ЛЕКЦИИ: ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ БЕЛКА
 


Лекция 10

           Обсудим теперь свойства боковых групп аминокислотных остатков. В особенности я хочу остановиться на том, какие именно структуры стабилизуют те или иные остатки.
           Список 20 "стандартных", т.е. кодируемых ДНК аминокислотных остатков дан в Таблице 10/1; там же дан их молекулярный вес и встречаемость в белках. Структуры аминокислотных остатков представлены на картинке 10-1.
     


          Таблица 10/1. Основные свойства аминокислотных остатков
      

    _____ Аминокислотный остаток _____ % в белках E.coli Мол вес при pH7 (дальтон) DGвода®спирт
    бок. группы при 250С (ккал/моль)
    название код
    3-букв. 1-букв.
    Глицин Gly G 8 57 0
    Аланин Ala A 13 71 -0.4
    Пролин Pro P 5 97 -1.0
    Глутаминовая кислота Glu E »6 128 +0.9
    Глутамин Gln Q »5 128 +.03
    Аспарагиновая кислота Asp D »5 114 +1.1
    Аспарагин Asn N »5 114 +0.8
    Серин Ser S 6 87 +0.1
    Гистидин His H 1 137 -0.2
    Лизин Lys K 7 129 +1.5
    Аргинин Arg R 5 157 +1.5
    Треонин Thr T 5 101 -0.3
    Валин Val V 6 99 -2.4
    Изолейцин Ile I 4 113 -1.6
    Лейцин Leu L 8 113 -2.3
    Метионин Met M 4 131 -1.6
    Фенилаланин Phe F 3 147 -2.4
    Тирозин Tyr Y 2 163 -1.3
    Цистеин Cys C 2 103 -2.1
    Триптофан Trp W 1 186 -3.0

    Примечания. Все данные взяты из [3],   —  за исключением данных по гидрофобности боковых групп, которые взяты из I.I.Fauchere, V.Pliska, Eur. J. Med. Chem.-Chim. Ther. (1983) 18:369. Объем (в 3), приходящийся на аминокислотный остаток в белке или в растворе, близок к его молекулярному весу в (дальтонах), умноженному на 1.3. Точнее,  —  процентов на 5 побольше, чем (мол. вес) x 1.3, если в остатке много алифатических (-СН2-, -СН3) групп, и процентов на 5 поменьше, чем (мол. вес) x 1.3, если в остатке много полярных (О, N) атомов.
     
     
     

           Рис.10-1. Боковые цепи двадцати стандартных аминокислотных остатков.
     


           Рассмотрим теперь структурные тенденции аминокислотных остатков; они стали известными после многолетнего статистического исследования белковых структур. Такие исследования отвечают на вопрос: "Что чаще всего бывает, и чего чаще всего не бывает?".
           Для систематизации ответов полезной может быть следующая ниже Таблица 10/2, куда я вписал, наряду со встречаемостью аминокислотных остатков в разных местах белков, такие свойства остатков, как: наличие NH группы в главной цепи (ее нет только у иминокислоты пролина); наличие Сb атома в боковой цепи (его нет только у глицина); число не-водородных g атомов в боковой цепи; наличие и вид полярных группировок в боковой цепи (диполей или зарядов  —  со знаком; жирным выделено то зарядовое состояние, что относится к "нормальному" рН7).
     
     

          Таблица 10/2. Основные структурные свойства аминокислотных остатков

    A.к. Наличие число Диполь/заряд pK Яркая тенденция быть в:
    ост. NH Cb g до спираль за клубок ядро
    aN |aN a aC| aC b
    Gly - - +
    Ala + -
    Pro 1 + - - - - +
    Glu 1 COOH Ю CO2- 4.3 + + - - - -
    Asp 1 COOH Ю CO2- 3.9 + + - - - - + -
    Gln 1 OCNH2 -
    Asn 1 OCNH2 + - + - + -
    Ser 1 OH + +
    His 1 NH; и N Ю NH+ 6.5 - + +
    Lys 1 NH2 Ю NH3+ 10.5 - - + + - -
    Arg 1 HNC(NH2)2+ 12.5 - - + + - + -
    Thr 2 OH + +
    Ile 2 + - +
    Val 2 + - +
    Leu 1 + + - +
    Met 1 + + - +
    Phe 1 + - +
    Tyr 1 OH Ю O- 10.1 - + +
    Cys 1 SH Ю S- 9.2 - + +
    Trp 1 NH + +


    Примечания. К "структурным свойствам" отнесена тенденция быть в a-спирали (a), и особо   —  в ее N- и С-концевых витках, а также  —  непосредственно перед N- и за С-концом спирали; тенденция быть в b-структуре; тенденция быть в нерегулярных структурах, т.е. "петлях" (включая сюда и b-изгибы цепи); и, наконец, —   тенденция быть в гидрофобном ядре глобулы, а не на ее поверхности. Тенденцию "быть" я отмечал значком "+", "не быть "  —  значком "-". Жирным значком отмечалась особо сильная тенденция.
     
     

           Попробуем понять основные закономерности этой таблицы исходя из того, что мы уже изучили. При этом мы будем использовать следующую логику: так как белок в целом стабилен  —   значит, он должен в основном состоять из стабильных элементов, т.е. именно они должны наблюдаться в его структуре чаще всего, а нестабильные должны наблюдаться редко.

           Почему пролин не любит вторичной структуры?  —  Потому, что у него нет NH-группы в главной цепи, т.е. у него вдвое уменьшена возможность завязывать водородные связи  —  а именно на них и держится вторичная структура. Почему он, тем не менее, любит N-конец спирали?  —  Потому, что здесь, на N-конце, NH-группы "торчат" из спирали  —  т.е. они и так не вовлечены в водородные связи  —   и здесь пролину нечего терять... С другой стороны, угол j в пролине фиксирован его кольцом примерно при -60о  —  т.е. его конформация уже почти "готова" для a-спирали (Рис.10-2а).
     
     
     

          Рис.10-2. Запрещенные и разрешенные конформации различных аминокислотных остатков и  —  на их фоне  —  конформации a и b структуры. (а) Разрешенные () для пролина конформации на фоне конформаций, разрешенных для аланина ();   —  конформации, запрещенные для них обоих. (б) Разрешенные () конформации аланина на фоне конформаций  , разрешенные лишь для глицина;    —  области, запрещенные для всех остатков. (в) Карта запрещенных () и разрешенных () конформаций более крупных остатков. В области  разрешены все конформации боковой группы по углу c1, в области  часть углов c1 запрещена.
     
     

           Почему глицин не любит вторичной структуры и предпочитает нерегулярные участки ("клубок")?  —  Потому, что для него допустима очень широкая область углов (jy) на карте Рамачандрана (Рис.10-2б),  —  ему легко принимать самые разнообразные конформации, лежащие вне вторичной структуры.
           Наоборот, аланин  —  с более узкой, но включающей и a, и b конформацию разрешенной областью на карте Рамачандрана (Рис.10-2б)  —  предпочитает нерегулярным конформациям a-спираль (и отчасти b-структуру).
           Остальные гидрофобные остатки (т.е. остатки без зарядов и диполей в боковой цепи) предпочитают, как правило, b-структуру. Почему? Потому, что их крупные g-атомы могут там располагаться более свободно (Рис.10-2в). Особенно это важно для боковых групп с двумя крупными g-атомами  —  и, действительно, они любят b-структуру особенно сильно.
           А вот аминокислоты с полярными группами в боковых цепях предпочитают нерегулярные участки ("клубок"), где эти полярные группы могут завязать водородные связи. Особенно заметна эта тенденция для наиболее полярных, заряженных при "нормальном" рН7 остатков, и для самых коротких (см. Рис.10-1), наиболее приближенных к главной цепи полярных боковых цепей. Кстати, по той же причине,  —  поскольку у них там есть возможность завязать дополнительную водородную связь,  —  короткие полярные боковые группы любят места у обоих концов спирали.
           Некое исключение среди аминокислот с диполями в боковой цепи составляют триптофан и тирозин, имеющие маленький диполь на фоне большой гидрофобной части, и цистеин, у которого (т.е. у SН-группы которого) водородные связи совсем слабые. Они ведут себя, в общем, так же, как гидрофобные остатки.

           Мы видим также, что отрицательно заряженные боковые группы предпочитают N-конец спирали (точнее: N-концевой виток и один-два остатка перед ним) и не любят С-концевой виток (и пару остатков за ним), а положительно заряженные  —  предпочитают C-конец спирали и не любят ее N-конец. Почему? —  Потому, что на N-конце из спирали торчат NH-группы и на нем образуется заметный положительный заряд, и "минусы" боковых цепей притягиваются к нему, а "плюсы"  —  отталкиваются от него (Рис.10-3). А С-конец спирали заряжен, наоборот, отрицательно,  —  и там эффект противоположен: около С-конца любят собираться "плюсы" боковых цепей, а "минусы" его избегают.
     
     
     

                   Рис.10-3.



           Что касается расположения остатков внутри белка или на его поверхности  —  здесь общая тенденция заключается в том, что полярные (гидрофильные) боковые группы находятся снаружи, где они могут контактировать с полярной же водой ("подобное растворяется в подобном"!). Отрываться от воды полярным группам плохо  —   теряются водородные связи. Особенно плохо отрываться заряженным группам: переход из среды с высокой диэлектрической проницаемостью (из воды) в среду с низкой (ядро белка) ведет к большому повышению свободной энергии. И действительно,  —  ионизированных групп внутри белка практически нет (а почти все исключения связаны с активными центрами  —  ради которых, собственно, белок и создан...).
           Наоборот, большинство гидрофобных боковых групп находятся внутри белка  —  они-то и создают здесь гидрофобное ядро (опять: "подобное растворяется в подобном"!). Мы уже говорили, что гидрофобность группы тем больше, чем больше ее неполярная поверхность: именно ее нужно упрятать от воды. Для чисто неполярных групп гидрофобный эффект прямо пропорционален их поверхности, а для групп с полярными вкраплениями  —  их поверхности, за вычетом поверхности этих вкраплений.
           Слипание гидрофобных групп  —   главная движущая сила образования белковой глобулы. Главная, но не единственная  —  еще есть образование водородных связей во вторичной структуре (о чем мы уже говорили) и образование плотной, квазикристаллической упаковки внутри белка (о чем мы еще поговорим в свое время).
           Для создания гидрофобного ядра белковой цепью, она должна входить в него с уже насыщенными водородными связями  —  ведь иначе ее полярным пептидным группам от воды придется оторваться, а разрыв водородной связи дорог. Поэтому в гидрофобное ядро вовлекается цепь, уже образовавшая (или образующая при этом) вторичную структуру и тем самым насытившая водородные связи пептидных групп в главной цепи. Однако при этом в ядро должны увлекаться только гидрофобные остатки вторичной структуры, а входящие в нее полярные остатки должны остаться вне ядра,  —  потому и на a-спиралях, и на b-структурных участках выделяются гидрофобные и гидрофильные поверхности; для их создания необходимо определенное чередование соответствующих групп в белковой цепи (Рис.10-4).
     
     
     

           Рис.10-4. Боковые группы, которые (если все они  —  неполярные) могут формировать единые гидрофобные поверхности на a-спиралях и на b-структурных участках. Аналогичные сочетания полярных групп в цепи приводят к образованию гидрофильных областей на противоположных поверхностях на a-спиралей и на b-тяжей.
     
     

           Все закономерности, о которых мы сейчас говорили, используются как для конструирования искусственных белков, так и для предсказания  —  по аминокислотным последовательностям  —   вторичной структуры белков, а также для предсказаний тех участков их цепи, что глубоко погружены в белок,  —  или, наоборот, тех участков, что лежат на поверхности белка. К этим вопросам мы еще вернемся.

           В заключение  —  еще немного о заряженных (или, точнее, ионизуемых) боковых группах. Повышение рН всегда делает группу "более отрицательной"  —  нейтральная группа приобретает отрицательный заряд, а положительно заряженная  —  разряжается, см. Рис.10-5. Переход из незаряженного в заряженное или из заряженного в незаряженное состояние происходит у разных групп при разных рН, однако ширина перехода при этом всегда одна и та же  —  около 2 единиц рН (в этом интервале отношение заряженной и незаряженной форм меняется от 10:1 до 1:10).
           Следует обратить особое внимание на группы, переходящие из незаряженного в заряженное состояние при рН близком к 7, характерном для жизни белка в клетке: именно такие легко перезаряжаемые группы (и особенно гистидин) часто используются в активных центрах белков.
     
     
     

          Рис.10-5. Заряженность ионизуемых боковых групп, а также N-конца пептидной цепи (NH2-Ca) и ее С-конца (Ca-C'OOH) при разных рН.
     


ЛЕКЦИИ: ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ БЕЛКА


2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования