Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002

Белки
Вторичная структура белков

Class="center">Introduction.files/image018.jpg" width="523" height="758" />

Рис. 9.1.

Под вторичной структурой участка полипептидной цепи понимают конформацию основной цепи этого фрагмента без учета Конформации боковых групп. Согласно более раннему определению, употребляемому иногда и сейчас, Вторичная структура — это те сегменты полипептидной цепи, которые участвуют в формировании регулярной сетки водородных связей. При некоторых конформациях образуются регулярные повторяющиеся структуры, стабилизированные водородными связями между >N—Н- и >С=О-группами основной цепи (например, а-Спираль, ß-слой, коллагеновая спираль).

Регулярная или спиральная, вторичная структура образуется тогда, когда у всех остатков значения углов ф и Ψ одинаковы. При этом основная цепь у каждого С^а-атома поворачивается на один и тот же угол. Любую спираль можно рассматривать как результат наматывания цепи на боковую поверхность воображаемого цилиндра. Спираль характеризуется числом повторяющихся единиц (остатков), приходящихся на один виток (обозначается n), и расстоянием между соседними остатками вдоль оси спирали (d). Высота одного витка (р) равна произведению n на d. Спирали могут быть правыми и левыми. Утверждение, что какая-то спираль является правой, означает, что если вытянутый вперед большой палец правой руки направить вдоль оси спирали, то расположенные перпендикулярно ему зажатые в кулак остальные пальцы будут указывать направление хода цепи.

Цопни и Корм в 1951 г. предположили, что в белках должны встречаться два типа регулярной структуры — а-спираль (n = 3,6) и ß-структура (п = 2). Эта догадка основывалась, во-первых, на известных данных о размерах пептидной группы и ее плоском строении, а во-вторых, на том, что оптимальные условия для образования водородной связи N—Н- - О реализуются в том случае, когда все три атома, N, Н и О, лежат на одной прямой. Именно способностью полипептидной цепи принимать форму а-спирали и ß-структуры удалось объяснить результаты экспериментов по изучению дифракции рентгеновских лучей на волокнах фибриллярного белка кератина (гл. 11), находящегося соответственно в а - и ß-формах (отсюда и название — а - и ß-структуры). а -Спираль и ß-структура являются энергетически наиболее выгодными конформациями, поскольку обе они стабилизированы водородными связями (гл. 7) между >N—H- и >С=О-группами основной цепи. Кроме того, и а-спираль, и ß -структура дополнительно стабилизируются благодаря плотной упаковке атомов основной цепи, которые подогнаны друг к другу, как кусочки одной картинки-головоломки.

В правой а -спирали ф = -57°, Ψ = -47°. Число остатков на виток (n) равно 3,6, расстояние между соседними остатками вдоль оси спирали (d) — 0,15 нм, а высота одно витка (р) составляет 0,54 нм (= 3,6х 0,15 нм). Каждая >С=О-группа образует водородную связь с

четвертой по ходу цепи >N—Н-группой. Регулярность структуры означает, что все >N—H- и >С=О-группы, за исключением находящихся на концах спирали, могут образовывать Водородные связи. а-Спираль по форме напоминает прутик, в котором стебель — это основная цепь, а торчащие в разные стороны ветки - боковые цепи (R-группы).

ß-Слой формируется из двух или более ß -структурных участков полипептидной цепи, называемых ß- участками. В каждом ß-участке полипептидная цепь почти полностью вытянута; при этом >N—H- и >С=О-группы ориентированы примерно перпендикулярно направлению ß-участка и могут образовывать водородные связи с соседними участками. В результате из нескольких ß-участков образуется структура, которая в грубом приближении оказывается плоской, напоминающей лист. Однако из-за того что плоскости пептидных групп в каждом ß -участке наклонены поочередно в разные стороны относительно направления ß-участка, плоский ß-слой приобретает складчатую форму. Если двигаться вдоль одного из ß-участков, составляющих ß-слой, то боковые группы будут выступать по очереди то с одной, то с другой стороны ß-слоя.

Параллельная и антипараллельная ß-структуры. Существуют два разных варианта образования водородных связей между тяжами в составе р-слоя. Каждому варианту соответствует свои значения углов ф и Ψ. В параллельном ß-слое (ф = - 119°, Ψ = 113°) соседние ß-участки направлены в одну сторону (рис. 9.2), а в антипараллельном (ф = -139°, Ψ = 135°) — в противоположные (рис. 9.1).

Рис. 9.2. Параллельный ß-слой.

Коллагеновая спираль представляет собой третий тип регулярной вторичной структуры со значениями углов ф = —60°, Ψ= 140°. В такой конформации находится основная часть полипептидной цепи фибриллярного белка коллагена (гл. 11).

Большинство глобулярных белков имеет а-спиральные и/или ß-структурные участки. а-Спирали обычно состоят из 6—24 остатков, соответственно длина их варьирует от 0,9 до 2,4 нм. Значения углов ф и Ψ в спирали всегда немного отличаются от стандартных. Иногда несколько остатков принимают конформацию спирали 3¹⁰, отличную от конформации ос-спирали. На один виток спирали 3¹⁰ приходится 3 остатка, а водородные связи в ней образуются между n и n — 3 по ходу цепи остатками. Участки ß-слоя, как правило, состоят из 3—10 остатков и имеют длину от 1,0 до 3,3 нм. Типичный (3-слой содержит от 2 до 10 р-участков. В одних ß-слоях все участки уложены параллельно друг другу, в других все соседние ß-тяжи антипараллельны. Кроме того, иногда в одном и том же слое присутствуют оба типа укладки. Так же как и в случае а-спирали, реальная конформация ß-слоя может несколько отличаться от стандартной.

ß-Изгиб - это еще один тип вторичной структуры, встречающийся во многих глобулярных белках в тех местах, где направление полипептидной цепи меняется на противоположное. Данная структура часто рассматривается как связующее звено между двумя уложенными антипараллельно ß-участками в составе ß-слоя. На рис. 9.3 приведен пример ß-изгиба из четырех остатков с одной водородной связью между >С=О-группой остатка 1 и >N—Н-группой остатка 4. В белках обнаруживаются и другие типы ß-изгибов. В отличие от а-спирали, коллагеновой спирали и ß - слоя в ß-изгибе значения углов ф и Ψ у разных остатков неодинаковы. ß-Изгибы обычно находятся у поверхности белковой глобулы.

Предсказать, какие участки молекулы глобулярного белка будут иметь регулярную вторичную структуру, основываясь на данных об их аминокислотной последовательности, можно с точностью около 70%. Одни остатки (например, Glu, Met, Ala и Leu) часто встречаются в а -спиралях, в то время как другие (Gly и Pro) — значительно реже. Что касается пролина (Pro), то этот остаток может находиться в а-спирали лишь в одном из первых трех положений, поскольку в остальных позициях наличие ковалентной связи между боковой цепью пролинового остатка и атомом азота основной цепи не позволяет >N—Н-группе образовать водородную связь. Некоторые остатки предпочитают находиться в ß-участках (например, Val, He, Туг и Phe), тогда как остатки Asp и Glu принимают эту конформацию довольно редко. Такие данные о встречаемости различных остатков в разных типах вторичной структуры используются при предсказании локализации в белке а - и ß-участков.

Рис. 9.3. р - Изгиб.