Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Для решения вопроса о применимости обсуждаемой схемы к ограниченному кругу белков рассмотрим конкретный пример с а-химо-трипсином — белком, который во всех работах последних лет, вслед за Левиттом и Чотиа [2181, относят к группе ф) и структурную организацию которого трактуют в полном соответствии со схемой Шульца и Ширмера через ассоциацию вторичных структур в супервторичные, последние в домены, домены в окончательную трехмерную физиологически активную структуру. а-Химотрипсин представляет собой трехцепочечный белок с коротким участком А (13 остатков) и более длинными участками В и С (соответственно 131 и 97 остатков), которые образуются при активации химотрипсиногена Аа посредством расщепления его трипсином. На рис. II.7 показан ход основной цепи нативной конформации фермента, полученной Бирктофтом и Блоу при рентгеноструктурном исследовании белка с разрешением 2,0 А [221]. Считается, что трехмерная структура а-химотрипсина включает два домена, один из которых составляет N-концевой участок (1—128), 310
Рис. 11.7. Ход полипептидной цепи а-химотрипсина [221]
а другой — С-концевой (129—245). В данном случае такое разделение глобулы белка условно, поскольку домены явно не проявляются на картах электронной плотности и лишь с трудом обнаруживаются специальным корреляционным методом, учитывающим взаимное расположение остатков в линейной последовательности и пространстве. Каждый из доменов содержит по семи (3-тяжей, которые образуют четыре антипараллельных Р-складчатых листа и две супервторичные структуры ((3(3(3), также с антипараллельным ходом цепи. Размер (3-структур колеблется от трех остатков до семи. Второй домен, кроме того, включает две а-спирали из восьми и десяти остатков. Из 241 остатка, образующего белок, в (3-структуры входят 66 остатков (27%). а в а-спирали — 18 (7%). Таким образом, две трети остатков а-химо-
311
Рис. II.8. Схема уровней структурной организации а-химотрипсина (по Шульцу и Ширмеру) [157]
трипсина образуют нерегулярные области нативной конформации. Заметим, что и выделенные вторичные структуры также не отличаются регулярностью. Разброс значений углов, усредненных по 14 3-структурам, равен около 70°, а углов ф — 45°; у а-спиралей разброс углов ф составляет 65°, а ф — 60°.
Теперь, следуя схеме Шульца и Ширмера (рис. II.4), опишем образование нативной конформации фермента, а затем сопоставим предполагаемый ступенчатый процесс ее образования с приведенными выше опытными фактами. Конечно, речь не идет о строгом доказательстве соответствия гипотетического представления реальной картине. Вопрос заключается только в выяснении возможности описания спонтанного процесса свертывания белковой цепи в нативную конформацию через регулярные структуры разных степеней сложности. На рис. II. 8 изображены уровни структурной организации а-химотрипсина, отвечающие схеме Шульца и Ширмера. Сначала на локальных участках неструктурированной белковой цепи образуются короткие регулярные 3-тяжи и а-спирали, которые, как считают, энергетически более предпочтительны по сравнению с любыми другими структурами и поэтому возникают прежде всего. После возникновения единичных вторичных структур создаются (3-складчатые листы и супервторичные структуры. Их возникновение объясняется энергетической предпочтительностью или предпочтительностью в отношении кинетики процесса свертывания белка. Далее, между (3-структурами а-химотрипсина осуществляются
312
избирательные взаимодействия, которые приводят к формированию доменов, являющихся самыми крупными элементами свертывания белка. Их ассоциация создает окончательную трехмерную структуру. По Шульцу и Ширмеру, топология конформации а-химотрипсина представляется в виде двух цилиндрических образований из (3-структур (рис. II.8) [157]. Каждый цилиндр имеет приближенную внутреннюю симметрию группы С2у Создающая цилиндр полипептидная цепь изгибается только в определенных местах и регулярна на всех локальных участках. Модель белковой молекулы, внешне созданная из (3-структур, супервторичных структур и доменов, ничего общего не имеет с моделью, построенной на основе экспериментальных данных (рис. II.7), а цилиндрические домены I и II лишь отдаленно напоминают пространственное строение соответствующих фрагментов нативной конформации а-химотрипсина. Но дело, конечно, не во внешнем сходстве. Важно, чтобы гипотетическая модель правильно передавала суть наблюдаемой структуры и отражала основные ее особенности. Однако и в этом отношении между сравниваемыми структурами практически нет ничего общего. Согласно экспериментальным данным, у а-химотрипсина имеется 14 (3-структурных участков, а на постройку цилиндров нужно только 12. Две (3-структуры не обнаруживаются в гипотетической модели. Кроме того, в ней отсутствуют даже а-спирали, так как а-химотрипсин был включен в группу (3-белков, которым они не характерны.
Рассмотренный пример не является исключением. Так, С-концевой полипептид папаина из 110 остатков, представляющий собой достаточно автономную область трехмерной структуры, был отнесен, как и а-химотрипсин, к (3-структурным белкам [157]. Следовательно, формирование его конформации должно проходить в принципе так же, как у рассмотренного фермента. Но С-концевой домен папаина содержит лишь восемь (3-структурных остатков и приходится описывать весь процесс укладки, не воспользовавшись другими 102 остатками, в том числе 11 а-спиральными. Еще один пример. Инсулин причислен к а-структурной группе [157]. Поэтому при сборке его структуры не замечается уже (3-структурный участок. Принципиальный недостаток схемы уровней структурной организации глобулярных белков Шульца и Ширмера заключается в том, что в ней не учитывается существование нерегулярных участков полипептидной цепи, иными словами, сборка третичной структуры представляется только путем ассоциации вторичных и супервторичных структур и состоящих из них доменов. И такое представление не претерпело каких-либо изменений и остается общепринятым и сегодня. В 1989 г., т.е. спустя десять лет после выхода в свет монографии Г. Шульца и Р. Ширмера, Г. Фасман писал: ’’...стало очевидно, что третичное свертывание определяется главным образом упаковкой а-спиралей и/или 3-структур... Супервторичные структуры являются главными компонентами доменов, которые, будучи собранными, составляют трехмерные конформации белков [238. С. 2361.
