л.
IX. Общие принципы
самоорганизации белков
IX. Общие принципы самоорганизации белков §9.1. Общие принципы и модели самоорганизации глобулярных белков
Процесс самоорганизации структуры белка принципиально отличается от самоорганизации, имеющей место в неравновесных, работающих на притоке энергии системах, так как, во-первых, он относится к процессам возникновения порядка (вторичной и третичной структуры) из порядка (определенной первичной структуры), а не порядка из беспорядка, как в неравновесных системах. Во-вторых, формирование структуры белка – это поиск термодинамически равновесного состояния и не требует наличия неравновесных условий.
В то же время, самоорганизация белка близка к процессу образования кристаллов из жидкой фазы, но, во-первых, не имеющих пространственной периодичности, а во-вторых, очень маленьких размеров.
Пути сворачивания пептидной цепи после ее синтеза на рибосоме определяются генетическим кодом, устанавливающим взаимосвязь между последовательностью аминокислотных остатков в цепи и типом пространственной структуры. Вместе с тем, эффективность образования нативной структуры белка связана с работой высоко координированной системы регуляции, обеспечивающей оптимальные условия для ее формирования внутри клетки. Процесс сворачивания белка проходит несколько стадий (см. с. 710–711).
Нативный белок может иметь одну, в редких случаях – несколько устойчивых конформаций. Нативная конформация очень устойчива, но не является абсолютно жесткой. Образующие ее группы атомов (фрагменты), домены, субъединицы могут в определенных пределах перемещаться в пространстве (сдвигаться и раздвигаться). Вместе с тем следует отметить, что белковая цепь упакована плотно, атом «упирается» в атом. В этом смысле белок тверд. Однако, обычно на рисунках изображается только скелет белковой цепи, отражающий элементы вторичной и третичной структур. Боковые группы удалены, хотя именно они ответственны за физико-химические и геометрические свойства поверхности глобулы. Кроме того, к поверхности белка может прилипать множество молекул воды.
При изменении внешних условий твердый белок ведет себя как апериодический кристалл (по словам Шредингера). Например, при повышении температуры он не теряет своей формы и твердости постепенно, как стекло (см. с. 171–173), а, только достигнув определенного предела, быстро плавится. Это фундаментальное свойство белков тесно связано с надежностью их работы.
Общая пространственная топография белковых глобул определяется тем, что полярные группы расположены, в основном, на поверхности, а неполярные (гидрофобные) – внутри глобулы, образуя её гидрофобное ядро (рис. 9–1).
Рис. 9–1. Основные принципы свертывания полипептидной цепи (с образованием гидрофобного ядра) в водной среде
|
Рис. 9–2.
Энергетические составляющие процесса
сворачивания беловой глобулы:
|
– уменьшение энтальпии макромолекулы
за счет образования гидрофобных,
водородных, ковалентных и других
связей в молекуле;
– уменьшение энтропии молекулы за
счет уменьшения её конформационных
степеней свободы и увеличения степени
упорядоченности;
– увеличение энтропии окружающей
среды (воды) за счет гидрофобного
эффекта, снижения степени упорядоченности
воды. Суммарный энтропийный член
оказывается отрицательным, то есть
энтропия системы (среда + молекула)
уменьшается. Поскольку изменение
потенциала Гиббса
,
то макромолекула самопроизвольно
принимает нативную конформацию
Гидрофобные взаимодействия играют
основную роль (~90%) в синтезе, так
называемой, расплавленной глобулы
(см. с. 711) с гидрофобным ядром.
Стабилизация твердого (глобулярного)
нативного белка происходит под действием
сил Ван-дер-Ваальса, водородных и ионных
– более чувствительных к деталям атомной
структуры, которые после черновой работы
гидрофобных сил формируют окончательную
конфигурацию белковой глобулы. Водородные
связи возникают между боковыми группами
аминокислотных остатков и между NH–
и CО–группами пептидных
цепей, электростатическое притяжение
– между разноименно заряженными боковыми
группами, например COO–
и NH3+. Наиболее
прочными являются ковалентные дисульфидные
связи в цистеиновых мостиках. Все типы
связей, образующиеся в белковой глобуле,
оказывают стабилизирующее действие,
так что энтальпия свертывания отрицательна:
(рис. 9–2).
Существует две модели сворачивания синтезированной белковой цепи: ко-трансляционная (от лат. со – совместно) и пост-трансляционная (от лат. post – после).