Молекулярная биология. Структура и функция белков - Степанов В.М.
ISBN 5-06-002573-Х
Скачать (прямая ссылка):
Очевидно, что набор разрешенных конформаций существенно уменьшится, если отойти от рассматривавшейся до сих пор упрощенной схемы и учесть стерическое влияние боковых цепей аминокислот. Было бы нелегко проанализировать вклад всех 19 боковых цепей, однако в этом нет необходимости. Наиболее значительные ограничения на конформационную свободу аминокислотных остатков накладывает появление простейшего заместителя у Са-атома — метальной груп-
Рис. 5.3. Карта Рамачандрана для глицина
Отложена потенциальная энергия для пары пептидных звеньев с остатком глицина между ними (изоэнергетические линии). Для глицина неблагоприятны конформации, занимающие на этой карте крестообразную возвышенность вдоль значений <р и ф, близких к 0е, что соответствует заслоненной конфигурации; обширные понижения (затемнены) отвечают разрешенным областям. Ср. рис. 5.13, на котором показано, что остатки глицина в реальных белках позволяют прилегающим пептидным связям занимать друг относительно друга весьма различные конформации
85
пы в остатке аланина. Дальнейшие усложнения боковой цепи происхо-j дят сравнительно далеко от главной цепи и мало влияют на выбор ею/ оптимальной конформации. Карта Рамачандрана для аланина в до ста-» точном приближении верна и для других аминокислот.
На этой карте (рис. 5.4) выявляются две долины, отвечающие стабильным конформациям, т.е. оптимальным сочетаниям углов <р и ф, и неглубокая впадина. Одна из долин соответствует правой ot-спирали, характерной для белков (<р = —57°, ф — —47°), другая — параллельной (5-структуре (<р = —119°, ф — +113°) и антипараллельной структуре (<р = -139°, ф = +135°).
То, что для обычных аминокислот разрешены лишь две области, две долины на конформационной карте, а значит, и два набора (с известными допусками) углов <р и ф, в какой-то мере предопределяет и ограниченность набора периодических вторичных структур. Так, присоединяя к аминокислотному остатку с набором <р = —57°, ф = —47° другой остаток с примерно такими же двугранными углами, затем третий и т.д., получим периодическую вторичную структуру — о-спи-раль. Точно так же, соединяя в цепь остатки с двумя другими разрешенными наборами углов, придем к двум известным типам Д-структуры.
5.3. РОЛЬ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ В ФОРМИРОВАНИИ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ
До сих пор, обсуждая вторичную структуру, мы рассматривали упрощенную модель поведения аминокислотного остатка в пептидной цепи, концентрируя внимание на стерических ограничениях, которые могут быть вызваны его ближайшими соседями. Следующий шаг, усложняющий картину и вместе с тем приближающий ее к реальности,
— учет нековалентных взаимодействий между ближними остатками в периодической вторичной с1руктуре. При этом мы по-прежпему абстрагируемся от вклада боковых групп и пренебрегаем дальними взаимодействиями с другими частями молекулы.
Главная цепь полипептида содержит только один периодически повторяющийся элемент, способный устанавливать водородные связи,
— пептидную группировку, которая при этом может выступать и как донор, и как акцептор.
Насколько существенной может быть стабилизация вторичной структуры за счет водородной связи? Для ответа на этот вопрос следует учесть фактор,, который до сих пор не рассматривался, — влияние окружающей белок воды. Вода способна эффективно конкурировать за
86
образование водородных связей, имея возможность быть и донором и акцептором:
¦ч.
Вода — донор водородной связи
Н
С-1
¦N
Н
О Вода — акцептор водородной связи
iS Ччн
Можно предвидеть, что влияние воды будет снижаться при формировании компактной пространственной структуры белка, росте содержания пептидных связей, повышении вероятности их взаимодействия друг с другом. Действительно, изучение простейшей модельной системы N-метилацетамида (СНз-CO-ftH-СН3) показало, что при малых его концентрациях образование димеров, например
СН;
---N—СН3
II I
О н
сна
н о
I II
"N—С—СН3
за счет возникновения межмолекулярных водородных связей практически не наблюдается. Лишь при очень высокой концентрации N-метилацетамида .(до 10 М) он практически полностью димеризуется. В отсутствие же воды, например в тегграхлориде углерода, полная диме-ризация достигается уже при 0,2 М концентрации амида.
В белке реализуются оба эти эффекта — пептидные связи сближены, находясь в свернутой цепи, вероятность их встречи примерно такая же, как в 9М растворе N-мегилацетамида. Разумеется, очень существенно и то, что сближение пептидных связей в белке происходит не случайным образом, как в концентрированном растворе амида, а в кооперативной системе. В то же время в компактной белковой1 глобуле полярность окружения пептидной связи значительно меньше,
