа образует водородные связи с соседними пептидными группами. β -Слои, встречающиеся в глобулярных белках, обычно несколько менее регулярны, чем показанная здесь структура; часто β - слои оказываются слабо скрученными (см. рис. 3-27). в 1951 г. с помощью моделей, основанных на результатах рентгеноструктурного анализа шелка и волос. Сейчас эти периодические структуры называют β -кладчатым слоем и α -спиралью. В β -складчатой конформации находится белок шелка фиброин, α -спираль обнаружена в α -кератине - белке кожи и ее производных (волосах, ногтях и перьях). Структура β -складчатого слоя составляет существенную часть сердцевины (core) большинства (хотя и не всех) глобулярных белков. На рис. 3-25 для примера показана часть молекулы антитела; антипараллельный β - слой этой молекулы образован в результате многократного изгибания полипептидной цепи на 180°, так что направление каждого прямого участка цепи противоположно направлению ближайших соседних участков. Такая структура обладает высокой прочностью, обусловленной образованием водородных связей между пептидными группами соседних участков цепи. Поэтому антипараллельный β -слой часто служит каркасом, на котором собирается глобулярный белок. α -Спираль образуется при закручивании полипептидной цепи вокруг себя с образованием жесткого цилиндра, в котором каждая пептидная группа связывается водородными связями с ближайшими пептидными группами цепи. Многие глобулярные белки содержат короткие участки таких α -спиралей (рис. 3-26); участки трансмембранного белка, который проходит сквозь липидный бислой, также почти всегда являются α -спиралями в силу сжатия, испытываемого им со стороны гидрофобного липидного окружения (см. разд. 6.2.1). В водной среде изолированная α -спираль обычно неустойчива. Однако две одинаковые α -спирали, имеющие повторяющиеся участки неполярных групп цепей, могут последовательно обвиваться вокруг друг друга с образованием чрезвычайно устойчивой структуры. Такие длинные стержневидные структуры обнаружены во многих фибриллярных белках, в частности во внутри- 141 Рис. 3-26. α-Спираль - еще одна общая структура, обычно образующаяся в отдельных участках полипептидной цепи белков. А. Показана переносящая кислород молекула миоглобина (длиной 153 аминокислоты); один из α-спиральиых участков выделен цветом. Б. Детальное изображение совершенной α-спирали. Как и в β-слое, каждая пептидная группа связана с соседними пептидными группами водородными связями. В. Атомы в аминокислотном остатке. Заметим, что в Б боковые группы аминокислот для упрощения опущены (они расположены на наружной поверхности спирали. В В они обозначены как R на атоме α-углерода каждой аминокислоты (см. также рис. 3-27). Рис. 3-27. Пространственные модели α-спирали и β- СЛОЯ Слева структуры показаны без боковых групп аминокислот, справа - с боковыми группами. А. α-Спираль (часть структуры миоглобина). Б. Участок β- СЛОЯ (часть структуры домена иммуноглобулина). На фотографиях слева каждая поверхность цепи представлена только одним черным атомом (группы R на рис. 3-25 и рис. 3-26); вся поверхность цепи показана справа. (С любезного разрешения Richard J. Feldmann.) 142 клеточных волокнах α-кератина, обусловливающих прочность кожи. Пространственные модели α-спирали и β-складчатого слоя белков с боковыми группами и без них представлены на рис. 3-27. 3.3.3. Молекулы белков характеризуются чрезвычайным разнообразием [23] Различия в природе боковых групп аминокислот обусловливает замечательное разнообразие возможных типов пространственной структуры белков. Рассмотрим в качестве примера крайних случаев два типа белков, секретируемых клетками соединительной ткани, - коллаген и эластин, которые относятся к белкам внеклеточного матрикса. В коллагене три отдельные полипептидные цепи, богатые пролином и содержащие в каждом третьем положении глицин, закручены одна вокруг другой и образуют тройную спираль (см. разд. 14.2.6). Эти молекулы коллагена в свою очередь упаковываются в волокна, в которых соседние молекулы скреплены ковалентными сшивками между соседними лизиновыми остатками. В результате формируются волокна, способные выдерживать исключительно большую нагрузку (рис. 3-28). Другой предельный случай - эластин, в котором относительно рыхлые и неструктурированные полипептидные цепи образуют благодаря ковалентным сшивкам резиноподобную эластичную сеть, которая дает возможность таким тканям, как артерии и легкие, деформироваться и растягиваться, не причиняя себе вреда. Как показано на рис. 3-29, эластичность обусловлена способностью индивидуальных молекул обратимо разворачиваться под действием растягивающего усилия. Рис. 3-28. Молекула коллагена - это тройная спираль, образованная тремя вытянутыми белковыми цепями. Множество сшитых вместе стержнеобразных молекул коллагена образует прочные нерастяжимые коллагеновые фибриллы (вверху), которые обладают прочностью на растяжение, сравнимой с прочностью стали. Рис. 3-29. Эластин состоит из полипептидных цепей, образующих благодаря поперечным сшивкам, растяжимые волокна. При растяжении каждая молекула эластина разворачивается, приобретая более протяженную конформацию. Разительный контраст между физическими свойствами эластина и коллагена обусловлен большими различиями в их аминокислотных последовательностях. 143 Рис. 3-30. Возможные размеры и форма молекулы белка из 300 аминокислот. Конкретная структура определяется последовательностью аминокислот (D. Е. Metzler, Biochemistry, New York; Academic Press, 1977; печатается с изменениями). Примечательно, что одна и та же химическая структура - аминокислотная цепь - может приобретать самую различную конформацию. Назовем, например, резиноподобный эластин, похожий на стальной трос коллаген, разнообразные глобулярные белки - ферменты, очень различающиеся по форме своей каталитической поверхности. На рис. 3-30 показано, сколь различную форму может в принципе принимать полипептидная цепь длиной в 300 аминокислот. Реальная конформация, как мы уже отметили, полностью зависит от последовательности аминокислот. 3.3.4. Белки имеют различные уровни пространственной организации [24] Рассматривая структуру белка, полезно различать разные уровни его пространственной организации. Аминокислотную последовательность называют первичной структурой белка. Регулярные водородные связи по всей длине непрерывной полипептидной цепи приводят к образованию α-спиралей и β-слоев, которые представляют собой вторичную структуру белка. Некоторые комбинации α-спиралей и β- слоев, упакованные вместе, формируют компактно уложенные глобулярные единицы, каждая из которых носит название белкового домена. Домены обычно состоят из отрезков полипептидной цепи, содержащих от 50 до 350 аминокислот; по-видимому, они являются теми модульными единицами, из которых строятся белки (см. ниже). Маленькие белки могут содержать только один домен, более крупные белки состоят из нескольких доменов, связанных сравнительно открытыми участками полипептидной цепи. Наконец, отдельные полипептиды могут служить субъединицами для формирования более крупных молекул, часто называемых белковыми агрегатами, или белковыми комплексами. В таких комплексах субъединицы связаны друг с другом большим числом слабых нековалентных взаимодействий (см. разд. 3.1.1), у внеклеточных белков эти взаимодействия часто стабилизированы дисульфидными связями. Пространственную структуру белка можно проиллюстрировать несколькими способами. Рассмотрим, например, необычно маленький белок - основной ингибитор трипсина поджелудочной железы, который содержит 58 аминокислотных остатков, упакованных в один домен. Этот белок можно представить в виде стереопары, показывающей все его неводородные атомы (рис. 3-31, А), или в виде тщательно выполненной трехмерной модели, где опущены многие детали (рис. 3-31, Б). Белок можно изобразить и более схематично, без боковых групп и атомов, чтобы сфокусировать внимание на последовательности основной полипептидной цепи (рис. 3-31, В, Г и Д). Такие схематические представления очень важны для выявления структуры белков, которые обычно крупнее, чем основной ингибитор трипсина, так как они дают возможность проследить за нерегулярным расположением полипептидной цепи внутри каждого домена (рис. 3-32). На рис. 3-33 показано, как структура большого белка может быть сведена к разным уровням организации, каждый из которых иерархическим образом строится из предыдущих. Эти уровни возрастающей структурной организации, возможно, соответствуют стадиям свертывания новосинтезированного белка в конечную нативную структуру внутри клетки. 144 Рис. 3-31. Пространственная конформация малого белка основного ингибитора трипсина поджелудочной железы в пяти обычно использующихся вариантах изображения. А. Стереопара, показывающая положение всех неводородных атомов. Основная цепь выделена жирной линией, а боковые цепи - тонкими. Б. Пространственная модель, показывающая вандерваальсовы радиусы всех атомов (см. схему 3-1). В. Скелетная проволочная модель, составленная из отрезков, соединяющих все атомы α-углерода вдоль полипептидного скелета. Г. Ленточная модель, которая представляет все участки регулярных водородных связей либо в виде спиралей (α-спирали), либо в виде набора стрелок (β-слои), указывающих на карбоксил- терминальный конец цепи; в этой модели также показаны водородные связи. Д. «Сосисочная» модель, которая демонстрирует расположение полипептидной цепи без всяких деталей. Следует иметь в виду, что сердцевина всех глобулярных белков плотно заполнена атомами, и впечатление пустого пространства вызвано только характером моделей В, Г и Д. (Б и В с любезного разрешения Richard J. Feldmann; А и Г - с любезного разрешения Jane Richardson.) 145 Рис. 3-32. Ленточные модели пространственной структуры некоторых белковых доменов с разной организацией. А. Цитохром b 562 , однодоменный белок, почти целиком состоящий из α-спиралей. Б. NAD-связанный домен лактат-дегидрогеназы, состоящий из смеси α-спиралей и β-слоев. В. Изменчивый домен одной легкой цепи иммуноглобулина в виде сандвича из двух β-слоев. На этих рисунках α-спирали и соединительные цепи окрашены, а цепи, составленные из β-слоев, изображены серыми стрелками. Обратите внимание, что полипептидная цепь, как правило, пересекает домен два раза, делая резкие изгибы только на поверхности белковой молекулы. (Рисунок любезно предоставлен Jane Richardson.) Рис. 3-33. Пространственная структура белка может быть описана в терминах различных уровней свертывания, каждый из которых составлен из структур предшествующего уровня в иерархическом порядке. Такие уровни иллюстрируются на этом рисунке на примере двухдоменного бактериального белка, активирующего катаболизм. Когда большой домен связывается с циклическим AMP, в белке происходит конформационное изменение, дающее возможность малому домену связываться со специфической последовательностью ДНК. Аминокислотная последовательность определяется как первичная структура белка, а первый уровень свертывания полипептидной цепи - как его вторичная структура. Как обозначено внизу рисунка под квадратными скобками, комбинацию второго и третьего уровней свертывания, представленную здесь, обычно называют третичной структурой, а четвертый уровень (комбинация субъединиц) - четвертичной структурой белка. (С изменениями с рисунков Jane Richardson.) |