Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
Ценнейшие результаты были получены после расчета Фурье-синтеза для миоглобина [44] и лизоцима [59] с разрешением 2 А. В расчетах было использовано до десятка тысяч отражений, расчет производили на самых мощных вычислительных машинах.
При этом разрешении в глобуле миоглобина четко выявились а-спирали, существование которых в глобулярных белках долгое время являлось предметом спора. В молекуле миоглобина
было обнаружено 8 а-спиральных сегментов, содержащих от 7 до 24 остатков аминокислот. Было определено направление вращения этих спиралей — они всюду оказались правыми.
Однако несомненно, что самым интересным явилось определение пространственной ориентации различных аминокислот и первичной структуры из рентгеновских данных [60—64]. Следует подчеркнуть, что ко времени получения этих результатов химических данных о первичной структуре миоглобина еще не было. Была лишь найдена последовательность в некоторых пептидах, полученных из гидролизата миоглобина. Разрешение в 2Ане является достаточным, чтобы точно локализовать все атомы, тем не менее, как показали последующие химические работы, найденная из рентгеновских данных последовательность аминокислот в миогло-бине в основном оказалась правильной. Эти данные в дальнейшем помогли химикам установить чередование пептидов в моле-куле белка.
Первичная структура лизоцима была установлена химическими методами до того, как был рассчитан для него Фурье-син-тез с разрешением 2 А. Таким образом, на долю рентгенографи-стов осталось определение пространственного расположения аминокислот в молекуле этого фермента.
В настоящее время пространственная ориентация аминокислот известна для трех белков — миоглобина, гемоглобина и лизоцима. Хотя для гемоглобина данных об электронной плотности с высоким разрешением еще не получено, тождественность третичной структуры а- и (3-субъединиц гемоглобина и миоглобина, а .также данные о первичной структуре некоторых гемоглобинов позволили эту ориентацию определить.
При анализе пространственной ориентации боковых цепей миоглобина и гемоглобинов обнаружена очень важная особенность. Оказалось, что почти все гидрофобные боковые группы находятся внутри молекул, образуя компактное гидрофобное ядро. В то же время полярные боковые группы расположены на поверхности глобулы и образуют солеобразные или водородные связи с молекулами воды и ионами солей, находящимися в элементарных ячейках кристалла [60—64].
Важнейшим результатом исследований этих белков явилось определение пространственной ориентации аминокислот вблизи функциональных групп. Так было показано, какие аминокислотные остатки должны наиболее сильно влиять на свойства гема. Таким путем удалось точно охарактеризовать и объяснить аномалии, характерные для некоторых «молекулярных болезней» [55, 60].
Активный центр лизоцима особенно хорошо проявился, когда был исследован комплекс лизоцима с ингибитором. На картах разности, распределения электронной плотности для такого комплекса и чистого лизоцима четко выявились положение и контуры
ингибитора [65]. Это дало возможность идентифицировать боковые группы лизоцима, находящиеся в контакте с ингибитором и, следовательно, включающие активный центр. Рентгенографические данные показали, что гистидин никак не может входить в активный центр лизоцима, что являлось предметом споров
Сейчас еще трудно оценить полученные результаты во всей их полноте. По-видимому, они смогут служить основой для объяснения многих химических и физических свойств белков.
Пространственная ориентация функциональных групп, их взаимодействие с другими группами в молекуле — сведения, необходимые для понимания структурных основ биологической специфичности ферментов. Результаты, полученные при рентгеноструктурных исследованиях первых белков — миоглобина, гемоглобина и лизоцима, могут служить хорошей иллюстрацией возможностей метода рентгеновской структурной кристаллографии. Исследования в этом направлении лишь начинаются. Предстоит огромная работа по изучению строения многочисленных ферментов и выявлению общих закономерностей связей их структуры и функций.
2. Исследование строения фибриллярных структур
а. Особенности структуры волокон биополимеров
Биологические полимеры, молекулы которых имеют нитевидную форму, образуют волокнистые, или, иначе, фибриллярные, структуры. Подобные структуры составляют основу многих тканей живого организма. Например, мышечные волокна, соединительная ткань, кожные покровы, роговые образования состоят главным образом из фибриллярных белков.
Нитевидные молекулы ДНК и некоторых видов РНК имеют также определенную тенденцию к образованию волокон. Такие волокна могут быть получены искусственно из концентрированных растворов этих соединений. Легко образуют фибриллярные структуры и высокомолекулярные синтетические полипептиды и полинуклеотиды. Некоторые глобулярные белки могут полимери-зоваться, при этом возникают линейные агрегаты их молекул. Такие «бусы», построенные из глобулярных частиц, также образуют волокна. Волокна могут быть получены и из концентрированных растворов вируса табачной мозаики (ВТМ), так как частицы этого вируса имеют высокую степень асимметрии.
