Структура биополимеров


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»




М. Ф. КУПРИЯНОВ, Б. М. ВЛАДИМИРСКИЙ, Р. И. КИРОЙ, И. Б. КОФАНОВА


СТРУКТУРА
    БИОПОЛИМЕРОВ

Общие проблемы структуры, самоорганизации и функционирования белковых молекул. Методы структурного анализа белков


            Часть 1




Ростов-на-Дону Издательство Южного федерального университета 2008

УДК 678
ББК 28.072
    К 92



Печатается по решению редакционно-издательского совета Южного федерального университета




Учебник подготовлен и издан в рамках национального проекта «Образование» по «Программе развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
“Юфжный федеральный университет” на 2007—2010 гг.»



     Куприянов М. Ф., Владимирский Б. М., Кирой Р. И., Кофанова Н. Б.
К 92 Структура биополимеров. Общие проблемы структуры, самоорганизации и функционирования белковых молекул. Методы структурного анализа белков : учебник / М. Ф. Куприянов, Б. М. Владимирский, Р. И. Кирой, Н. Б. Кофанова. Ч. 1. — Ростов н/Д : Изд-во ЮФУ, 2008. — 224 с.

          ISBN 978-5-9275-0469-5
          В предлагаемом учебнике подробно рассмотрены особенности строения аминокислот — структурных звеньев белков, валентные и невалентные взаимодействия, стабилизирующие структуру белков, основные уровни структурной организации белков, их способность к самоорганизации, основные модели и факторы фолдинга белков, термодинамические и кинетические аспекты этого процесса, а также основные физико-химические методы структурного анализа белков.
УДК 678
ББК 28.072
ISBN 978-5-9275-0469-5

                                       © Куприянов М. Ф., 2008
                                       © Владимирский Б. М., 2008
                                       © Кирой Р. И., 2008
                                       © Кофанова Н. Б., 2008
                                       © Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2008

            ВВЕДЕНИЕ



    Белки — самый распространенный в живой природе класс биополимеров, составляющий большую часть сухого вещества клеток животных (50—80%) и обладающий наибольшим по сравнению со всеми другими веществами органической природы разнообразием структуры и функций. Именно белки определяют, в конечном счете, фенотип любого организма, формируют облик всех живых систем. Строение белков (последовательность аминокислот — мономерных звеньев) запрограммировано нуклеотидной последовательностью соответствующих генов, но в структурном и функциональном отношении белки несравненно более вариабельны, чем кодирующие их полинуклеотидные цепочки ДНК и РНК. Эта особенность белков обусловлена разнообразием составляющих их мономерных звеньев — аминокислот. Белки всех организмов построены из 20 основных или стандартных (канонических) аминокислот, это в четыре раза больше, чем число канонических нуклеотидов (A, Г, Т, Ц, У), образующих молекулы нуклеиновых кислот и кодирующих эти аминокислоты. Таким образом, «язык» белков оказывается намного богаче «языка» нуклеиновых кислот.
    Уникальные свойства белков заложены в колоссальном разнообразии пространственного строения их молекул. Это разнообразие определяется огромным множеством возможных сочетаний аминокислотных остатков в длинных полипептидных цепях белков, состоящих из нескольких сотен аминокислотных остатков.
    Белки участвуют во всех без исключения процессах, протекающих в клетке. Обладая ярко выраженной каталитической способностью, они в качестве ферментов определяют интенсивность всех метаболических процессов в клетке и организме в целом. Разнообразные регуляторные белки контролируют своевременность и точность основных молекулярно-генетических процессов (белки — регуляторы репликации, транскрипции и трансляции). Белки

3

являются обязательным компонентом биологических мембран, составляют основу цитоскелета, входят в состав соединительных тканей, волосяного покрова, т. е. обеспечивают «строительную» функцию (структурные белки). Защитные белки-иммуноглобулины осуществляют иммунологическую защиту от чужеродных соединений и патогенных микроорганизмов. Транспортные белки обеспечивают организм кислородом и разнообразными питательными веществами. Белки-гормоны участвуют в регуляции физиологической активности тканей и органов. Белки-рецепторы формируют ионные каналы и осуществляют восприятие, трансформацию и передачу разнообразных внешних сигналов. Все виды движения, начиная с движений жгутиков бактерий и кончая движениями пальцев пианиста, обеспечиваются работой сократительных белков. Белки выполняют и множество других функций в живых системах.
    Полипептидная цепь активного белка свернута строго определенным образом. К настоящему времени сложилось представление о шести уровнях структурной организации белков с определенной иерархией.
    Основой структурной организации белков является определенная генетически детерминированная аминокислотная последовательность полипептидной цепи (первичная структура), которая определяет все последующие более высокие уровни организации. Аминокислотная последовательность определяет пространственную структуру белка, а структура определяет его функцию. В конце 50-х годов прошлого столетия были расшифрованы аминокислотные последовательности и пространственные структуры первых белков и показана высокая сложность и уникальность их строения. К настоящему времени известны сотни тысяч белковых аминокислотных последовательностей (для их хранения созданы специальные компьютерные банки).
    Архитектуры белков, особенно глобулярных водорастворимых белков, очень сложны и разнообразны — в противоположность универсальной двойной спирали ДНК. Но и в белковых молекулах прослеживается набор «стандартных» структур. Прежде всего это регулярные вторичные структуры белка — а-спирали и Р-структу-ры. Вторичные структуры отличаются регулярной, периодической формой (или, как говорят, «конформацией») главной цепи — при разнообразии конформаций боковых групп. Третичной структурой

4

называется укладка вторичных структур одной полипептидной цепи в глобулу. Среди третичных структур также встречаются наиболее типичные. Такие типичные структуры могут представлять не весь глобулярный белок целиком, а лишь его компактную субглобулу — «домен».
    Принцип усложнения жизненных форм в процессе эволюции вполне применим к эволюции белков. Матричный принцип биосинтеза белков позволяет предположить, что длинные поли-пептидные цепи появились в результате наращивания или слияния более коротких генов. Увеличение количества мономеров в полипептидной цепи неизбежно привело к образованию изгибов, петель, обособлению отдельных фолдов, т. е. к возникновению вторичной, «сверхвторичной», доменной структуры глобулярных белков. Наряду с последовательной, плавной эволюцией структуры белков внедрение чужеродных (вирусных) генов могло привести к быстрому скачкообразному изменению пространственной структуры, появлению белков, имеющих в своем составе несколько функциональных доменов.
    Способы укладки белковой цепи выглядят стандартно, просто и регулярно потому, что каркас белковой структуры представляет собой компактную упаковку слоев вытянутых регулярных твердых структур (а-спиралей и P-слоев), а нерегулярные перемычки идут по поверхности глобулы, не пересекая ни друг друга, ни торцов структурных сегментов. Такая укладка благоприятствует стабильности нативной упаковки белка, позволяя неполярным боковым группам укрываться от воды, а всем пептидным группам главной полипептидной цепи образовать махсимально возможное количество водородных связей даже при погружении в компактную глобулу. Количество стандартных стабильных схем укладки полипептидной цепи невелико, количество белков больше на несколько порядков, поэтому одни и те же стандартные структуры встречаются в разных белках.
    Пространственные структуры белков, созданные в ходе биохимической эволюции, выглядят очень «корректно», с физической точки зрения, как двойная спираль ДНК, как мембранный бислой. На уровне архитектур белковых доменов эволюция «выбирает» среди физически разумных (т. е. стабильных и способных к быстрой самоорганизации) структур.

5

    Формирование пространственной структуры белка в живой клетке представляет собой непростую систему взаимодействий вновь образующейся в процессе трансляции полипептидной цепи белковой молекулы с существующими в клетке макромолекулами, малыми органическими молекулами, солями и др. Самоорганизация, или процесс сворачивания белка, представляет собой мост между законами физики и результатами эволюционного отбора, составляющего сущность биологических процессов. Сворачивание — это физический процесс, происходящий в системах, которые были биологически отобраны для эффективного прохождения этого процесса. И как физический процесс фолдинг белков имеет все характеристики, типичные для сложного процесса, подчиняющегося законам физики.

Глава 1




                АМИНОКИСЛОТЫ -СТРУКТУРНЫЕ ЗВЕНЬЯ БЕЛКОВ






    Ключ к пониманию структуры любого из сотен тысяч различных белков дает небольшая группа простых молекул, которые выполняют роль строительных блоков. Для построения всех белков, будь то белки бактерий или высших организмов, используется один и тот же набор из 20 различных аминокислот, ковалентно связанных друг с другом в определенной последовательности, характерной только для данного белка. Каждая аминокислота благодаря специфическим особенностям строения ее боковой цепи наделена химической индивидуальностью, поэтому всю эту группу из 20 аминокислот можно рассматривать как алфавит «языка» белковой структуры.
    Замечательным свойством клеток всех живых организмов является их способность соединять эти 20 основных или стандартных аминокислот в различных комбинациях и последовательностях, в результате чего образуются пептиды и белки, обладающие совершенно разными свойствами и биологической активностью. Из одних и тех же строительных блоков живые организмы способны вырабатывать такие разнообразные продукты, как ферменты, гормоны, иммуноглобулины, интерфероны, энкефалины (наркотики, вырабатываемые самим организмом), антибиотики, ядовитые вещества грибов и многие другие соединения, наделенные специфической биологической активностью.

7

    Каждая аминокислота имеет тривиальное (традиционное) название, происходящее иногда от источника, из которого аминокислота была впервые выделена. Так, например, аспарагин впервые обнаружили в аспарагусе, а глутаминовую кислоту — в клейковине (по-английски «gluten») пшеницы; глицин получил название за свой сладкий вкус (от греч. «glykosh» — сладкий).





            1.1. Особенности строения протеиногенных

            аминокислот



     Все 20 аминокислот, встречающиеся в белках, характеризуются общей структурной особенностью — наличием карбоксильной группы и аминогруппы, связанных с одним и тем же а(альфа)-угле-родным атомом (рис. 1.1). Различаются аминокислоты по строению боковой цепи R (R-группы или радикала), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре, электрическому заряду и растворимости в воде. Каждая аминокислота имеет свою, характерную для нее R-группу.



COOH I H2N-C-H

                R



Рис. 1.1. Общая структурная формула протеиногенных аминокислот

    20 аминокислот, входящие в состав белков, часто называют стандартными, основными протеиногенными аминокислотами, чтобы отличить их от других аминокислот, присутствующих в живых организмах, но не встречающихся в белках. Стандартные аминокислоты имеют трехбуквенные и однобуквенные условные обозначения (табл. 1.1), которые используют для сокращенной записи аминокислотного состава и последовательностей аминокислот в полипептидных цепях.



8

Таблица 1.1

Сокращенные обозначения протеиногенных аминокислот

    Аминокислота      Трехбуквенное сокращенное
                             обозначение       
Аланин                           Ala           
Глутаминовая кислота             Glu           
Глутамин                         Gln           
Аспарагиновая кислота            Asp           
Аспарагин                        Asn           
Лейцин                           Leu           
Глицин                           Gly           
Лизин                            Lys           
Серин                            Ser           
Валин                            Val           
Аргинин                          Arg           
Треонин                          Thr           
Пролин                           Pro           
Изолейцин                        Ile           
Метионин                         Met           
Фенилаланин                      Phe           
Тирозин                          Tyr           
Цистеин                          Cys           
Триптофан                        Trp           
Гистидин                         His           

9

            1.2.    Классификация аминокислот на основе строения и свойств радикалов


    Аминокислоты можно сгруппировать на основе признаков, свойственных их R-группам, в частности их полярности (табл. 1.2), т. е. способности R-групп к взаимодействию с водой при биологических значениях рН (вблизи рН 7,0). По степени полярности R-группы аминокислоты можно расположить в виде непрерывного ряда, начиная от полностью неполярных, или гидрофобных (т. е. водоотталкивающих) R-групп и заканчивая сильно полярными, или гидрофильными («любящими» воду) R-группами. Строение 20 стандартных аминокислот показано на рис. 1.2. Согласно этой классификации аминокислоты делят на четыре основных класса, содержащих R-группы следующих типов: 1) неполярные, или гидрофобные; 2) полярные, но незаряженные; 3) отрицательно заряженные и 4) положительно заряженные. Внутри каждого класса имеется определенная градация по форме R-групп, размерам и полярности.


Таблица 1.2

Классификация аминокислот в соответствии с полярностью их R-групп (при рН 7)

          Неполярные R-группы      
Аланин    Метионин                 
Валин     Пролин                   
Изолейцин Триптофан                
Лейцин    Фенилаланин              
Полярные, но незаряженные R-группы  
Аспаргин  Тирозин                  
Глицин    Треонин                  
Глутамин  Цистеин                  
Серин                              

10