ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структура и устойчивость глобулы из "Молекулярная биофизика" Рассмотрим структуру миоглобина и гемоглобина. Эти важные белки были первыми, детально изученными методом рентгеноструктурного анализа о них будет идти речь и в дальнейшем (см. гл. 7). [c.231] Детальный анализ структуры этих белков приводит к важным выводам [ПО—ИЗ]. Внутренность молекулы миоглобина заполнена плотно упакованными неполярными боковыми цепями аминокислотных остатков. То же справедливо для каждой из четырех цепей гемоглобина [114]. Число внутренних остатков равно 36 и включает два Гис, связанных с гемом. С учетом Гли, но не Про, общее число неполярных остатков в цепях гемоглобина лошади равно 72 (в каждой из двух а-цепей) и 78 (в каждой из двух р-цепей). Многие остатки Гли и Ала, будучи слабо гидрофобными, располагаются на поверхности молекулы. Объемистые неполярные боковые цепи, не находящиеся внутри глобулы, спрятаны в выемке вблизи поверхности, что сводит до минимума контакты с водой. Все боковые цепи, ионизуемые при нейтральном pH, находятся на поверхности глобулы. То же справедливо для других полярных боковых цепей, за исключением связанных с гемом Гис и Тре С4, которые соединены водородной связью [ПО]. В целом в миоглобине из 77 полярных групп (включая Три) только 5—6 расположено внутри глобулы, а остальные находятся на ее поверхности [П4]. Изучение гемоглобинов различных видов позвоночных (приматы, лошадь, свинья, кролик, лама, карп, минога) и миоглобинов кашалота и человека показало, что при замещениях 33 внутренних остатков в подавляющем большинстве случаев сохраняется их неполярный характер (табл. 4.12) [П1]. Эти остатки не контактируют с водой. Напротив, на поверхности глобулы имеется 10 инвариантно неполярных остатков. [c.232] Таким образом, исследование миоглобина и гемоглобина подтверждает основное положение, изложенное в предыдущем параграфе, а именно, важнейшее значение гидрофобных взаимодействий, приводящих к образованию неполярного ядра глобулы. [c.233] Вместе с тем в этих исследованиях выявляются важные особенности спиральных участков белковой цепи в глобуле. Анализ участков А, В, Е, G и Н а-спиралей свидетельствует о периодическом расположении в них неполярных аминокислотных остатков [111]. Спиральные последовательности ориентированы в глобуле таким образом, что эти остатки оказываются расположенными именно в ядре глобулы. Спирализация полипептидной цепи термодинамически выгодна для целого ряда аминокислотных остатков, так как она обеспечивает насыщение водородных связей. Но а-спирализация (равно как и образование Р-форм) определяется, вместе с тем, и гидрофобными взаимодействиями. Иными словами, вторичная структура стабилизуется пространственной структурой (третичной структурой) белка. [c.233] Птицын рассмотрел влияние гидрофобных взаимодействий на степень спиральности полипептидной цепи [101]. Имеется ряд данных, свидетельствующих об этом влиянии на структуру синтетических полиаминокислот. Фасман проанализировал стабильность таких полимеров по отношению к действию дихлор- и дифторук-сусной кислот и показал, что стабильность поли-Ь-метионина, поли-Ь-аланина и поли-Ь-лейцина значительно выше, чем у поли-Ь-карбобензокси-Ь-лизина (— (СНа) 4—NH—СОО—СНг— eHs) и поли- -бензил-Ь-глутамата (—(СНг) г—СОО—СНг— eHs) [115]. Включение неполярных боковых групп в водорастворимые полипептиды увеличивает стабильность их спиральных конформаций. Это подтверждается данными для ряда других синтетических полипептидов [116—120]. [c.233] Солевые связи в белках также стабилизируются водным окружением, так как при их образовании освобождаются ориентированные молекулы воды, окружающие заряженные группы. Тем самым появление солевой связи сопровождается увеличением энтропии воды. Этот выигрыш в свободной энергии более значителен, чем ее выигрыш, определяемый кулоновым взаимодействием зарядов [87]. Однако воздействие воды на солевую связь отлично от гидрофобного взаимодействия — солевые связи усиливаются, а гидрофобные ослабляются при добавлении неводных растворителей [101]. [c.233] Рентгенографические исследования других белков подтверждают изложенные представления о влиянии водного окружения на глобулярную структуру. [c.233] Шерага рассмотрел теоретические аспекты проблемы глобулы [4, 121] в предположении, что нативная конформация поли-пептидиой цепи в растворе отвечает минимуму функции, равной сумме потенциальных энергий всех внутримолекулярных взаимодействий и свободной энергии всех взаимодействий белка с растворителем. Принято считать, что нативной конформации глобулы соответствует минимальная свободная энергия (см. [122]). Трудность состоит в том, что нативное состояние представляет собой набор близких друг к другу конформацион-ных микросостояний (вследствие лабильности неупорядоченных участков глобулы). [c.234] Шерага проводит вычисление статистического интеграла для системы глобула — растворитель, учитывающего как внутрипеп-тидные взаимодействия, так и взаимодействия с растворителем. Интегрирование проводится по всем конформациям системы. Потенциальную энергию внутрипептидных взаимодействий определяют по стерическим картам. [c.234] Электростатические взаимодействия находят по закону Кулона, причем основная трудность здесь состоит в оценке диэлектрической проницаемости. Можно считать, что на малых расстояниях от зарядов в белковой глобуле е 5 3,0 [123]. Для водородных связей разумно воспользоваться потенциалом типа потенциала Морзе. Энергию, расходуемую на изменения валентных углов, находят с помощью спектроскопических данных по константам упругости для деформационных колебаний. Подробное описание метода расчета содержится в обзоре Шераги [4]. [c.234] Растворитель (вода) меняет выражение для энергии полипептида ДВОЯКИМ образом. Во-первых, появляется ряд новых членов, описывающих взаимодействия атомов полипептида с растворителем (их приближенная оценка дана Гибсоном и Шерагой [123]). Вычисляется количество воды, удаляемое из окружения каждого атома. Выше приведена таблица соответствующих изменений свободной энергии (табл. 4.13) [4]. Во-вторых, присутствие растворителя меняет энергию взаимодействия любой пары атомов полипептида. [c.235] Проведение таких расчетов для белков до сих пор не осуществлено. Очевидно, ЧТО они встречаются с громадными трудностями. В работах [121, 124] даны некоторые приближенные оценки статистических весов для стабильных конформаций белка и рассмотрена роль крутильных колебаний. [c.235] Описанные статистико-механические расчеты полезны главным образом для рассмотрения процессов интегрального разрушения глобулы — ее денатурации (см. ниже). Подчеркнем снова, ЧТО белковая глобула — не статистическая, но динамическая система, подобная машине, работа которой зависит от расположения и взаимодействия всех ее деталей. [c.236] Упругая сила р, препятствующая деформации глобулы, так же как и в случае статистического клубка, имеет энтропийную природу. [c.239] Статистический анализ, проведенный в работе [178], показывает, что глобула имеет специфическое строение. При Т Гкр или в отсутствие взаимодействия и внешних полей цепь пребывает в состоянии рыхлого статистического клубка, причем флуктуации его плотности имеют порядок величины самой плотности. Клубок совершает непрерывные макроскопические пульсации, и плотность не является термодинамически достоверной величиной (ср. стр. 145). Глобула образуется при включении достаточно большого сжимающего поля или при наличии объемного взаимодействия. Ее структура зависит от характера поля или взаимодействия. [c.240] Ввиду изотропности функции корреляции, глобула, сформированная в отсутствие внешних полей, состоит из плотного сферического ядра, вокруг которого плотность постепенно убывает до нуля, т. е. глобула имеет опушку . С уменьшением температуры плотность в опушке падает подобно плотности пара над жидкой каплей. Вследствие взаимосвязи звеньев в цепи при достаточно низкой температуре короткая цепь может образовать глобулу без опушки непосредственно из клубка. В работе [178] показано, что переходы между тремя возможными состояниями гомополимерной цепи (клубок, глобула с опушкой, глобула без опушки) являются фазовыми переходами первого рода там же построена соответствующая фазовая диаграмма. [c.240] Тем самым, очень длинная цепь не может свернуться в одну глобулу, она должна образовать несколько глобул. Возможно, что именно этим ограничением определяются относительно малые размеры молекул моноглобулярных белков, содержащих обычно около 150 аминокислотных остатков и имеющих молекулярный вес порядка 20 ООО. [c.241] Работы [1, 178] имеют принципиальное значение для физики белка. Статистико-термодинамический анализ, основанный на учете линейной памяти в цепи, объясняет общие свойства белковых глобул. Необходимо дальнейшее развитие этих идей применительно к гетерополимерным цепям. В то же время решение проблемы самоорганизации глобулы требует исследования и кинетических факторов. По-видимому, для надежной самоорганизации в длинной цепи необходимо, чтобы кинетические и термодинамические требования совпадали, т. е. чтобы энергетически оптимальная конформация цепи обладала простейшей топологией и была кинетически достижимой. [c.242] Вернуться к основной статье