Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980
Молекулы, из которых мы состоим
Белки
Конформационные изменения в полипептидах
Полипептидные цепи могут принимать вытянутую конформацию с образованием водородных связей между участками одной и той же цепи (ß-структура) или находиться в одной из нескольких спиральных форм. Иногда данный белок принимает то одну, то другую конформацию. Довольно характерным примером такого рода служит а-спиральный белок с низким содержанием серы, входящий в состав волос (разд. Б.3.г). Волос можно очень сильно вытянуть — в этом случае а-спирали раскручиваются и цепь переходит в ß-конформацию, причем вместо водородных связей внутри одной и той же цепи образуются водородные связи между цепями.
С растворимыми белками ситуация более сложна, но и в этом случае цепь может складываться по-разному; здесь также происходит соответствующая перестройка системы водородных связей и гидрофобных взаимодействий между боковыми группами. Одни конформации, в принципе возможные для глобулярного белка, более устойчивы, чем другие, и обычно белок принимает одну из энергетически наиболее выгодных конформаций. Не исключено, однако, и наличие других конформаций с почти той же энергией1. Отсюда следует, что многие белки могут почти беспрепятственно переходить из одной конформации в другую — этот факт имеет очень большое биологическое значение.
Конформационные изменения в белках, по всей вероятности, облегчаются тем, что некоторые группы, связанные водородными связями, находятся во внутренней гидрофобной области молекулы белка. Обычно все «внутренние» атомы водорода, определяющие возможность образования водородных связей, связаны с соответствующей группой — донором электронов. Однако, как правило, таких групп больше, чем доступных атомов водорода, что порождает конкуренцию электроотрицательных центров за протоны и создает основу для инициации конформационных изменений [32].
Крайний случай конформационного изменения — денатурация белков, которая может быть вызвана нагреванием или обработкой различными реагентами, например сильными кислотами и основаниями, мочевиной, гуанидингидрохлоридом и додецилсульфатом натрия. Денатурация приводит к развертыванию молекулы белка, и он переходит в более или менее разупорядоченное состояние (здесь уже почти нет ни спиралей, ни ß-слоев, ни любых других типов регулярной укладки цепи). В денатурированном состоянии амидные группы пептидной цепи образуют водородные связи с окружающими их молекулами воды; таких водородных связей значительно больше, чем внутримолекулярных. Специфическая биологическая активность белка при денатурации теряется, изменяются и физические свойства, например меняется константа седиментации, вязкость и поглощение света. Легкость, с которой происходит денатурация белка, и тот факт, что денатурация в принципе обратима, свидетельствуют о том, что различия в энергии между свернутыми конформациями и открытой конформацией статистического клубка невелики.
Полная денатурация белка долгое время считалась необратимой, но в 1956 г. Анфинсен показал, что денатурированная рибонуклеаза (гл. 1, разд. Д.2) может самопроизвольно возвращаться к исходному состоянию [33]. Молекула рибонуклеазы, состоящая из 124 остатков, содержит четыре дисульфидных мостика, которые делают ее структуру очень прочной. Когда эти мостики разрываются в присутствии восстановителя (разд. 3.3.а), фермент легко денатурирует и инактивируется. Однако Анфинсен обнаружил, что окисление в соответствующих условиях приводит к полному восстановлению активности рибонуклеазы. Очевидно, молекула способна самопроизвольно свертываться с образованием правильной конформации — именно той, при которой осуществляется единственный из 28 возможных способов попарного соединения восьми —SH-групп, приводящий к образованию нужной четверки дисульфидных мостиков. Этот факт оказал сильное влияние на наши представления о синтезе белка и свертывании полипептидных цепей с образованием биологически активных молекул [34, 34а].
1 Ни одна из вычислительных машин не обладает мощностью, достаточной для систематического исследования энергий всех конформаций, в которых может находиться простейший белок. Следовательно, высказанное нами утверждение нельзя выразить количественно.
Обычно предполагают, что специфическое свертывание полипептидной цепи начинается еще во время ее синтеза на рибосоме. Растущая цепь свертывается случайным образом и в конце концов принимает наиболее устойчивую конформацию. По окончании синтеза пептидной цепи молекула самопроизвольно складывается в «нативную» конформацию. Однако специфическую биологическую активность белок чаще всего приобретает лишь после его модификации другими ферментами, что иногда приводит к дальнейшему изменению конформации.