ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структурные изменения белков из "Биофизика Т.1" Нативная трехмерная структура устанавливается в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. В биохимии хорошо известно, что изменение конформационного состояния молекулы белка за счет различных внешних воздействий (pH, температура, ионный состав) отражается и на его функциональной активности. Возникает вопрос насколько остается стабильной структура белка в самом процессе его функционирования и не претерпевает ли она изменений, непосредственно связанных с протеканием реакции, в которую вовлечена молекула белка Иными словами, вопрос заключается в том, какой собственной конформационной подвижностью обладает структура биополимеров, в чем состоит ее природа и каково ее функциональное значение Сформулированная таким образом проблема имеет огромное значение для понимания молекулярных механизмов функциональной активности биомакромолекул и участия их в фундаментальных биологических процессах. Речь идет о выполнении принципа единства структуры и функции в биологии на макромолекулярном уровне. [c.256] Известно, что характерные времена многих внутримолекулярных превраш е-ний, в том числе ферментативных процессов в биоструктурах, не превышают 10 -10 с, а подчас могут быть и на несколько порядков короче. Очевидно, сопрово-ждаюш ие их конформационные перестройки также должны происходить весьма быстро. Однако за столь короткие времена они не могут затронуть сразу глубоко всю макромолекулярную структуру и поэтому должны на первых стадиях носить локальный микроконформационный характер, вызывая смеш ения лишь отдельных атомных групп. Распространение таких локальных смеш ений на остальные области макромолекулярной структуры приведет уже к обш ему конформационному изменению молекулы биополимера. Только в последние годы благодаря разработке и внедрению новых методов удалось преодолеть экспериментальные трудности и получить непосредственную информацию о такого рода внутримолекулярной подвижности биополимеров. [c.256] Вначале будут приведены данные о конформационных изменениях белков, тесно связанных с их функциональной активностью, а затем рассмотрены природа и физические механизмы конформационной подвижности биомакромолекул. [c.256] Миоглобин (переносчик кислорода в мьппцах) содержит один гем и одну полипептид-ную цепь, включаюп1ую 153 остатка, которые распределены в основном по 8 а-спираль-ным участкам (А — Н). Гем, в центре которого расположен атом Ре, находится между спиралями Е т Р. [c.257] В этом случае ион железа находится в окружении шести отрицательно заряженных лигандов, расположенных на осях х, у, г октаэдрического комплекса. Электрическое поле лигандов приводит к тому, что с -орбитали начинают различаться по энергии орбитали и (1х2-у2 обладают более высокой энергией, чем другие с -орбитали рис. Х.2). [c.257] Спиновое состояние центрального атома в комплексах определяется характером лигандного окружения симметрией, силой связывания лигандов в комплексе. В силу этого изменения в лигандном окружении могут приводить к изменениям в спиновом состоянии иона металла, что, в свою очередь, может вызывать изменения конформации белка, с которым связан ион металла. [c.258] Изменения спинового состояния ионов Ре, индуцированные присоединением субстратов, сменой температуры, были продемонстрированы для ряда гемопротеинов. Переход иона Ре из низкоспинового в высокоспиновое состояние увеличивает диаметр иона и приводит к выходу его из плоскости гема, что обусловливает и конформационные изменения в ближайшем белковом окружении гема. [c.258] Мы приведем еш е два примера кооперативных взаимодействий в белках, игра-юш их важную роль в их каталитической активности. [c.259] Фосфорилаза — ключевой фермент в процессах трансформации химической энергии гликолиза. В активном состоянии фосфорилаза катализирует фосфорилирование гликогена с освобождением глюкозы-1-фосфат. Фермент представляет собой димер из двух идентичных субъединиц, содержащих по 842 аминокислотных остатка каждый. [c.260] Перевод фермента, состоящего из 1684 аминокислотных остатков, в активное состояние за счет фосфорилирования одной пары остатков серина является ярким примером кооперативных взаимодействий в белке. Рентгеноструктурный анализ различных форм фосфорилазы — неактивной Г-формы и активной 7 -формы, позволили выяснить механизмы процесса аллостерической активации. Ядро каждой из субъединиц состоит из -складок, окруженных а-спиральными участками. Па каждой из субъединиц расположены каталитический центр, остаток фосфат-серина, а также участки белка, связывающие активатор АМФ и ингибитор глюкозо-6-фосфат. [c.260] Область контакта между субъединицами в димере фосфорилазы занимает не более 10% всей поверхности глобулы, что облегчает ее внутримолекулярную подвижность. Места связывания эффекторов и каталитический центр находятся далеко друг от друга. Так, фосфат-серин и участок связывания АМФ разделены на расстояние 15 А, а расстояние от них до ближайшего каталического центра превышает 30 А. Между каталитическими центрами на субъединицах расстояние составляет не менее 60 А. Тем не менее, присоединение лиганда к любому из этих мест влияет на состояние всех остальных. [c.260] Фосфорилирование серина 14 изменяет характер связи на границе между субъединицами, что сопровождается упорядочиванием расположения 16 аминокислотных остатков ЛГ-конца и разрыхлением расположения 5 остатков на С-конце. [c.260] В свою очередь это сопровождается изменением водородных связей, солевых мостиков в глобуле, образованных фосфат-серином 14 и двумя аргининами, а также гистидином и аспартатом из двух субъединиц. [c.260] Аллостерический переход заключается во вращении на 10° двух субъединиц. Их вращение влияет на положение двух а7- и а8-спиралей, которые образуют мостик между каталитическим центром и регуляторным участком соседних субъединиц (рис. Х.За). Угол между а-спиралями резко меняется при переходе от Г-формы к 7 -форме фермента. [c.260] Петля в а7-спирали закрывает доступ субстрата к центру (замок) в Г-форме. Она разрушается, а центр открывается в 7 -форме. Таким образом, фосфорилирование серина вблизи границы между субъединицами дает начало аллостерическим превращениям, которые распространяются на всю глобулу с помощью а7- и а8-спиралей, изменяющих свое взаимное расположение. [c.260] Движения элементов четвертичной структуры здесь связаны с замыканием и раскрытием полипептидных петель, которые тянут за собой субъединицы наподобие рычагов. [c.261] Экспериментальное изучение релаксации неравновесных состояний в НЬ и МЬ проводят импульсными методами, позволяющими создать за короткое время большие концентрации неравновесных форм, отличающихся определенными спектральными свойствами. Последующее изменение во времени этих свойств, например коэффициентов поглощения при определенных длинах волн, позволяет судить о кинетике превращения соответствующих неравновесных состояний. [c.262] Эксперименты по фотодиссоциации карбоксигемоглобина, проводимые методом импульсного фотолиза с помощью лазерных импульсов, показали образование короткоживущих неравновесных состояний восстановленного гемоглобина. Оказалось также, что собственно фотодиссоциация НЬ Ог проходит через 10 -10 с и связана с конформационными изменениями в области гема. Ей, однако, предшествует образование короткоживущего промежуточного состояния т 10 с. [c.262] Методом импульсного радиолиза достигается быстрое (т 10 с) восстановление иона металла в активном центре металлопротеина электронами, которые образуются во время радиолиза. Таким образом проводили восстановление ферри-гемоглобина и его комплексов с ОН , Е , N , N3 термолизованными электронами (Л. А.Блюменфельд). Восстановление атома железа до Ее + происходит в этих условиях в конформации белка, соответствующей исходной ферриформе (Ее +), так что белок в первые моменты находится в неравновесном состоянии. При низкой температуре (77 К) неравновесные восстановленные формы можно зафиксировать и идентифицировать по характерным особенностям в спектрах поглощения. Гемовое железо Ее в этих неравновесных белках находится в низкоспиновом состоянии в отличие от равновесных белков, где оно исходно высокоспиновое. Конформационная релаксация к равновесному состоянию протекает в несколько стадий с константами скоростей порядка от 1-10 до 10 -10 с . [c.262] Вернуться к основной статье