Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Взаимодействия белок - лиганд
Центры связывания фосфорильных групп

В белках нет какого-либо единого и универсального фосфорилсвязывающего центра. Приблизительно 50% изученных белков связываются или каким-либо другим образом взаимодействуют с соединениями, несущими фосфорильные группы. Контрастирующие примеры рибонуклеазы [689], гемоглобина человека (который присоединяет 2,3-дифосфоглицерат, АТР или инозитгексафосфат в положении между двумя ß-цепями [672]) и стафилоккоковой нуклеазы [242] показывают, что в белках не существует единственного и универсального фосфорилсвязывающего центра.

Петля между первым листом β-структуры в шпильке Россмана и последующей а-спиралью является одним характеристичным фосфорилсвязывающим центром. Имеется группа белков, в которых фосфорильный или пирофосфорильный фрагмент присоединяется в характеристическом центре. Этим центром является петля полипептидной цепи, которая связывает первый* складчатый лист параллельной ß-структуры и спираль, расположенную приблизительно антипараллельно этому листу. Обычно эта петля воспроизводит петлю между первым ß-листом шпильки Россмана и соседней а-спиралью (рис. 5.12, б).

Фосфорильные группы фиксированы относительно остова петли водородными связями. В S-малатдегидрогеназе [691], D-глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназе [230] и лактатдегидрогеназе [230] пирофосфатный фрагмент NAD связан с основной цепью соответствующей петли водородными связями. В случае алкогольдегидрогеназы [692] исследование связывания на примере аналога NAD показало, что пирофосфат находится в том же положении (в пределах 3 Å) относительно этой петли. Во флаводоксине петля «обернута» вокруг фосфорильного фрагмента FMN [145, 237, 238]. Как следует из исследований связывания субстрата, в аденилаткиназе основная цепь петли обернута вокруг фосфата АМР, в кристаллической аденилаткиназе эта петля фиксирует сульфат из маточного раствора [665]. В аналогичном положении связывается АТР в фосфоглицераткиназе [310, 311]. В глутатионредуктазе [124] пирофосфорил NАDP присоединяется к остову соответствующей петли шпильки Россмана. То же самое относится и к пирофосфату FAD. В триозофосфатизомеразе [305] фосфат также расположен у петель, связывающих ß-листы и последующие а-спирали, но в С-концевой части полипептидной цепи (рис. 5.17, д). Во всех этих случаях используется петля между карбонильным концом ß-листа и следующей а-спиралью. Это можно объяснить выгодным электростатическим взаимодействием между отрицательным зарядом фосфорильной группы и диполем а-спирали [792], который возникает при наложении диполей водородных связей.

* Следует напомнить, что листы ß-структуры нумеруют по их расположению вдоль цепи линейного полипептида; остатки, принадлежащие первому листу, находятся ближе к N-концу.

Фосфорилсвязывающие петли могут быть гибкими и подвижными. Из рассмотренных примеров следуют и некоторые другие обобщения. Во всех случаях фосфор ильные группы образуют водородные связи с остовом полипептидной цепи. Связывание фосфор ила осуществляется петлями, выступающими из жесткой вторичной или сверхвторичной структуры, например, шпильки Россмана. Поскольку эти петли имеют конформационно жесткие основания, сами они могут проявлять подвижность, не нарушая структуру белка в целом. В аденилаткиназе свиньи, например, фосфатсвязывающая петля имеет последовательность Gly-Pro-Gly-Ser-Gly-Lys-Gly [389], наличие глицильных остатков в каждом втором положении обеспечивает большой интервал двугранных углов при С_а-атомах (разд. 2.3). Следовательно, этот сегмент цепи может приобретать широкий спектр конформаций, что и приводит к гибкости и подвижности даже в невзаимодействующей молекуле фермента. Рентгеноструктурный анализ (рис. 10.5) показал, что при переходе аденилаткиназы из конформации А в конформацию В эта петля претерпевает смещение на 6 Å.

Сходство внутри рассмотренной группы фосфорилсвязывающих белков может и не иметь общей природы. Что касается дегидрогеназ, описанных в разд. 10.4, то способ связывания (пиро)фосфорильных групп, вероятно, относится к их консервативным особенностям, поскольку эти белки, по-видимому, гомологичны (разд. 9.6). Однако для других белков этой группы способ связывания фосфорила нельзя рассматривать как черту, указывающую на гомологию, поскольку он может быть просто следствием выгодного физико-химического взаимодействия.

Некоторые белки, модифицируемые ковалентным фосфорилированием, имеют типичные свойства, общие с нуклеотидсвязывающими белками. Имеется большое число белков, функции которых модифицируются или регулируются с помощью обратного фосфорилирования [175]. Аминокислотные последовательности в центрах фосфорилирования различных белков проявляют некоторое сходство (табл. 10.2). Обычно фосфорилируется боковая цепь остатков Ser, Thr или His. Часто перед таким остатком или сразу за ним располагается остаток Gly; в большинстве случаев остаток, находящийся в цепи на две позиции дальше, оказывается положительно заряженным Lys или Arg. Эти последовательности имеют черты некоторого сходства с фосфорилсвязывающей петлей аденилаткиназы (табл. 10.2). Гипотеза о том, что обратимое фосфорилирование данного остатка управляет конформационными изменениями фосфопротеида [175, 693], хорошо коррелирует с тем фактом, что в лактатдегидрогеназе [232] и в аденилаткиназе [688] петля является эпицентром больших конформационных изменений. Таким образом, исследования нуклеотидсвязывающих белков могут способствовать прояснению статических и динамических аспектов фосфорилирования белков.

Таблица 10.2 Центры присоединения фосфата в нуклеотидсвязывающих белках и в фосфопротеидах