Молекулярная биология: Структура и функции белков - Степанов В.М. 2005

Вторичная структура
О соотношении между первичной и вторичной структурами

Как уже говорилось, при описании вторичной структуры пренебрегают боковыми радикалами аминокислот и ролью дальних взаимодействий. Однако по мере уточнения картины эти факторы необходимо учитывать: так, уже переход от глицина к аминокислоте с простейшей боковой цепью — аланину — резко сужает выбор возможных конформаций, еще резче уменьшается он для пептидных связей, включающих иминный азот пролина. Более тонкий учет влияния индивидуальных особенностей аминокислот выявляет некоторые предпочтения в образовании той или иной вторичной структуры.

Это обусловлено не только стереохимическим влиянием боковых цепей на стабильность конформации, но и тем, как они укладываются на поверхности возникающей структуры, каков образующийся при этом рисунок. Например, если гидрофобные остатки распределены в первичной структуре так, что разделяются двумя-тремя остатками полярных аминокислот, то образуется своеобразный гребень из гидрофобных радикалов а-спирали, направленных по одну сторону. За счет взаимодействия таких гребней может начаться формирование пространственной структуры, которая, в свою очередь, стабилизирует вторичную. Таким образом, предпочтительное образование того или иного типа регулярной вторичнойт структуры может определяться не только природой аминокислотных остатков, но и характером их размещения на данном участке пептидной цепи.

Весьма полезным оказался статистический анализ установленных пространственных структур белка, который позволил приписать отдельным аминокислотным остаткам параметры, характеризующие их большую или меньшую склонность встраиваться в а-спираль, ß-структуру или образовывать ß-изгиб. Если просматривать вновь определенную первичную структуру, используя «окно», соответствующее нескольким идущим подряд остаткам, то удается, например, выявить характерные скопления остатков, склонных встраиваться в а-спирали. Это позволяет предполагать, что в данном белке они свернуты в а-спираль. Такое предположение проверяется соответствием остатков, расположенных на концах спирали, аминокислотам, обычно занимающим такое положение. Дальнейшие уточнения дают соображения стереохимического характера.

Разработано несколько приемов предсказания вторичной структуры белков по их первичной структуре, из которых наибольшее рас пространение получили методы, предложенные П. Чоу и Дж. Фасманом, О. Птицыным и А. Финкельштейном, а также В. Лимом. Как показала проверка на ряде белков, вероятность предсказания а-спиральных участков достаточно велика, хуже предсказываются ß-структурные элементы и изгибы.

Трудность однозначного предсказания вторичной структуры понятна, так как после образования какого-либо ее элемента он должен включиться в третичную структуру, т е. войти в систему дальних взаимодействий. Последние могут стабилизировать вторичную структуру, но могут и нарушить ее. Ввиду этого всегда существует некоторая вероятность, что предсказание не оправдается. Действительно, анализ большого числа пространственных структур белков показал, что одни и те же короткие аминокислотные последовательности могут образовывать в разных бачках одинаковые вторичные структуры, что установлено, например, для восьми гепта и гексапептидных участков. Однако нередки и такие случаи, когда идентичные последовательности дают разные вторичные структуры в белках различного строения. Это найдено для семи гексапептидных отрезков. В частности, одна и та же последовательность

Asn—Ala—Ala— Не— Arg— Ser

имеет в фосфофруктокиназе конформацию а-спирали, расположенной между двумя другими а-спиралями, тогда как в термолизине она входит в ß-складчатый слой вместе с четырьмя другими фрагментами пептидной цепи.

Итак, дальние взаимодействия в рамках третичной структуры могут вносить заметные коррективы в соотношение первичная структура — вторичная структура, делая его далеко не всегда однозначным. Важно, однако, что успешное предсказание ряда вторичных структур, в особенности а-спиральных участков, с определенностью указывает на то, что это соотношение реально существует. Предсказание вторичных структур помогает при сравнении белков, в частности в таких случаях, когда сопоставление первичных структур не выявляет значимого процента совпадающих аминокислотных остатков (например, их меньше 15%), однако есть основания заподозрить, что эти белки тем не менее родственны и обладают сходной пространственной структурой. В отсутствие прямых данных по укладке полипептидных цепей таких белков сходство предсказываемых элементов вторичной структуры может служить полезным аргументом. Нередко предсказание вторичной структуры позволяет выявить характерные особенности отдельных участков белка: например, гидрофобные а-спирали могут оказаться трансмембранными.