Volume1
.pdf
198 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.3.6.Повторноесворачивание(рефолдинг)денатурированногобелка.а)Этотэксперимент,впервые выполненныйболее40летназад,демонстрирует,чтоконформациябелкаопределяетсяисключительно его аминокислотной последовательностью. б) Структура мочевины. Мочевина очень хорошо растворима в воде и при высоких концентрациях разворачивает белки, для этого ее концентрация должна соответствоватьприблизительноодноймолекулемочевинынашестьмолекулводы.
заполненной множеством молекул, шапероны оберегают временно открытые гидрофобные области в недавно синтезированных белковых цепях от взаимной ассоциации с образованием белковых агрегатов (см. разд. 6.2.8). Тем не менее окончательная трехмерная структура белка все же определяется его аминокислотной последовательностью: шапероны попросту повышают надежность процесса фолдинга.
Белки являют нам большое разнообразие форм, а их длина, как правило, составляет от 50 до 2 000 аминокислот. Крупные белки обычно состоят из нескольких обособленных белковых доменов — структурных единиц, которые сворачиваются более или менее независимо друг от друга, что мы обсудим ниже. Так как в точности представить структуру белка довольно сложно, для ее изображения прибегают к нескольким различным способам, каждый из которых подчеркивает определенные особенности оной.
Вприложении 3.2 (стр. 200–201) представлены четыре различных рисунка белкового домена, получившего название SH2, который выполняет важные функции в клетках эукариот. Белковый домен SH2 построен из цепочки, включающей
всебя 100 аминокислот; его структура приведена в виде: а) модели основной цепи полипептида, б) ленточной модели, в) каркасной модели, которая включает в себя боковые цепи аминокислот, и г) полусферической (объемной) модели. В трех горизонтальных рядах белок показан в различной ориентации и изображение окрашено таким образом, что можно проследить полипептидную цепь — от N-конца
(фиолетовый) до C-конца (красный).
Вприложении 3.2 показано, что даже для такой малой структуры, как домен SH2, конформация белка удивительно сложна. Но описание структуры белков может быть упрощено, потому что они построены из комбинаций нескольких известных структурных мотивов, что мы обсудим позже.
3.1.3. Наиболее распространенные способы укладки полипептидной цепи — это α-спираль и β-лист
При сравнении трехмерных структур множества различных белковых молекул становится ясно, что, хотя общая конформация каждого белка уникальна, в укладке их областей чаще всего встречаются два типа структур. Обе формы
Глава 3. Белки 199
открыты более 50-ти лет назад в ходе исследований волос и шелка. Первой в этой череде открытий, относящихся к укладке полипептидной цепи, стала структура, названная α-спиралью, которая была обнаружена в белке α-кератине — им изобилует кожа и ее производные, такие как волосы, ногти и рога. Спустя год после открытия α-спирали в белке фиброине, основном компоненте шелка, была обнаружена вторая форма укладки, названная β-листом. Эти две формы укладки полипептидной цепи особенно распространены, потому что представляют собой результат водородных взаимодействий между группами N–H и C=O в основной цепи полипептида — без участия боковых звеньев аминокислот. Таким образом, две эти укладки могут формироваться в белках с различной последовательностью аминокислот. В каждом случае белковая цепь принимает регулярную, повторяющуюся конформацию. На рис. 3.7 показаны обе эти конформации, а также упрощенные их обозначения, которые обычно используют в ленточных моделях белков.
Ядро многих белков содержит обширные области β-листов. Как показано на рис. 3.8, такие β-листы могут быть образованы как соседними областями полипептидной цепи, ориентированными в одном и том же направлении (параллельные цепи), так и полипептидной цепью, повернувшейся вспять, при этом каждый участок цепи ориентирован в направлении, противоположном соседней цепи (антипараллельные цепи). Из β-листов обоих типов получается очень жесткая структура, скрепленная водородными связями, которые образуются между пептидными связями соседних цепей (см. рис. 3.7, г).
α-спираль образуется, когда одинарная полипептидная цепь закручивается вокруг себя и получается жесткий цилиндр. Между каждой четвертой пептидной связью образуется водородная связь, соединяющая группу C = O одной пептидной связи с группой N–H другой (см. рис. 3.7, а). В результате получается правильная спираль с полным витком на каждые 3,6 аминокислотных остатка. Обратите внимание, что белковый домен, представленный на вклейке 3.2, содержит две α-спирали, а также трехцепочечный антипараллельный β-лист.
Областями α-спиралей особенно богаты белки, расположенные в клеточных мембранах, такие как транспортные белки и рецепторы. Как будет сказано в главе 10, те части трансмембранного белка, которые пересекают липидный бислой, обычно находятся в форме α-спирали, состоящей в основном из аминокислот с неполярными боковыми цепями. Полипептидная основная цепь, которая является гидрофильной, свернута за счет внутренних водородных связей в α-спираль и ограждена от гидрофобной липидной среды мембраны своими выдающимися наружу неполярными боковыми цепями (см. также рис. 3.78).
В некоторых белках α-спирали обвиваются друг вокруг друга и формируют особо устойчивую структуру, известную как суперскрученная спираль, или су- перспираль (coiled-coil). Такая структура может образоваться, когда в двух (или в некоторых случаях в трех) α-спиралях большинство неполярных (гидрофобных) боковых цепей расположено на одной стороне, и эти α-спирали могут закручиваться вокруг друг друга так, что боковые цепи направлены внутрь (рис. 3.9). Длинные стержнеобразные суперспирали служат своего рода несущим каркасом для многих вытянутых белков. Примерами служат α-кератин, что образует внутриклеточные волокна, которые укрепляют наружный слой кожи и ее придатки, а также молекулы миозина, ответственного за сокращение мышц.
200Приложение 3.2. Четыре различных способа изображения небольшого белка, домена SH2
Приложение к главе 3 201
202 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.3.7.Регулярнаяконформацияполипептидногоостовавα-спиралиивβ-листе.а, бив) α-спираль.
ГруппаN–HкаждойпептиднойсвязисоединенаводороднойсвязьюсгруппойC = Oсоседнейпептидной
Глава 3. Белки 203
3.1.4. Белковые домены — это те блоки, из которых построены макромолекулы белков
Даже маленькая молекула белка построена из тысяч атомов, соединенных воедино точно ориентированными ковалентными и нековалентными связями, и чрезвычайно трудно показать столь сложную структуру без трехмерного дисплея. По этой причине биологи используют различные графические и компьютерные вспомогательные средства. DVD-диск*, прилагаемый к этой книге, содержит полученные на компьютере изображения некоторых белков, которые можно посмотреть
иповертеть на экране в разнообразных форматах.
Вбиологии различают четыре уровня организации структуры белков. Последовательность аминокислот известна как первичная структура. Участки полипептидной цепи, которые образуют α-спирали и β-листы, составляют вторичную структуру
белка. Полная трехмерная организация полипептидной цепи иногда упоминается как третичная структура, а если специфическая молекула белка образована в виде комплекса из нескольких (более одной) полипептидных цепей, то полная структура называется четвертичной структурой.
Исследования конформации, функции и эволюции белков открыли также крайнюю важность еще одной единицы организации структуры, отличной от вышеозначенных четырех. Это белковый домен — субструктура, образованная любой частью полипептидной цепи, способной независимо укладываться в устойчивую компактную структуру. Домены обычно содержат от 40 до 350 аминокислот и служат универсальными модульными блоками, из которых собираются многие более крупные белки.
Различные домены одного белка часто наделены различными функциями. На рис. 3.10 представлен пример — протеинкиназа Src, которая выполняет важную роль в процессах передачи сигналов в клетках позвоночных (название Src следует произносить «сарк»). В этом белке принято выделять три домена: домены SH2 и SH3 выполняют регуляторные функции, а C-концевой домен отвечает за каталитическое действие киназы. Ближе к концу этой главы мы возвратимся к этому белку, с тем чтобы объяснить, как белки могут формировать молекулярные переключатели, которые передают информацию по клеткам.
На рис. 3.11 представлены ленточные модели трех по-разному организованных белковых доменов. Как показывают данные примеры, полипептидная цепь стремится пройти весь домен, а затем совершает крутой разворот на его поверхности. Центральное ядро домена может быть построено из α-спиралей, β-листов или же из различных сочетаний этих двух фундаментальных элементов фолдинга.
связи,находящейсявтойжецепииотстоящейотпервойначетырепептидныесвязи.Обратитевнимание, чтовсегруппыN–Hнаэтойсхемесмотрятвверх,авсегруппыC = O–вниз(кC-концу);этопридаетспирали полярность—C-конецимеетчастичныйотрицательныйзаряд,аN-конецнесетчастичныйположительный заряд. г, д и е) β-лист. В этом примере смежные пептидные цепи ориентированы в противоположных (антипараллельных) направлениях. Водородные связи между пептидными связями различных цепей стягивают отдельные полипептидные цепи в β-лист, а боковые группы аминокислот в следующих друг задругомцепяхвыдаютсяизплоскостилистапоочередно—товверх,товниз.Навидахаигпоказаны всеатомыполипептиднойцепи,разветолькобоковыецепиаминокислотурезаныиобозначеныбуквой R.Напротив,навидахбидпоказанытолькоатомыосновнойцепи,тогдакакнавидахвиепредставле- ныупрощенныеизображенияα-спиралииβ-листа,которыеиспользуютсядляобозначенияα-спирали
иβ-листавленточныхмоделяхбелков(см.вклейку3.2,б).
* Эта информация относится к оригинальному изданию «Molecular Biology of the Cell. Fifth Edition».
204 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис. 3.8. Структуры типа β-листа двух типов. а) Антипараллельный
β-лист (см. рис. 3.7, г). б) Параллельный β-лист. Обе эти структуры свойственнывсембелкам.
Белковые молекулы самых малых размеров содержат только один домен, тогда как крупные белки могут содержать несколько десятков доменов, часто соединенных друг с другом короткими, относительно бесструктурными отрезками полипептидной цепи.
3.1.5. Лишь малая часть из множества возможных вариантов полипептидных цепей будет использована клеткой
Поскольку каждая из 20 аминокислот отличается по химическим свойствам и каждой из них, в принципе, дозволено занять любую позицию в полипептидной цепи, постольку существует
20 · 20 · 20 · 20 = 160 000 возможных различных полипептидных цепей длиной в четыре аминокислоты, или 20n возможных различных полипептидных цепей с длиной n аминокислот. При средней длине белка около 300 аминокислот клетка могла бы теоретически производить более 10390 (20300) вариантов различных полипептидных цепей. Это число столь огромно, что для создания только одной молекулы каждого вида потребовалось бы намного больше атомов, чем существует во Вселенной.
Лишь очень малая доля этого огромного множества мысленно возможных полипептидных цепей приняла бы единственную в своем роде устойчивую трехмерную конформацию — по некоторым оценкам, меньше одной миллиардной. И все же основная масса белков, находящихся в клетках, принимает уникальные
иустойчивые конформации. Как такое возможно? Ответ кроется в существовании естественного отбора. Всякий белок с непредсказуемо изменчивой структурой и соответственной биохимической активностью вряд ли будет способствовать выживанию клетки, в которой он пребывает. Поэтому такие белки должны быть устранены естественным отбором в течение чрезвычайно длительной отбраковки методом проб
иошибок, который лежит в основе биологической эволюции.
Поскольку эволюция производила отбор белков по критерию необходимых живым организмам функций, аминокислотная последовательность большинства современных белков такова, что какая-либо одна (из всех возможных) конформация является чрезвычайно устойчивой. Кроме того, химические свойства этой конформации в точности настроены на выполнение специфической каталитической или структурной функции
вклетке. Белки построены столь совершенно, что замена даже нескольких атомов
водной аминокислоте может иногда нарушить структуру всей молекулы в целом, причем настолько сильно, что ее функция будет полностью утрачена.
3.1.6. Белки можно подразделить на множество семейств
Как только эволюция наделила белок способностью сворачиваться в устойчивую конформацию, придающую ему полезные свойства, у нее появилась возможность видоизменять структуру оного и получать новые функции. Этот процесс был сильно ускорен генетическими механизмами, которые эпизодически дублируют гены, что позволяет одной копии гена эволюционировать независимо от другой и приобретать
Глава 3. Белки 205
Рис.3.9.Суперспираль(coiled-coil).а) α-спираль,вкоторойбоковыецепиаминокислотнойпоследова- тельностиобозначеныкакabcdefg(сверхувниз).Аминокислотыaиdвтакойпоследовательностилежат близко друг к другу на поверхности цилиндра, образуя «полосу» (красную), обвивающую α-спираль. У белков, образующих суперспирали, в позициях a и d обычно находятся неполярные аминокислоты. Следовательно, как показано на виде б, две спирали могут обвиться одна вокруг другой, при этом неполярные боковые цепи аминокислот одной α-спирали взаимодействуют с неполярными боковыми цепямидругой,аболеегидрофильныебоковыецепиостаютсяснаружи–открытымидляводнойсреды. в) Атомная структура суперспирали, определенная рентгеноструктурным анализом. Красным цветом отмеченынеполярныебоковыецепи.
новую функцию (обсудим подробнее в главе 4). В прошлом события такого рода происходили довольно часто, в результате многие современные белки могут быть сгруппированы в семейства белков, так что все члены одного семейства будут иметь сходные последовательности аминокислот и схожие трехмерные структуры.
Рассмотрим, например, сериновые протеазы — большое семейство белокрасщепляющих (протеолитических) ферментов, в число которых входят ферменты пищеварительного тракта: химотрипсин, трипсин и эластаза, — а также несколько протеаз, участвующих в свертывании крови. При сравнении протеазных частей любых двух из этих ферментов обнаруживается сходство некоторых участков их аминокислотных последовательностей. Схожесть их трехмерных структур еще более поразительна: бóльшая часть мельчайших витков и изгибов их полипептидных
206 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.3.10.Белок,образованныйизмножествадоменов.ВпоказанномбелкеSrcC-концевойдомен,со-
стоящийиздвухмодулей(отмеченныхжелтымиоранжевым),образуетферментпротеинкиназу,тогда какдоменыSH2иSH3выполняютрегуляторныефункции.а)Ленточнаямодель,вкоторойATP(субстрат) выделен красным. б) Объемная модель, в которой ATP (субстрат) также выделен красным. Обратите внимание,чтоучасток,которыйсвязываетATP,размещеннаграницедвухмодулей,образующихкиназу. ПодробнаяструктурадоменаSH2представленавприложении3.2(стр.200–201).
цепей, при том что их длина составляет несколько сотен аминокислот, фактически идентична (рис. 3.12). Тем не менее различные сериновые протеазы обладают разным ферментативным действием, и каждая из них расщепляет свой белок или разрывает пептидные связи между определенными типами аминокислот. Таким образом, каждая из них выполняет в организме лишь ей присущую функцию.
Историю, что мы поведали о сериновых протеазах, можно повторить и для сотен других семейств белков. Вообще, структура различных членов какого-либо семейства белков оказалась намного более консервативной, чем последовательность аминокислот. Во многих случаях последовательности аминокислот разошлись настолько
Рис.3.11.Ленточныемоделитрехразличныхбелковыхдоменов.а)Цитохромb562 —однодоменный белок, участвующий в переносе электронов в митохондриях. Этот белок почти полностью состоит из α-спиралей. б) NAD-связывающий домен фермента лактатдегидрогеназы, который сформирован изα-спиралейипараллельныхβ-листов.в)Вариабельныйдоменлегкойцепииммуноглобулина(анти- тела), образованный двумя сложенными вместе антипараллельными β-листами. В этих примерах
α-спирали показаны зеленым цветом, а цепи, организованные в β-листы, обозна-
ченыкраснымистрелками.
Обратите внимание, как полипептидная цепь в каждом случае проходит в прямом и обратном направлениях через домен насквозь, образуя крутые изгибы только на поверхности белка. Именно такие выдающиесяизповерхностипетельныеобласти(окрашеныжелтым)частоформируют участкисвязываниядругихмолекул.(Переработано с рисунков, любезно предостав-
ленныхJaneRichardson.)
Глава 3. Белки 207
Рис. 3.12. Сравнение конформаций двух сериновых протеаз. На рисунке изображены конформации основныхполипептидныхцепейэластазыихимотрипсина.Хотявполипептидныхцепяхэтихдвухбелков совпадают только те аминокислоты, которые окрашены зеленым, эти две конформации очень схожи. Активныеучасткиобоихферментовобведеныкраснымконтуром;именновэтихзонахпептидныесвязи белков,служащихсубстратом,связываютсяирасщепляютсявходегидролиза.Сериновыепротеазыполучилисвоеназваниепоаминокислотесерину,боковаяцепькоторойявляетсячастьюактивногоцентра
этогоферментаинепосредственноучаствуетвреакциирасщепления.
далеко, что теперь невозможно с уверенностью утверждать о принадлежности двух белков к одному семейству, не определив их трехмерные структуры. Например, и белок α2 дрожжей, и белок engrailed1 дрозофилы являются регулирующими гены белками семейства гомеодоменов (отнесем их обсуждение к главе 7). Поскольку они тождественны только в 17 из 60 составляющих их остатков аминокислот, их семейственные узы стали очевидными лишь при сравнении трехмерных структур (рис. 3.13). Множество подобных примеров говорит о том, что два белка с более чем 25 %-й тождественностью аминокислотных последовательностей обычно обладают одинаковой общей структурой.
Различные члены любого большого семейства белков нередко имеют разные функции. Некоторые из произошедших аминокислотных замен, вследствие которых члены семейства стали отличаться друг от друга, были, без сомнения, отобраны и закреплены в ходе эволюции, потому что привели к полезным изменениям в биологической активности, придав отдельным членам семейства различные функциональные свойства, которыми они обладают по сей день. Но многие другие аминокислотные замены оказываются в сущности «нейтральными», ибо не оказывают ни благотворного, ни тлетворного воздействия на структуру и функцию белка. Кроме того, поскольку возникновение мутации представляет собой случайный процесс, то, должно быть, появлялось и много вредных замен, которые вызывали изменения трехмерной структуры этих белков, чего было достаточно для их повреждения. Такие дефектные белки, скорее всего, «изымались из оборота» всякий раз, когда
1 Означает «с насечкой» или «зазубренный». — Прим. пер.