§9.7. Физические основы функциональной организации белков

Схематично функции водорастворимых глобулярных белков можно представить в виде:

Связывание → трансформация → освобождение.

При этом надо иметь в виду следующее. Во-первых, некоторые белки выполняют только часть функций. Во-вторых, «трансформация» может означать или химическую трансформацию, или изменение конформации (как самого белка, так и субстрата), и/или перемещение (белка или субстрата) в пространстве. В-третьих, термины «связывание» и «освобождение» могут относиться к разным молекулам.

9.7.1. Связывающие белки

Рис. 9–17. Димерный белок λ-репрессор (λ-repressor). Серым цветом выделен ДНК-связыва-ющий мотив «спираль–изгиб–спираль». Спиралями α₃, расстояние между которыми соответствует периоду двойной спирали ДНК, λ-репрессор опознает большой желобок ДНК

Основная задача связывающих белков, к которым относятся ДНК-связывающие белки, – это «связывание» молекул ДНК. Для связывания поверхность белка должна быть комплементарна поверхности ДНК. На рис. 9–17 приведена структура димерного белка λ-репрессора (от лат. repressor – ограничивающий, сдерживающий) – регуляторного белка, подавляющего транскрипцию генов. С помощью антипараллельных α₃ спиралей, расстояние между которыми близко к периоду двойной спирали ДНК (33,8 Å), он опознает большой желобок ДНК и садится на один бок ДНК-овой спирали. Выступы белковой поверхности глубоко внедряются в желобок ДНК. После внедрения, боковые группы проводят тонкое опознание конкретной последовательности в ДНК и связываются с той, для которой этот белок предназначен.

Иногда связывание белка с ДНК требует наличия кофакторов, которые слегка деформируют структуру белка, переводя его из неактивной формы в активную.

Другим примером связывающих белков могут служить иммуноглобулины, рассмотренные выше (с. 667).

9.7.2. Трансформирующие белки – ферменты

Главная функция ферментов – химически трансформировать связавшиеся с ними молекулы. Классическим примером служат сериновые протеазы, которые разрезают полипептидные цепи (рис. 4-15, с. 518–525).

Реакция гидролиза пептидной цепи (рис. 9–18) может идти сама по себе в среде при наличии достаточного количества воды. При отсутствии воды реакция идет в обратную сторону – в сторону синтеза полипептида и выделения воды. Сами по себе обе реакции идут очень медленно (годы). Фермент резко снижает активационный барьер, и обе реакции в присутствие фермента занимают доли секунды. В этом случае небольшое изменение состояния субстрата вызывает существенное изменение энергии его взаимодействия с белком, что приводит к снижению энергетического барьера и значительному ускорению хода реакции.

Рис. 9–18. Реакция гидролиза пептидной цепи

9.7.3. Белки, осуществляющие транспорт

В белках, осуществляющий транспорт (самый разный), важное значение имеют не только свойства активного центра, но и общая архитектура белка, поверхность глобулы. Примеры работы мембранных белков, осуществляющих транспорт веществ через мембрану приведены в гл. VI, с. 609-617.

Рис. 9–19. Схема, иллюстрирующая индуцированное соответствие фосфорилирующего белка (гексокиназы, состоящей из двух доменов А и В) к субстрату (глюкозе). Когда глюкоза попадает в щель между доменами гексокиназы (а), щель закрывается, благодаря деформации белка (б), вода вытесняется, белок принимает каталитически активную форму, происходит фосфорилирование глюкозы

Рассмотрим, например, работу белка – гексокиназы, который переносит фосфатную группу с АТФ на глюкозу (рис. 9–19). Почему при этом гексокиназа не переносит АТФ на молекулу воды? Сначала механизм переноса, который позднее был назван индуцированным соответствием, был постулирован Д. Кошландом, а впоследствии опыт подтвердил эту гипотезу. До связывания с субстратом фермент находится в открытой форме (рис. 9–19а), когда между доменами А и В имеется глубокая щель и он может захватить субстрат из воды, но не может провести его фосфорилирование. После связывания с субстратом фермент переходит в закрытую, каталитически активную форму, вытесняя при этом воду из активного центра (рис. 9–19б). После каталитического акта фосфорилирования субстрата, фермент снова открывается, а фосфорилированный субстрат уходит. Индуцированное соответствие достигается конформационной перестройкой белка – локальным смещением крупных блоков или целых доменов.

Рис. 9–20.Схематическое строение мышцы, состоящей из пучков мышечных волокон. Каждое мышечное волокно представляет собой одну большую многоядерную клетку, большую часть объема которой занимают миофибриллы. Миофибриллы разделены на отдельные сократительные элементы – саркомеры (см. рис. 9–21)