Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
3.4.11. Изменения конформации белка, происходящие с затратой энергии, могут быть использованы для выполнения полезной работы [42] Предположим, что белку необходимо «пройти» вдоль тонкой нити, например, вдоль актиновой нити или молекулы ДНК. На рис. 3-62 показано, как аллостерический белок может выполнить эту задачу, принимая различные конформации. Если ничто не направляет и не упорядочивает конформационные изменения, то изменения формы белка будут полностью обратимы, т. е. белок будет случайно и бесцельно блуждать вдоль нити или волокна. Поскольку при направленном движении белка совершается работа, то по законам термодинамики на движение должна быть затрачена какая-либо энергия (в противном случае это движение можно было бы использовать для создания вечного двигателя). Поэтому, как бы мы ни модифицировали показанную на рис. 3-62 модель, например, путем введения стабилизирующих ту или иную конформацию лигандов, молекула белка не будет способна к направленному движению, если не снабдить ее источником энергии. Необходимо каким-либо образом сделать последовательность изменений конформации белка направленной. Например, весь цикл может стать направленным, если какую-либо из стадий сделать необратимой. Один из способов достижения необратимости состоит в использовании уже описанного цикла фосфорилирования - дефосфорилирования. Но 166 Рис. 3-62. Схематическое изображение «шагающего» аллостерического белка. Хотя три различные конформации белка позволяют ему перемещаться и назад, и вперед по волокну, с которым он связан, постоянное движение в одном направлении невозможно. аллостерические изменения белков можно направлять и без этого, используя энергию гидролиза АТР. К примеру, в показанной на рис. 3-63 модифицированной схеме циклического перемещения связывание АТР заставляет белок изменить конформацию 1 на конформацию 2. Затем происходит гидролиз АТР, продуктами которого являются связанные ADP и неорганический фосфат (Рi). Этот гидролиз сопровождается переходом конформации 2 в конформацию 3. Наконец, освобождение ADP и Рi позволяет белку вернуться в конформацию 1. Поскольку на последовательность конформационных переходов 1 2 → 3 → 1 затрачивается энергия гидролиза АТР, то весь цикл при физиологических условиях становится практически необратимым (т.е. вероятность образования АТР из ADP и Рi по пути 1 → 3 → 2 → 1 очень низка). Так как необратимость обеспечивает направленность цикла, то молекула белка в нашем схематическом примере будет непрерывно перемещаться вправо. Примерами белков, осуществляющих направленное движение с помощью описанного механизма, могут служить мышечный белок миозин и белок ДНК-геликаза, играющая важную роль в репликации ДНК. Многие белковые устройства используют аналогичные механизмы для выполнения упорядоченных движений. Все эти белки способны претерпевать циклические изменения формы, сопровождающиеся гидролизом АТР. Некоторые из них по ходу цикла временно фосфорилируются, другие - нет. 3.4.12. Мембранные аллостерические белки, используя энергию АТР, могут служить молекулярными насосами [43] Аллостерические белки могут использовать энергию гидролиза АТР не только для создания механического напряжения, но и для осуществления других форм работы, таких, как перекачивание специфических ионов внутрь или наружу клетки. Например, присутствующий в плазматической мембране всех клеток животных аллостерический белок под названием (Na + , К + )-зависимая АТРаза в каждом цикле конформационных изменений, сопровождающихся АТР-зависимым фосфорилированием белка, выкачивает из клетки 3 иона Na + и накачивает в клетку 2 иона К + (см. разд. 6.4.5). Этот насос, работающий за счет энергии АТР, потребляет более 30% энергетических потребностей большинства клеток. Постоянное выкачивание Na + и накачивание К + приводят к тому, что во внутриклеточной среде содержание Na + оказывается ниже, а содержание К + выше, чем во внеклеточной среде. Таким путем создаются противоположно направленные трансмембранные градиенты концентраций ионов К + и Na + . Заключенная в этих и других ионных градиентах энергия в свою очередь направляет конформационные изменения множества других мембранных аллостерических белков, заставляя их выполнять полезную для клетки работу. 3.4.13. Белки могут мобилизовать энергию ионных градиентов для выполнения полезной работы [43, 44] АТР и другие нуклеозидтрифосфаты - крайне важные, но не единственные источники энергии для белков, которые могут использовать ее для совершения полезной работы. Ионный градиент по обе стороны различных клеточных мембран способен запасать и расходовать энергию подобно перепаду воды по разные стороны плотины. Например, созданный (Na + , К + )-зависимой АТРазой большой перепад концепт- 167 Рис. 3-63 . «Шагающий» аллостерический белок, у которого переход между тремя конформациями направляется гидролизом связанной молекулы АТР. Цикл становится практически необратимым, поскольку один из таких переходов сопряжен с гидролизом АТР. С помощью повторяющихся циклов белок постоянно движется по волокну вправо. рации Na + с двух сторон плазматической мембраны приводит в движение другие белковые насосы, транспортирующие в клетку глюкозу или специфические аминокислоты. Мембранные аллостерические насосы, питаемые энергией гидролиза АТР, способны работать в обратном направлении и использовать энергию ионного градиента для синтеза АТР. В самом деле, как мы увидим в гл. 7, именно такой механизм мобилизует у животных энергию градиента протонов [Н + ] (направленного поперек внутренней мембраны митохондрий) для синтеза большинства молекул АТР. 3.4.14. Белковые машины играют основную роль во многих биологических процессах [45] Сложные клеточные процессы, такие, как репликация ДНК или синтез белка осуществляются мультиферментными комплексами, которые работают как сложные «белковые машины». Например, многочисленные белки аппарата репликации ДНК согласованно перемещаются друг относительно друга, что дает возможность всему комплексу, подобно застежке-молнии, быстро двигаться вдоль ДНК (см. разд. 5.3.7). В таких белковых машинах гидролиз связанных молекул нуклеозидгрифосфата приводит к направленным конформационным изменениям индивидуальных белков, что заставляет группу этих белков координирование перемещаться. Таким же способом соответствующие ферменты движутся прямо в то место, где они необходимы для осуществления определенной реакции, а не ожидают случайных столкновений между отдельными компонентами реакции. Простая механическая аналогия, которая отражает существо таких «высокотехнологичных» решений клеточных потребностей, проиллюстрирована на рис. 3-64. Видимо, большинство основных процессов, происходящих в клетках, осуществляется именно такими крайне сложными многокомпонентными белковыми машинами. Заключение Биологические функции белка определяются деталями химических свойств его поверхности. Углубления на поверхности белка, образованные точно расположенными аминокислотными остатками, формируют центры специфического связывания. Ферменты катализируют химические изменения связанных с ними молекул субстратов; при этом для расширения своих возможностей они часто используют маленькие, прочно связанные молекулы коферментов. Скорость ферментативных реакций нередко лимитируется диффузией, однако она может быть выше, если фермент и субстрат оказываются вместе в одном и том же небольшом клеточном компартменте. Связывание лигандов с поверхностью аллостерических белков обратимо меняет форму последних. Изменения, вызванные присоединением одного лиганда, могут повлиять на связывание второго лиганда, что обеспечивает механизм регуляции различных клеточных процессов. Использование дополнительной химической энергии может внести направленность в изменения формы белка. Например, за счет сопряжения аллостерических изменений с гидролизом АТР белки могут выполнять полезную работу, скажем создавать механическое усилие или перекачивать ионы через мембрану. Могут формироваться и высокоэффективные «белковые машины» - объединение согласованно работающих белков в многоферментные комплексы. Возможно, что белковые ансамбли такого типа осуществляют множество основных биологических реакций. 168 Рис 3-64 . «Белковая машина». Белковые комплексы часто состоят из одной или более субъединиц, способных к движению, которое направляется энергетически выгодным изменением при связывании молекулы субстрата (см. рис. 3-63). Такого рода движения белка особенно полезны для клетки, если они происходят в большом белковом комплексе, в котором, как представлено на рисунке, активности разных субъединиц скоординированы. Литература Цитируемая 1. Burley S.K., Petsko G. A. Weakly polar interactions in proteins. Adv. Prot. Chem, 39, 125-189, 1988. Cantor C. R., Schimmel P. R. Biophysical Chemistry, Part I and Part III. New York, W.H. Freeman, 1980. Eisenberg D., Crothers D. Physical Chemistry with Applications to the Life Sciences. Menlo Park, CA, Benjamin-Cummings, 1979. Pauling L. The Nature of the Chemical Bond, 3rd ed. Ithaca, NY, Cornell University Press, 1960. 2. Fersht A. R. The hydrogen bond in molecular recognition. Trends Biochem. Sci., 12 , 301-304, 1987. 3. Cohen C., Parry D.A.D. a helical coiled coils. Trends Biochem. Sci., 11, 245-248, 1986. Dickerson R.E. The DNA helix and how it is read. Sci. Am., 249(6), 94-111, 1983. 4. Berg H. C. Random Walks in Biology. Princeton, NJ, Princeton University Press, 1983. Einstein A. Investigations on the Theory of Brownian Movement. New York. Dover, 1956. 5. Lavenda B.H. Brownian motion. Sci. Am., 252(2), 70-85, 1985. 6. Karplus M., McCammon J.A. The dynamics of proteins. Sci. Am., 254(4), 42-51, 1986. 169 McCammon J. A., Harvey S. C. Dynamics of Proteins and Nucleic Acids. Cambridge UK, Cambridge University Press, 1987. 7. Kirkwood T. W., Rosenberger R. F., Galas D. J., eds. Accuracy in Molecular Processes: Its Control and Relevance to Living Systems. London, Chapman and Hall, 1986. Kurland C. G., Ehrenberg M. Growth-optimized accuracy of gene expression. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem., 16, 291-317, 1987. 8. Rosenfield I., Ziff E., Van Loon B. DNA for Beginners, London: Writers and Readers Publishing Cooperative. New York, Distributed in the USA by W. W: Norton, 1983. Saenger W. Principles of Nucleic Acid Structure. Berlin, Springer, 1984. 9. Olby R. The Path to the Double Helix. Seattle, University of Washington Press, 1974. Stent G. S. Molecular Genetics: An Introductory Narrative. San Francisco, Freeman, 1971. 10. Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature , 171 , 737-738, 1953. 11. Felsenfeld G. DNA. Sci. Am., 253(4), 58-66, 1985. Meselson M., Stahl F. W. The replication of DNA in E. coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 44 , 671-682, 1958. Watson J. D., Crick F. H. C. Genetic implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature, 171 , 964-967, 1953. 12. Drake J. W. The Molecular Basis of Mutation. San Francisco, Holden Day, 1970. Drake J. W., Glickman B. W., Ripley L. S. Updating the theory of mutation. Am. Scientist , 71 , 621-630, 1983. Wilson A. C. Molecular basis of evolution. Sci, Am ., 253(4), 164-173, 1985. 13. Sanger F. Sequences, sequences, and sequences. Annu. Rev. Biochem., 57, 1-28, 1988. Thompson E.O.P. The insulin molecule. Sci. Am., 192(5), 36-41, 1955. Yanofsky C. Gene structure and protein structure. Sci. Am., 216(5), 80-94, 1967. 14. Brenner S., Jacob F., Meselson M. An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis. Nature, 190 , 576-581, 1961. Darnell J.E., Jr. RNA. Sci. Am., 253(4), 68-78, 1985. 15. Chambon P. Split genes. Sci. Am., 244(5) , 60-71, 1981. Steitz J.A. Snurps. Sci. Am., 258(6), 58-63, 1988. Wikowski J. A. The discovery of "split" genes: a scientific revolution. Trends Biochem. Sci., 13 , 110-113, 1988. 16. Crick F.H.C. The genetic code: III. Sci. Am., 215(4), 55-62, 1966. The Genetic Code. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 31 , 1965. 17. Rich A., Kim S.H. The three-dimensional structure of transfer RNA. Sci. Am., 238(1), 52-62, 1978. 18. Lake J.A. The ribosome. Sci. Am., 245(2), 84-97, 1981. Watson J.D. Involvement of RNA in the synthesis of proteins. Science, 140 , 17-26, 1963. Zamecnik P. The machinery of protein synthesis. Trends Biochem. Sci ., 9 , 464-466, 1984. 19. Alman S., Baer M., Guerrier-Takada C., Viogue A. Enzymatic cleavage of RNA by RNA. Trends Biochem. Sci., 11, 515-518, 1986. Cech T. RNA as an enzyme. Sci. Am., 255(5), 64-75, 1986. 20. Cantor C. R., Schimmel P. R. Biophysical Chemistry. Part I: The Conformation of Biological Macromolecules, Chapter 2 and 5. New York, W.H. Freeman, 1980. Creighton Т.Е. Proteins: Structure and Molecular Properties. New York, W.H. Freeman, 1984. Dickerson R.E., Geisl. The Structure and Action of Proteins. New York, Harper and Row, 1969. Schulz G. E., Schirmer R. H. Principles of Protein Structure. Chapters 1 through 5. New York, Springer, 1979. 21. Anfinsen C.B. Principles that govern the folding of protein chains. Science, 181 , 223-230, 1973. Baldwin R.I. Seeding protein folding. Trends Biochem. Sci., 11 , 6-9, 1986. Creighton Т.Е. Disulphide bonds and protein stability. Bioessays, 8 , 57-63, 1988. Rupley J. A., Gratton E., Careri G. Water and globular proteins. Trends Biochem. Sci., 8, 18-22, 1983. Tanford C. The Hydrophobic Effect: Formation of Micelles and Biological Membranes, 2nd ed. New York, Wiley, 1980. 22. Doolittle R.F. Proteins. Sci. Am., 253(4), 88-99, 1985. Milner-White E.J., Poet R. Loops, bulges, turns and hairpins in proteins. Trends Biochem. Sci., 12, 189-192, 1987. Pauling L., Corey R. B. Configurations of polypeptide chains with favored orientations around single bonds: two new pleated sheets. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 37, 729-740, 1951. 170 Pauling L., Corey R. В., Branson H. R. The structure of proteins: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 27, 205-211, 1951. Richardson J. S. The anatomy and taxonomy of protein structure. Adv. Protein Chem., 34, 167-339, 1981. 23. Scott J. E. Molecules for strength and shape. Trends Biochem. Sci., 12 , 318-321, 1987. 24. Hardie D.G., Coggins J.R. Multidomain Proteins - Structure and Evolution. Amsterdam, Elsevier, 1986. 25. Doolittle R. F. The genealogy of some recently evolved vertebrate proteins. Trends Biochem. Sci., 10, 233-237, 1985. Doolittle R. F. Protein evolution. In: The Proteins, 3rd ed. (H. Neurath, R. L. Hill eds.), Vol. 4, pp. 1-118. New York, Academic Press, 1979. Neurath H. Proteolytic enzymec, past and present. Fed. Proc., 44 , 2907-2913, 1985. 26. Biesecker G. et al. Sequence and structure of D-glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase from Bacillus stearother-mophilus. Nature, 266, 328-333, 1977. Blake C. Exons and the evolution of proteins. Trends Biochem. Sci., 8 , 11-13, 1983. Gilbert W. Genes-in-pieces revisited. Science, 228 , 823-824, 1985. McCarthy A. D., Hardie D. G. Fatty acid synthase: an example of protein evolution by gene fusion. Trends Biochem. Sci., 9, 60-63, 1984. Rossmann M.G., Argos P. Protein folding. Annu. Rev. Biocem., 50 , 497-532, 1981. 27. Gehring W.J. On the homeobox and its significance. Bioessays , 5 , 3-4, 1986. Hunter T. The proteins of oncogenes. Sci. Am., 251(27), 70-79, 1984. Siidhof T. C. et al. Cassette of eight exons shared by genes for LDL receptor and EOF precursor. Science, 228 , 893-895, 1985. Weber I. Т., Takio K., Titani K., Steiz T. A. The cAMP-binding domains of the regulatory subunit of cAMP-dependent protein kinase and the catabolite gene activator protein are homologous. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 79, 7679-7683, 1982. 28. Bajaj M., Blundell T. Evolution and the tertiary structure of proteins. Annu. Rev. Biophys. Bioeng., 13, 453-492, 1984. Klug A. From macromolecules to biological assemblies. Biosci. Rep ., 3, 395-430, 1983. Metzler D.E. Biochemistry. New York, Academic Press, 1977. (Chapter 4 describes how macromolecules pack together into large assemblies.) 29. Caspar D.L.D., Klug A. Physical principles in the construction of regular viruses. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., |