Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Эволюция белков
Специализация белков
Критерии фиксации аминокислотных замен в белках

Подробная биография белка необходима для оценки биологического значения данного остатка. Как было показано на предыдущем примере, фиксация замен аминокислот почти полностью зависит от биологической роли соответствующей аминокислоты. Однако оценить эту роль довольно трудно, поскольку она может быть связана не только с определенной функцией белка, например каталитическим действием фермента, а со всеми другими взаимодействиями белка в организме на протяжении его «жизненного пути» от активации соответствующего гена до разложения полипептида. И хотя такие подробные «биографии» белков пока еще не доступны, можно тем не менее сделать некоторые общие замечания*.

Остатки на поверхности белка заменяются чаще, чем внутренние. Как показывает рис. 7.1, б, частота замен аминокислотных остатков в данном белке сильно зависит от положения в полипептидной цепи и от расположения в трехмерной структуре. Как правило, остатки на поверхности заменяются чаще, чем внутренние. Поскольку наружные остатки имеют менее существенное значение для стабильности белка, чем внутренние, это правило отражает важность сохранения стабильности для функции белка. Исключение составляют остатки на поверхности, непосредственно участвующие в функционировании белка, как, например, остатки, образующие каталитически активные центры ферментов, остатки в местах связывания субстратов, кофакторов, простетических групп, аллостерических эффекторов, или центры связывания макромолекул. Так, у цитохрома с, который взаимодействует с другими макромолекулами и присоединяет простетическую группу, на поверхности практически отсутствуют неактивные участки. Это объясняет низкую частоту фиксированной мутации в молекуле цитохрома с (табл. 9.1).

Влияние замен аминокислот во внутренней части белка часто компенсируется другими заменами. Поскольку глобулярные белки упакованы так же плотно, как кристаллы органических молекул (разд. 1.6), замена внутренних остатков влечет за собой изменение расположения соседних остатков, что обычно приводит к понижению стабильности. Поэтому замена во внутренней части белка происходит сравнительно редко и во многих случаях сопровождается по крайней мере еще одной заменой. Примеры таких взаимно компенсирующихся замен были обнаружены в рибонуклеазах [67]. Случай очень тонкой внутренней компенсации был отмечен в двух отдаленно родственных сериновых протеазах: внутренний кластер химотрипсина, построенный из Trp-29, Ser-45, Val-53, Val-200, Leu-209, Val-210, Ile-212, в эластазе превращается в Ser-29, Thr-45, Met-53, His-200, Val-209, His-210 и Val-212 без каких-либо серьезных изменений остова полипептидной цепи [490].

* Эти обобщения применимы не только к тем белкам, которые действуют в обычных условиях, но также и к тем, которые подвергаются экстремальным воздействиям тепла [491] или гидростатического давления [492], как, например, белки термофильных бактерий и абиссальных (глубоководных) рыб соответственно. По-видимому, для приспособления к этим экстремальным условиям достаточно лишь небольших изменений аминокислотных последовательностей.

Замены подобных остатков происходят чаще, чем другие замены. Требование сохранения функции налагает ограничения на частоту допустимых замен в данном положении полипептидной цепи. По- видимому, многие функции менее всего нарушаются при консервативных замещениях, т. е. заменах на подобные остатки. При этом имеют значение величина, форма, гибкость и заряд боковой цепи, а также ее способность к образованию водородных связей. Так, при замене Lys → Arg сохраняется подвижная боковая цепь, несущая положительный заряд, а при замене Ile → Leu — относительно объемная неполярная боковая цепь. Принцип консервативных замен использован в разд. 1.6 для выявления эмпирического подобия аминокислот по наблюдаемым частотам встречаемости (табл. 1.2).

Аномальные гемоглобины иллюстрируют возможные последствия случайных мутаций. Однако даже консервативные замены могут привести к серьезным последствиям, как было обнаружено на примере аномального гемоглобина Сиднея [493], в котором в положении 67 ß-цепи вместо Val содержится Ala. Замещение двух метальных групп атомами водорода расшатывает группу гема и значительно снижает стабильность белка [494] и тем самым стабильность эритроцита.

Неконсервативные замены, как, например, введение отрицательного заряда в гидрофобную внутреннюю часть, несовместимы со стабильностью нативной конформации белка, поскольку при этом потери свободной энергии оказываются порядка 10 ккал/моль, что приближается к значению ∆G_oбщ перехода свернутая — развернутая цепь (разд. 8.1). Примером может быть аномальный гемоглобин Вены [494], в котором замена Tyr-130 → Asp в a-цепи приводит к большим конформационным перестройкам, в результате которых отрицательный заряд компенсируется положительным.

Оба описанных аномальных гемоглобина вызывают состояния тяжелой анемии, демонстрируя тем самым последствия случайных мутаций. Очевидно, что такие мутации никогда не станут фиксированными.

Таблица 9.2 Матрица вероятностей мутаций на эволюционном пути в 2 РАМ [20]^а

Аминокислоты расположены в том же порядке, что и в табл. 1.2. Все значения умножены на 10 000. Элемент этой матрицы m (i, j) есть вероятность того, что аминокислота в колонке i будет замещена аминокислотой в строке і за эволюционный интервал в 2 РАМ, т. е. 2 допущенные точечные мутации на 100 аминокислот. Таким образом, вероятность того, что Ala будет замещен нa Ser, равна 0,0059, a Ser на Ala — 0,0099. Сумма величин в каждой колонке равна 1,0. Сумма величин в строке представляет «фактор роста за 2 рАМ» соответствующего аминокислотного остатка; и варьирует от 0,9737 (для Met) до 1,0188 (для Ala и Val).