Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
146 Рис. 3-34. Сопоставление аминокислотных последовательностей двух представителей семейства сериновых протеиназ. Показаны карбоксил- терминальные участки двух белков (от 149 до 245-й аминокислоты). Одинаковые аминокислоты соединены цветными штрихами, а сериновые остатки в активных центрах в положении 195 «высвечены». В участках полипептидных цепей, выделенных цветными прямоугольниками, каждая аминокислота этих двух ферментов в трехмерной структуре занимает одинаковое положение (см. рис. 3-35). Б. Стандартные однобуквенные и трехбуквенные обозначения аминокислот. (С изменениями из J. Greer, Proc. Natl, Acad. Sci. USA 77: 3393-3397, 1980.) 3.3.5. Сравнительно немногие потенциально возможные полипептидные цени могут оказаться полезными Поскольку все 20 аминокислот химически различны и каждая может в принципе занимать в полипептидной цепи любое положение, то для пептида из четырех аминокислот возможны 20ּ20ּ20ּ20 = 160000 различных цепей, а для полипептида из п аминокислот – 20 n цепей. Таким образом, может существовать более 10 390 различных белков со средней типичной длиной около 300 аминокислот. Мы, однако, знаем, что лишь очень небольшая часть всех возможных белков примет стабильную пространственную конформацию. Все остальные должны иметь множество различных конформаций с разными химическими свойствами и приблизительно одинаковой энергией. Белки с такими изменчивыми свойствами не могут быть полезными и, следовательно, должны устраняться естественным отбором в ходе эволюции. Удивительно точная пригнанность структуры современных белков к выполняемой ими функции обеспечивается их способностью свертываться уникальным образом. Последовательность аминокислот не только обеспечивает исключительную стабильность одной из конформаций, но и определяет необходимые для выполнения в клетке каталитической или структурной функции особенности этой конформаций и ее химические свойства. Белки строятся настолько точно, что замена даже нескольких атомов одной аминокислоты может нарушить структуру и привести к катастрофическим изменениям функции. 3.3.6. Новые белки часто возникают в результате незначительных изменений старых [25] У клетки есть генетические механизмы, обеспечивающие дупликацию, модификацию и рекомбинацию генов в процессе эволюции (см, разд. 10.5.1). Следовательно, если уже какой-нибудь белок с полезными свойствами поверхности раз возникнет, то его основная структура может затем войти в состав многих других белков. В современных организмах различные белки с родственными функциями часто имеют схожую последовательность аминокислот. Считается, что такие семейства белков возникли путем дупликации одного предкового гена и последующего накопления в эволюции мутаций, постепенно обусловивших появление родственных белков с новыми функциями. 147 Рис. 3-35. Сравнение пространственной структуры эластазы (А) и химотрипсина (Б). У этих эволюционно родственных протеиназ одинаковы лишь те аминокислоты, которые расположены в выделенных цветом участках полипептидной цепи. Тем не менее конформации белков очень похожи. Обведены активные центры ферментов; оба активных центра содержат активированный остаток серина (см. рис. 3-47). Молекула химотрипсина имеет несколько (более двух) концов цепи, поскольку она образована протеолитическим расщеплением химотрипсиногена, неактивного предшественника. Рассмотрим семейство протеолитических (расщепляющих) ферментов, сериновые протеиназы, включающие в себя пищеварительные ферменты химотрипсин, трипсин и эластазу, а также многие из факторов свертывания - протеиназ, контролирующих процесс свертывания крови. При сравнении любых двух ферментов этого семейства оказывается, что примерно 40% положений в полипептидной цепи занимают одни и те же аминокислоты (рис. 3-34). Еще более поразительное сходство выявляется при сравнении их конформаций, определенных методом рентгеноструктурного анализа: большинство поворотов и изгибов полипептидных цепей длиной в несколько сот аминокислот оказываются идентичными (рис. 3-35). Тем не менее разные сериновые протеиназы имеют совершенно различные функции. Некоторые из аминокислотных замен, обусловивших различия ферментов этой группы, по-видимому, были отобраны в процессе эволюции, потому что привели к изменениям субстратной специфичности и регуляторных свойств белков, что в свою очередь породило все многообразие современных функциональных свойств. Другие аминокислотные замены могли быть «нейтральными», т. е. сохранились, потому что не повлияли ни на структуру, ни на функции белка. Поскольку мутирование - процесс случайный, должны были происходить и вредные замены, изменяющие пространственную структуру фермента достаточно сильно, чтобы его инактивировать. Эти измененные варианты были потеряны в процессе эволюции, так как производившие их индивидуальные организмы должны были оказаться в невыгодных условиях и исчезнуть в результате естественного отбора. Поэтому совершенно неудивительно, что клетки содержат целый набор структурно родственных полипептидных цепей, имеющих общих предков, но выполняющих разные функции. 148 3.3.7. Новые белки часто возникают в результате объединения разных полипептидных доменов [26] При возникновении в клетке ряда стабильных белковых поверхностей новые поверхности с иной специфичностью связывания могут создаваться в результате объединения двух или более индивидуальных белков путем нековалентных взаимодействий. Для клеток характерно такое объединение глобулярных белков в более крупные функциональные белковые агрегаты: молекулярная масса многих белковых агрегатов достигает 1 млн. и более, хотя молекулярная масса типичной полипептидной цепи составляет всего лишь 40000-50000 (приблизительно 300-400 аминокислот); размер лишь немногих полипептидов втрое превышает эту среднюю величину. Сходный, но другой способ образования новых белков из существующих полипептидных цепей - это слияние соответствующих последовательностей ДНК таким образом, что образуется ген, кодирующий одну большую полипептидную цепь (см. разд. 10.5.4). Считается, что белки, возникшие этим путем, в разных частях полипептидной цепи свертываются независимо в отдельные глобулярные домены. Такая «мультидоменная» структура характерна для многих белков, и, как Рис. 3-36. Общий принцип, по которому наложение двух различных белковых поверхностей в процессе эволюции, приводит к появлению белков, которые содержат новые центры связывания для других молекул. Как показано на этом рисунке, лиганд - связывающие центры часто расположены в месте соприкосновения двух белковых доменов. Рис. 3-37. Структура гликолитического фермента глицеральдегид-3-фосфат- дегидрогеназы. Белок состоит из двух доменов (выделены разным цветом). Участки α-спирали представлены в виде цилиндров, а β-слоев- стрелками. Реакция, катализируемая этим ферментом, подробно приведена на рис. 2-21. Заметим, что три центра связывания субстратов расположены в зоне соприкосновения двух доменов. (С любезного разрешения Alan. J. Wonacott.) 149 Рис. 3-38. Пример широко распространенной в эволюции белков «перетасовки» блоков белковых последовательностей. Участки белка, обозначенные окрашенными геометрическими фигурами, являются эволюционно родственными, но не идентичными. А. Бактериальный САР-белок состоит из двух доменов; один из них (закрашенный треугольник) связывается со специфической последовательностью ДНК, второй - связывает сАМР (см. рис. 3-33). ДНК-связывающий домен родствен ДНК-связывающим доменам многих других белков регуляторных генов, включая белки lac-репрессор и erо-репрессор. Кроме того, две копии сАРМ-связывающего домена обнаружены в эукариотических киназах, регулируемых связыванием циклических нуклеотидов. Б. Представлены два домена, состоящие примерно из 40 аминокислот, каждый из которых встречается в трех больших белках позвоночных. Например, рецептор липопротеина низкой плотности (ЛНП) - это трансмембранный белок из 839 аминокислотных остатков, ответственный за выведение холестерола из клеток. Он содержит много доменов, имеющихся и в других белках, в частности, семь копий цистеин - богатого домена (светлые кружки), участвующих в связывании ЛНП, и три копии такого же размера (окрашенные кружки), функции которых неизвестны. и следовало ожидать, исходя из рассмотренных выше эволюционных предпосылок, функционально важные центры связывания часто оказываются расположенными на границе разных доменов (рис. 3-36). На рис. 3-37 показана структура конкретного мультидоменного белка. Другой путь повторного использования аминокислотной последовательности особенно распространен среди длинных фибриллярных белков, таких, как коллаген (см. рис. 3-28). В этом случае их структура формируется из многократных внутренних повторов предковой аминокислотной последовательности. Ясно, что сведение вместе аминокислотных последовательностей путем объединения ранее существовавших кодирующих последовательностей ДНК, является более эффективной стратегией для клетки, чем получать новые белковые последовательности в результате случайных мутаций ДНК. 3.3.8. Структурные гомологии могут помочь в определении функций вновь открытых белков [27] Развитие методов быстрого секвенирования молекул ДНК сделало возможным определение аминокислотных последовательностей многих белков и нуклеотидных последовательностей соответствующих генов (см. разд. 4.6.6). Постоянно пополняемая «база данных белков» обрабатывается на компьютере для поиска возможных гомологии последовательностей между вновь секвенированным белком и изученными ранее. В настоящее время определена последовательность небольшого числа белков эукариотических организмов, при этом часто оказывается, что вновь секвенированный белок является гомологом уже известного белка в пределах какого-то участка его длины. Отсюда следует, что большинство белков, видимо, произошло от ограниченного числа предковых типов. Как и предполагалось, в последовательностях многих больших белков часто видны признаки того, что они возникли путем объединения ранее существовавших доменов в новых комбинациях, так называемого процесса «тасования доменов» (рис. 3-38). Установление гомологии доменов также может быть полезным в другом аспекте. Определить пространственную структуру белка намного труднее, чем определить аминокислотную последовательность. Однако конфигурация домена вновь секвенированного белка может быть «отгадана», если он гомологичен домену белка, конформация которого ранее была определена методом рентгеноструктурного анализа. Часто можно с приемлемой точностью определить структуру нового белка, предполагая, что повороты и изгибы полипептидной цепи в двух белках будут одинаковыми, даже если есть отличия в аминокислотной последовательности. 150 Рис. 3-39. Схема образования димера из идентичных белковых субъединиц. Если центр связывания узнает сам себя, димеры будут симметричными. Эти пары часто в дальнейшем объединяются с другими субъединицами с образованием тетрамеров и более сложных ансамблей. Такие сравнения белков важны еще и в том отношении, что сходные структуры часто предполагают и сходные функции. Можно избежать многолетних экспериментальных исследований, установив гомологию аминокислотной последовательности с белком, функция которого известна. Например, такие гомологии последовательностей впервые указали на то, что некоторые регуляторные гены клеточного цикла дрожжей и некоторые гены, вызывающие раковое перерождение клеток млекопитающих, кодируют протеинкиназы. Таким же способом было определено, что многие из белков, контролирующих морфогенез у плодовой мушки Drosophila, являются белками регуляторного гена, а один белок, участвующий в морфогенезе, был идентифицирован как сериновая протеиназа. Каждый год эта база данных пополняется все новыми сведениями о белковых последовательностях, что увеличивает вероятность обнаружения полезных гомологии. Таким образом, сравнение аминокислотных последовательностей белков будет становиться все более важным инструментом клеточной биологии. 3.3.9. Белковые субъединицы способны к самосборке в большие клеточные структуры [28] Принцип, позволяющий белковым доменам ассоциировать с образованием новых центров связывания, «работает» и при сборке значительно более крупных клеточных структур. Надмолекулярные структуры, такие, как ферментные комплексы, рибосомы, белковые волокна, вирусы и мембраны, не синтезируются в виде единых гигантских молекул, связанных ковалентными взаимодействиями, а собираются в результате нековалентной агрегации макромолекулярных субъединиц. Использование субъединиц для построения больших структур имеет несколько преимуществ: 1) для построения большой структуры из многократно повторенных субъединиц меньшего размера требуется меньше генетической информации; 2) поскольку субъединицы связаны между собой многими сравнительно слабыми связями, их сборка и диссоциация легко поддаются контролю; 3) сборка структуры из субъединиц позволяет сводить к минимуму количество ошибок, так как функционирование специального механизма корректирования в процессе сборки может устранять испорченные субъединицы. 3.3.10. Одинаковые белковые субъединицы могут взаимодействовать с образованием геометрически регулярных структур [29] При наличии в белке центра связывания, комплементарного какому-либо участку на его собственной поверхности, белок будет самопроизвольно агрегировать. В простейшем случае центр связывания узнает сам себя, и в результате образуется симметричный димер. Многие ферменты и другие белки образуют такие димеры, которые часто в свою очередь служат субъединицами для формирования более крупных агрегатов (рис. 3-39 и рис. 3-40). Если центр связывания белка комплементарен другому участку на своей поверхности, то образуется цепь субъединиц. При некоторых взаимных ориентациях двух участков связывания цепь замкнется сама на себя и рост прекратится. В результате образуется кольцо из двух, трех, четырех или большего числа субъединиц (рис. 3-41). В более общем случае получится бесконечно длинный полимер из белковых субъединиц. При условии, что все субъединицы связаны друг с другом идентичным 151 Рис. 3-40. Ленточная модель димеpa, образованного из двух идентичных белковых субъединиц (мономеров). Представленный белок является бактериальным белком САР, показанным ранее на рис. 3-33 и рис. 3-38, А. (С любезного разрешения Jane Richardson.) Рис. 3-41. Одинаковые субъединицы при взаимодействии друг с другом могут формировать кольца или спирали. Образование спирали было показано на рис. 3-3, образование кольца вместо спирали происходит, если субъединицы входят друг в друга, останавливая дальнейший рост цепи. образом, субъединицы в такой цепи расположатся по спирали (см. рис. 3-3). Например, актиновая нить представляет собой спиральную структуру, собранную из одинаковых субъединиц глобулярного белка актина; актиновые нити являются основными компонентами цитозоля большинства эукариотических клеток. Когда особенно важна механическая прочность, надмолекулярные агрегаты обычно строятся не из глобулярных, а из фибриллярных субъединиц, поскольку фибриллярные субъединицы, обвиваясь вокруг друг друга в спираль, имеют обширные области для белок- белкового взаимодействия (рис. 3-42, А). Гексагонально упакованные белковые субъединицы могут образовывать плоские слои. Иногда так агрегируют в липидных бислоях специализированные мембранные транспортные белки (см. разд. 6.2.8). При небольшом изменении геометрии субъединиц гексагональный слой превращается в полую трубку (рис. 3-42, Б). Такие цилиндрические трубки участвуют в образовании белковых оболочек некоторых удлиненных вирусов (рис. 3-43). Образование замкнутых структур - колец, трубок или сферических частиц - дополнительно стабилизирует весь арегат; общее число связей между белковыми субъединицами в этом случае увеличивается. Более того, поскольку такая структура формируется благодаря взаимозависимым кооперативным взаимодействиям, то сборка и разборка могут производиться относительно малыми изменениями, затрагивающими сами субъединицы. Особенно ярко это можно проиллюстрировать на примере белковых оболочек многих простых вирусов, имеющих форму полого шара. Такие оболочки часто собраны из сотен идентичных белковых субъединиц, окружающих и защищающих вирусную нуклеиновую кислоту (рис. 3-43). Структура белков оболочки должна быть особенно гибкой, так как она должна допускать различные типы межсубъединичных контактов, а также обеспечивать изменение упаковки субъединиц при выходе нуклеиновой кислоты в начале цикла размножения вируса. 152 Рис. 3-42. Некоторые структуры, образующиеся при самосборке белковых субъединиц. А. Три общих типа спиральных ансамблей белка. В актиновой нити содержится примерно две глобулярные белковые субъединицы на один оборот, а многие другие цитоскелетные белки содержат стержневидные участки, в которых две α-спирали объединяются в структуру "coiled coil". В спирали коллагена три вытянутые белковые цепи объединяются друг с другом на большом расстоянии с образованием очень прочной стержнеобразной структуры. Б. Гексагонально упакованные глобулярные белковые субъединицы могут формировать либо плоские структуры, либо трубки. Рис. 3-43. Структура сферического вируса. Во многих вирусах идентичные белковые субъединицы упаковываются с образованием сферической оболочки, которая заключает вирусный геном, состоящий из РНК или ДНК. По геометрическим соображениям симметричным образом могут упаковаться не более 60 субъединиц. Однако если допустимы небольшие отклонения от регулярности, то можно использовать больше субъединиц для образования более крупного капсида. Например, вирус кустистой карликовости томата (TBSV) имеет форму сферы около 33 нм в диаметре. На электронной микрофотографии (А) и на схеме (Б) можно видеть, что он состоит из более, чем 60 субъединиц. Предполагаемый способ сборки и трехмерная структура по данным рентгеноструктурного анализа этого вируса представлены на В. Вирусная частица состоит из 180 идентичных копий капсидного белка (насчитывающих по 386 аминокислот) и генома РНК, включающего 4500 нуклеотидов. Чтобы сформировать такой крупный капсид, белок должен быть способен упаковываться тремя несколько различными способами (обозначены разным цветом). (Рисунки выполнены Steve Harisson; электронные микрофотографии - с любезного разрешения John Finch.) |