загрузка...
 
ВЫСШИЕ СТРУКТУРЫ ФИБРИЛЛЯРНЫХ БЕЛКОВ
Повернутись до змісту

ВЫСШИЕ СТРУКТУРЫ ФИБРИЛЛЯРНЫХ БЕЛКОВ

Фибриллярными называют белки, длина молекулы которых в десятки и сотни раз больше поперечных размеров. Сильно вытянутая форма, очевидно, не может поддерживаться за счет связей внутри полипептидной цепи, как это имеет место при формировании а-спирали (продольные водородные связи) или нерегулярной иепи (слабые типы связей и дисуль- фидные мостики между достаточно сближенными участками изгибающейся полипептидной цепи). Отсюда ясно, что нитевидная форма фибриллярных белков может удерживаться только посредством поперечных связей с соседними полипептидами, тоже вытянутыми. Следовательно, в фибриллярных белках третичная структура приобретает устойчивость лишь благодаря наличию четвертичной структуры. Чаще всего такие белки являются объединениями коллагеновых спиралей (коллагены), протяженных а-спиралей (кератины, тропомиозин) или р-складчатых полипептидных цепей (фиброин).

Коллагены - семейство белков, формирующих основу волокнистых структур межклеточного вещества у позвоночных. В совокупности они образуют внеклеточный каркас тела и составляют около 30% от общего количества белков (примерно 6% всей массы тела человека). Особенно много их в коже, сухожилиях, хрящевой и костной тканях, в твердых тканях зуба (кроме эмали).

Структурной единицей коллагеновых волокон является молекула тропоколлагена, синтезируемого специализированными клетками соединительной ткани. Она состоит из трех очень сходных (или даже одинаковых) полипептидных цепей, издавна обозначаемых как а-цепи. Их первичная структура характеризуется многократным повторением тримера ...-гли-про-Х-... почти по всей длине молекулы, которая может достигать 300 нм. Поэтому, в отличие от а-спирали (и несмотря на созвучие), а-цепь складывается в совсем иную спираль - коллагеновую (см. рис. 1-18, Б). Как отмечено выше (раздел 1.5.2, Б), удерживается этот вариант вторичной структуры за счет слабых связей со смежными цепями аналогичного строения, примыкающих сбоку. Все три левозакрученные коллагеновые спирали, составляющие молекулу тропоколпагена, имеют параллельную направленность (от 14-конца к С-концуУ Они обвивают друг друга вокруг общей оси, образуя правозакрученную тройную суперспираль,, расстояние между витками которой составляет 10 нм (рис. 1-22). Вот эта правая за- крученность коллагеновой спирали с шагом в 10 нм, формируемая в составе суперспирали, и характеризует третичную структуру каждой отдельной а-цепи. И фиксируется она тоже (как и сама коллагеновая спираль) благодаря наличию четвертичной структуры.

Толщина суперспирали составляет всего

нм. Столь высокая плотность укладки обусловлена большей растянутостью коллагено-

Рис. 1-22. Тройная суперспираль тропоколпагена (схема).

вой спирали (в сравнении с а-спиралью), а главное — изобилием глицина в коллагенах. Минимальность размеров радикала у этой аминокислоты (состоящего только из атома водорода) и направленность этого радикала к оси суперспирали позволяет осуществить очень тесное сближение всех трех субъединиц вдоль их общей оси. Таким образом, в тесном пространстве внутри суперспирали располагаются только остатки глицина, а кнаружи обращены громоздкие радикалы остальных аминокислот, включая пролин, гидроксипролин и лизин. Плотная скрученность тройной спирали и обилие поперечных связей между субъединицами делает молекулу тропоколлагена практически нерастяжимой и очень упругой.

Кератины - это группа внутриклеточных белков, синтезируемых клетками эпидермиса. Молекула такого белка тоже состоит из трех субъединиц. Однако, в отличие от коллагена, каждая из них являет собой правозакрученную а-спираль типичного строения, а три таких спирали закручены влево вокруг общей оси, образуя суперспирализованную структуру протяженностью порядка 100 нм. Такая суперспи- ральная укладка каждой единичной а-спирали может рассматриваться как ее третичная структура в составе кератина.

Фиксируется четвертичная структура кератина посредством дисульфидных мостиков между соседними субъединицами. Этому способствует обилие радикалов цистеина в иих. Ковалентный характер днсульфидных связей и многократное повторение их по ходу суперспирали делает молекулу кератина очень прочной.

Помимо цистеина каждая а-спираль кератина очень богата такими аминокислотами, как фенилаланин, валин, аланин, лейцин, метионин. Их неполярные радикалы сосредоточены на наружной стороне обвивающих друг друга субъединиц, обеспечивая гидрофобность всей суперспирали в целом. Поэтому кератин совершенно нерастворим в воде. Очевидно биологическое значение этого свойства (как и прочности), если вспомнить, что молекулы кератина являются главным (по количеству) компонентом эпидермиса и его производных (волосы, ногти и пр.).

Перечисленные структурные характеристики присущи всем а-кератинам. Однако каж-


дый конкретный белок этой группы имеет свои особенности, проистекающие прежде всего из специфики аминокислотного состава молекулы. Например, кератины панциря черепахи особенно богаты цистеином, составляющим почти 20% всех аминокислотных остатков. Поэтому здесь особенно много межцепочечных дисульфидных мостиков, что обеспечивает особую прочность и жесткость панциря. В кератинах эпидермиса содержание цистеина гораздо меньше, но достаточно для крепкого связывания субъединиц. Скопления кератиновых молекул образуют нерегулярную сеть пучков, контактирующих на уровне десмосом с аналогичными сетями соседних клеток. По мере созревания и отмирания клеток эпидермиса остаются только их кератиновые скелеты, которые и обеспечивают прочность и водонепроницаемость защитного слоя на поверхности кожи, а также образование тонкой жировой пленки, придающей коже водоотталкивающие свойства. Иначе выглядит пространственная организация кератинов, составляющих основную массу волоса. Здесь каждая трехжильная суперспираль кератина (обозначаемая термином «протофибрилла») толщиной 2 нм плотно упакована с десятью такими же молекулами в длинное цилиндрическое образование - микрофибриллу, диаметр которой составляет 8 нм. Пучок из сотен параллельных микрофибрилл формирует более толстую нить - макрофибриллу, множество которых уложено по длине волоса и составляет почти всю его структуру.

Тропомиозин относится к мышечным белкам. Он отличается от кератинов, во- первых, почти полным отсутствием цистеина и, во-вторых, наличием не трех, а только двух субъединиц в молекуле. Каждая из них по всей длине полностью сложена в обычную правую а-спираль. Обе спирали параллельной направленности обвивают друг друга, формируя левозакрученную суперспираль, которая имеет вид стержня диаметром 2 нм и длиной 40 нм. Суперспираль сильно вытянута: расстояние между соседними витками составляет 14 нм (в 26 раз больше, чем в а-спирали). Фиксируется четвертичная структура тропомиозина только слабыми типами связи; из-за отсутствия дисульфидных мостиков она не столь жесткая, как в кератинах.

Двухцепочечная суперспираль, аналогичная тропомиозиновой, содержится и в одном из важнейших сократительных белков мышц - миозине. Здесь ее длина достигает 134 нм. Однако суперспирализация не распространяется на короткую (немногим более 10 нм) Ы-концевую часть молекулы миозина. Более того, каждая из расплетенных нитей этого конца нековалентно соединена с двумя небольшими (около 20 кДа) пептидами, формируя вместе с ними глобулярное образование. Таким образом, четвертичная структура миозина фиксирует необычную форму молекулы, в которой длинная нить («хвост») сочетается с двумя небольшими глобулярными головками на одном ее конце. Необычное строение открывает уникальную возможность совмещения в одной молекуле совершенно разных функций, — в данном случае структурной и каталитической. Фибриллярная часть обеспечивает объединение множества молекул миозина в особые внутриклеточные структуры, — так называемые толстые нити мышечного волокна. А глобулярная головка является ферментом, катализирующим гидролиз молекулы АТФ до АДФ и фосфата. При этом энергия разрыва макроэргической связи в молекуле АТФ прямо трансформируется в механическую энергию мышечного сокращения. В этой трансформации участвуют и другие мышечные белки (тропомиозин и два глобулярных белка — актин и тропонин).

Фиброин - это белок, из которого построены нити шелка и паутины. Каждая его субъединица организована как Р-слой, складчатая форма которого фиксируется водородными связями с соседними такими же цепями (см. рис. 1-19). Вся молекула фиброина почти целиком состоит из «штабелей» р-складчатых полипептидов, имеющих преимущественно ан- типараллельную направленность. Расстояние между соседними цепями составляет 0,27 нм (т.е., длину водородной связи >С=0 Н-Ы<). Столь плотная укладка требует, чтобы боковые радикалы Л в каждой цепи имели не слишком крупные размеры. Так оно и есть: молекула фиброина на 50% состоит из глицина, а среди остальных аминокислот цепи сильно преобладают аланин и серин; цистеин и метионин отсутствуют полностью. В первичной структуре каждой субъединицы регулярно повторяется последовательность ...-гли-сер-гли-ала-гли- ала-..., причем, остатки глицина выступают с одной стороны складчатого листа, а радикалы аланина и серина - с другой. Гидрофобным характером обращенных кнаружи аминокислотных радикалов обеспечивается нерастворимость нитей шелка и паутины в воде. Вместе с тем, минимальность размеров большинства радикалов Л придает этим нитям довольно высокую гибкость. Наконец, максимальная растянутость остова полипептидной иепи, свойственная (3-слоям, делает нити шелка и паутины нерастяжимыми.

Таким образом, во всех фибриллярных белках именно четвертичная структура обеспечивает саму возможность формирования третичной структуры своих субъединиц, а иногда необходима и для фиксации их вторичной структуры (коллагеновая спираль).

КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

В органической химии широко используется понятие о конфигурации молекул. Ее можно определить как пространственное взаиморасположение отдельных частей молекулы, жестко закрепленное ковалентными связями. В частности, если при атоме углерода имеются 4 различающихся радикала, то взаимное их расположение в пространстве может иметь лишь два разных варианта, каждый из которых является зеркальным отражением другого. Они не могут переходить друг в друга самопроизвольно, т.к. для этого необходим разрыв одних ковалентных связей и формирование новых. Будучи совершенно идентичными по химическим свойствам, стереоизомеры сходны и по большинству физико-химических параметров. Но они могут быть едва ли не антиподами по своим биологическим качествам.

В отличие от конфигурации, конформация

это вполне определенное, но не неизменное (не зафиксированное ковалентно) пространственное взаиморасположение различных частей молекулы. Четкое понимание этого особенно важно применительно к белкам. Как уже отмечалось, две из каждых трех подряд ковалентных связей в стержне полипептидной иепи допускают осевое вращение. Это реально может происходить в нерегулярных участках цепи. Поэтому любой полипептид теоретически может принимать самую различную форму. Ограничений, в общем-то, немного. Во- первых, при любых изгибах какая-то часть молекулы не может совмещаться в пространстве с другой частью («натыкаться» на нее). Во- вторых, возникновение слабых типов связи между достаточно сблизившимися частями полипептидной цепи будет способствовать фиксации всей цепи в соответствующей форме. Естественно, более устойчивой будет такая конформация, которая закрепляется наибольшим числом слабых взаимодействий. В соответствии с конкретным окружением, существующим в клетке, полипептидная иепь по мере ее биосинтеза принимает энергетически наиболее выгодную конформацию, - ту, которая обеспечивается максимально возможным числом нековалентных связей (а иногда - и ди- сульфидных мостиков) при наиболее «удобной» для этого укладке стержня полипептидной цепи. В другой среде оптимальной может оказаться иная конформация. Но даже в диапазоне физиологических условий взаиморасположение частей белковой молекулы может заметно варьировать, - уже хотя бы в силу теплового движения. Эта «колеблемость» затрагивает преимущественно четвертичную и в какой-то степени третичную структуру. Подвижки в конформационном состоянии белка могут быть вызваны локальными колебаниями pH, ионной силы и других факторов, влияющих на слабые типы связи, как это описано в разделе 1.4.3.

Обобщая, можно сказать, что в физиологических условиях белковая молекула существует в нескольких, энергетически наиболее предпочтительных конформационных состояниях, между которыми поддерживается динамическое равновесие. Даже очень небольшие изменения состава среды способны вызвать определенный сдвиг этого равновесия в сторону одной из естественных конформаций, причем этот сдвиг легко обратим. Именно обратимые переходы из одного конформационного состояния в другое составляют механизм функционирования белковой молекулы (и шире - молекулярную основу любой физиологической функции организма).



загрузка...