Молекулярная биология. Структура и функция белков - Степанов В.М.
ISBN 5-06-002573-Х
Скачать (прямая ссылка):
87
чем в воде. Сложение этих двух факторов и делает водородную связь между пептидными группировками весьма важным структурообразующим фактором.
Таким образом, стабильность вторичной структуры существенным образом зависит от ее включения в компактную третичную структуру белка. Напротив, в пептидах из-за меньшего их размера вторичная структура не обеспечивает необходимой стабильности. Так, даже довольно длинный природный пептид — глюкагон, содержащий 29 аминокислотных остатков, — существует в растворе как равновесная смесь конформеров, и только при образовании комплекса с белком-рецептором, т.е. при включении в компактную структуру за счет нековалент-
*
ных взаимодействий, он образует а-спираль.
5.4. «-СПИРАЛЬ
В 50-х годах JI.Полинг и Р.Кори, основываясь на данных о структуре кристаллов аминокислот и простых нептидов, рассмотрели возможные периодические конформации полипептидной цепи и пришли к выводу, что наиболее вероятна структура, названная ими а-спиралъю. При этом в основу выбора именно этой вторичной структуры были положены следующие критерии:
1. Образование плотноупакованной компактной структуры без пустот и перекрывания атомов.
2. Максимальная насыщенность структуры водородными связями с тем условием, чтобы геометрия водородной связи 0*”H**’N была близка к линейной.
3. Соблюдение межатомных расстояний и углов, свойственных аминокислотам и простым пептидам.
С соблюдением этих условий можно построить как правую, так и левую а?-спирали, однако правая о-спираль оказывается энергетически несколько выгоднее левой, если пептидная цепь образована L-амино-кислотами. Левой о-спирали отвечает на карте Рамачандрана небольшая впадина с углами <р = +57° и ф — +47°. Теоретические выводы Полинга и Кори в дальнейшем полностью оправдались. «-Спираль, действительно, представляет собой один из основных, хотя и не единственный тип вторичной структуры.
а?-Спираль характеризуют следующие параметры. Теоретически предсказанные величины двугранных углов <р = —58°, ф = —41°; средние значения, по данным рентгеноструктурного анализа 57 белков, <р = —62°, ф — —41°. Ее радиус равен 2,3 А1, высота подъема спирали,
1 1 А = ОД нм.
88
приходящаяся на один аминокислотный остаток, — 1,5 А, среднее число остатков на один оборот — 3,6, шаг спирали (т.е. высота, на которую пептидная цепь поднимается за один оборот) — 5,4 А. Все карбонильные группы в о-спирали ориентированы в одном направлении — вперед, если считать по ходу пептидной цепи, от аминного конца к карбоксильному, а №"-Н-группы — назад.
А Б В
Рис. 5.5. Правая о-спираЛь. А - показаны только Са-атомы; Б - все атомы скелета пептидной цепи; В - более полная структура
Пептидная цепь (от N- к С-концевому остатку) направлена сверху вниз. Водородные связи соединяют карбонильный кислород *-го остатка с водородом NH-группы (i + 4)-го. В пространстве соседствуют боковые цепи аминокислот, разделенных двумя или тремя остатками. Размещение атомов в спирали кажется свободным только потому, что они для наглядности показаны в уменьшенном масштабе. С учетом реальных радиусов атомов а-спираль представляет собой плотно упакованную структуру, лишенную внутреннего канала и не проницав емую даже для воды. В проекции на ось спирали расстояние между соседними Са атомами составляет 1,5 А, угол поворота, приходящийся на один остаток, равен 100°. На полный поворот спирали (360°) приходится 3,6 остатка
89
Между 0=0- и N—Н-группами устанавливаются водородные связи (рис. 5.5.) так, что карбонильная группа i-ro остатка образует связь с N—Н-группой (i + 4)-го, карбонильная группа (i + 1)-го — с N-Н-груп-пой (i + 5)-го и т.д. То, что "над" карбонильной группой i-ro остатка оказывается NH-группа, а не карбонил.(i + 4)-го остатка, примерно и соответствует 3,6 остатка на оборот спирали.
Каждая пептидная группа поляризована и характеризуется определенным диполъным моментом, причем отрицательный заряд концентрируется на кислороде карбонильной группы, а положительный — на атоме азота. Из-за однонаправленности пептидных групп в а-спирали их дипольные моменты согласуются и а-спираль как целое приобретает дипольный момент, на ее концах концентрируются частичные отрицательный и положительный заряды, что может играть в белке существенную функциональную роль.
Возможности образования водородных связей между пептидными группами в а-спирали использованы сполна. В этом смысле а-спираль является как бы насыщенной, внутренне замкнутой. Она не способна (в отличие от /9-структуры) к взаимодействию с другими элементами вторичной структуры за счет образования водородных связей между пептидными группами.
В формировании пространственной структуры белка важную роль играют нековалентные контакты, в которых участвуют боковые цепи аминокислот, входящих в а-спираль. При этом существенно, что на поверхности отпирали оказываются сближенными боковые цепи аминокислот, разделенных двумя или тремя остатками в пептидной цепи. Бели в этих позициях находятся гидрофобные аминокислоты, они Образуют своеобразный гидрофобный гребень. Взаимодействие между такими гребнями используется как способ упаковки а-спиралей в пространственной структуре белка. Точно так же могут быть образованы и гидрофилъ-
