Лекция 10

       Обсудим теперь свойства боковых групп аминокислотных остатков. В особенности я хочу остановиться на том, какие именно структуры стабилизуют те или иные остатки.        Список 20 "стандартных", т.е. кодируемых ДНК аминокислотных остатков дан в Таблице 10/1; там же дан их молекулярный вес и встречаемость в белках. Структуры аминокислотных остатков представлены на картинке 10-1.  

      Таблица 10/1. Основные свойства аминокислотных остатков   

_____ Аминокислотный остаток _____				% в белках E.coli		Мол вес при pH7 (дальтон)		Gводаспирт бок. группы при 250С (ккал/моль)
название	код
	3-букв.	1-букв.
Глицин	Gly	G	8		57		0
Аланин	Ala	A	13		71		-0.4
Пролин	Pro	P	5		97		-1.0
Глутаминовая кислота	Glu	E	6		128		+0.9
Глутамин	Gln	Q	5		128		+.03
Аспарагиновая кислота	Asp	D	5		114		+1.1
Аспарагин	Asn	N	5		114		+0.8
Серин	Ser	S	6		87		+0.1
Гистидин	His	H	1		137		-0.2
Лизин	Lys	K	7		129		+1.5
Аргинин	Arg	R	5		157		+1.5
Треонин	Thr	T	5		101		-0.3
Валин	Val	V	6		99		-2.4
Изолейцин	Ile	I	4		113		-1.6
Лейцин	Leu	L	8		113		-2.3
Метионин	Met	M	4		131		-1.6
Фенилаланин	Phe	F	3		147		-2.4
Тирозин	Tyr	Y	2		163		-1.3
Цистеин	Cys	C	2		103		-2.1
Триптофан	Trp	W	1		186		-3.0

Примечания. Все данные взяты из [3],   —  за исключением данных по гидрофобности боковых групп, которые взяты из I.I.Fauchere, V.Pliska, Eur. J. Med. Chem.-Chim. Ther. (1983) 18:369. Объем (в ³), приходящийся на аминокислотный остаток в белке или в растворе, близок к его молекулярному весу в (дальтонах), умноженному на 1.3. Точнее,  —  процентов на 5 побольше, чем (мол. вес) x 1.3, если в остатке много алифатических (-СН₂-, -СН₃) групп, и процентов на 5 поменьше, чем (мол. вес) x 1.3, если в остатке много полярных (О, N) атомов.      

       Рис.10-1. Боковые цепи двадцати стандартных аминокислотных остатков.  

       Рассмотрим теперь структурные тенденции аминокислотных остатков; они стали известными после многолетнего статистического исследования белковых структур. Такие исследования отвечают на вопрос: "Что чаще всего бывает, и чего чаще всего не бывает?".        Для систематизации ответов полезной может быть следующая ниже Таблица 10/2, куда я вписал, наряду со встречаемостью аминокислотных остатков в разных местах белков, такие свойства остатков, как: наличие NH группы в главной цепи (ее нет только у иминокислоты пролина); наличие С^ атома в боковой цепи (его нет только у глицина); число не-водородных  атомов в боковой цепи; наличие и вид полярных группировок в боковой цепи (диполей или зарядов  —  со знаком; жирным выделено то зарядовое состояние, что относится к "нормальному" рН7).           Таблица 10/2. Основные структурные свойства аминокислотных остатков

A.к.

Наличие

число

Диполь/заряд

pK

Яркая тенденция быть в:

ост.

NH

C



до

спираль

за

клубок

ядро

N

|N



C|

C



Gly

-

-

+

Ala

+

-

Pro

1

+

-

-

-

-

+

Glu

1

COOH  CO2-

4.3

+

+

-

-

-

-

Asp

1

COOH  CO2-

3.9

+

+

-

-

-

-

+

-

Gln

1

OCNH2

-

Asn

1

OCNH2

+

-

+

-

+

-

Ser

1

OH

+

+

His

1

NH; и N  NH+

6.5

-

+

+

Lys

1

NH2  NH3+

10.5

-

-

+

+

-

-

Arg

1

HNC(NH2)2+

12.5

-

-

+

+

-

+

-

Thr

2

OH

+

+

Ile

2

+

-

+

Val

2

+

-

+

Leu

1

+

+

-

+

Met

1

+

+

-

+

Phe

1

+

-

+

Tyr

1

OH  O-

10.1

-

+

+

Cys

1

SH  S-

9.2

-

+

+

Trp

1

NH

+

+

Примечания. К "структурным свойствам" отнесена тенденция быть в -спирали (), и особо   —  в ее N- и С-концевых витках, а также  —  непосредственно перед N- и за С-концом спирали; тенденция быть в -структуре; тенденция быть в нерегулярных структурах, т.е. "петлях" (включая сюда и -изгибы цепи); и, наконец, —   тенденция быть в гидрофобном ядре глобулы, а не на ее поверхности. Тенденцию "быть" я отмечал значком "+", "не быть "  —  значком "-". Жирным значком отмечалась особо сильная тенденция.    

       Попробуем понять основные закономерности этой таблицы исходя из того, что мы уже изучили. При этом мы будем использовать следующую логику: так как белок в целом стабилен  —   значит, он должен в основном состоять из стабильных элементов, т.е. именно они должны наблюдаться в его структуре чаще всего, а нестабильные должны наблюдаться редко.

       Почему пролин не любит вторичной структуры?  —  Потому, что у него нет NH-группы в главной цепи, т.е. у него вдвое уменьшена возможность завязывать водородные связи  —  а именно на них и держится вторичная структура. Почему он, тем не менее, любит N-конец спирали?  —  Потому, что здесь, на N-конце, NH-группы "торчат" из спирали  —  т.е. они и так не вовлечены в водородные связи  —   и здесь пролину нечего терять... С другой стороны, угол  в пролине фиксирован его кольцом примерно при -60^о  —  т.е. его конформация уже почти "готова" для -спирали (Рис.10-2а).      

      Рис.10-2. Запрещенные и разрешенные конформации различных аминокислотных остатков и  —  на их фоне  —  конформации  и  структуры. (а) Разрешенные () для пролина конформации на фоне конформаций, разрешенных для аланина ();   —  конформации, запрещенные для них обоих. (б) Разрешенные () конформации аланина на фоне конформаций  , разрешенные лишь для глицина;    —  области, запрещенные для всех остатков. (в) Карта запрещенных () и разрешенных (, ) конформаций более крупных остатков. В области  разрешены все конформации боковой группы по углу ₁, в области  часть углов ₁ запрещена.    

       Почему глицин не любит вторичной структуры и предпочитает нерегулярные участки ("клубок")?  —  Потому, что для него допустима очень широкая область углов () на карте Рамачандрана (Рис.10-2б),  —  ему легко принимать самые разнообразные конформации, лежащие вне вторичной структуры.        Наоборот, аланин  —  с более узкой, но включающей и , и  конформацию разрешенной областью на карте Рамачандрана (Рис.10-2б)  —  предпочитает нерегулярным конформациям -спираль (и отчасти -структуру).        Остальные гидрофобные остатки (т.е. остатки без зарядов и диполей в боковой цепи) предпочитают, как правило, -структуру. Почему? Потому, что их крупные -атомы могут там располагаться более свободно (Рис.10-2в). Особенно это важно для боковых групп с двумя крупными -атомами  —  и, действительно, они любят -структуру особенно сильно.        А вот аминокислоты с полярными группами в боковых цепях предпочитают нерегулярные участки ("клубок"), где эти полярные группы могут завязать водородные связи. Особенно заметна эта тенденция для наиболее полярных, заряженных при "нормальном" рН7 остатков, и для самых коротких (см. Рис.10-1), наиболее приближенных к главной цепи полярных боковых цепей. Кстати, по той же причине,  —  поскольку у них там есть возможность завязать дополнительную водородную связь,  —  короткие полярные боковые группы любят места у обоих концов спирали.        Некое исключение среди аминокислот с диполями в боковой цепи составляют триптофан и тирозин, имеющие маленький диполь на фоне большой гидрофобной части, и цистеин, у которого (т.е. у SН-группы которого) водородные связи совсем слабые. Они ведут себя, в общем, так же, как гидрофобные остатки.

       Мы видим также, что отрицательно заряженные боковые группы предпочитают N-конец спирали (точнее: N-концевой виток и один-два остатка перед ним) и не любят С-концевой виток (и пару остатков за ним), а положительно заряженные  —  предпочитают C-конец спирали и не любят ее N-конец. Почему? —  Потому, что на N-конце из спирали торчат NH-группы и на нем образуется заметный положительный заряд, и "минусы" боковых цепей притягиваются к нему, а "плюсы"  —  отталкиваются от него (Рис.10-3). А С-конец спирали заряжен, наоборот, отрицательно,  —  и там эффект противоположен: около С-конца любят собираться "плюсы" боковых цепей, а "минусы" его избегают.      

               Рис.10-3.

       Что касается расположения остатков внутри белка или на его поверхности  —  здесь общая тенденция заключается в том, что полярные (гидрофильные) боковые группы находятся снаружи, где они могут контактировать с полярной же водой ("подобное растворяется в подобном"!). Отрываться от воды полярным группам плохо  —   теряются водородные связи. Особенно плохо отрываться заряженным группам: переход из среды с высокой диэлектрической проницаемостью (из воды) в среду с низкой (ядро белка) ведет к большому повышению свободной энергии. И действительно,  —  ионизированных групп внутри белка практически нет (а почти все исключения связаны с активными центрами  —  ради которых, собственно, белок и создан...).        Наоборот, большинство гидрофобных боковых групп находятся внутри белка  —  они-то и создают здесь гидрофобное ядро (опять: "подобное растворяется в подобном"!). Мы уже говорили, что гидрофобность группы тем больше, чем больше ее неполярная поверхность: именно ее нужно упрятать от воды. Для чисто неполярных групп гидрофобный эффект прямо пропорционален их поверхности, а для групп с полярными вкраплениями  —  их поверхности, за вычетом поверхности этих вкраплений.        Слипание гидрофобных групп  —   главная движущая сила образования белковой глобулы. Главная, но не единственная  —  еще есть образование водородных связей во вторичной структуре (о чем мы уже говорили) и образование плотной, квазикристаллической упаковки внутри белка (о чем мы еще поговорим в свое время).        Для создания гидрофобного ядра белковой цепью, она должна входить в него с уже насыщенными водородными связями  —  ведь иначе ее полярным пептидным группам от воды придется оторваться, а разрыв водородной связи дорог. Поэтому в гидрофобное ядро вовлекается цепь, уже образовавшая (или образующая при этом) вторичную структуру и тем самым насытившая водородные связи пептидных групп в главной цепи. Однако при этом в ядро должны увлекаться только гидрофобные остатки вторичной структуры, а входящие в нее полярные остатки должны остаться вне ядра,  —  потому и на -спиралях, и на -структурных участках выделяются гидрофобные и гидрофильные поверхности; для их создания необходимо определенное чередование соответствующих групп в белковой цепи (Рис.10-4).      

       Рис.10-4. Боковые группы, которые (если все они  —  неполярные) могут формировать единые гидрофобные поверхности на -спиралях и на -структурных участках. Аналогичные сочетания полярных групп в цепи приводят к образованию гидрофильных областей на противоположных поверхностях на -спиралей и на -тяжей.    

       Все закономерности, о которых мы сейчас говорили, используются как для конструирования искусственных белков, так и для предсказания  —  по аминокислотным последовательностям  —   вторичной структуры белков, а также для предсказаний тех участков их цепи, что глубоко погружены в белок,  —  или, наоборот, тех участков, что лежат на поверхности белка. К этим вопросам мы еще вернемся.

       В заключение  —  еще немного о заряженных (или, точнее, ионизуемых) боковых группах. Повышение рН всегда делает группу "более отрицательной"  —  нейтральная группа приобретает отрицательный заряд, а положительно заряженная  —  разряжается, см. Рис.10-5. Переход из незаряженного в заряженное или из заряженного в незаряженное состояние происходит у разных групп при разных рН, однако ширина перехода при этом всегда одна и та же  —  около 2 единиц рН (в этом интервале отношение заряженной и незаряженной форм меняется от 10:1 до 1:10).        Следует обратить особое внимание на группы, переходящие из незаряженного в заряженное состояние при рН близком к 7, характерном для жизни белка в клетке: именно такие легко перезаряжаемые группы (и особенно гистидин) часто используются в активных центрах белков.      

      Рис.10-5. Заряженность ионизуемых боковых групп, а также N-конца пептидной цепи (NH₂-C^) и ее С-конца (C^-C'OOH) при разных рН.