АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Динамика белковой структуры.

Прочитайте:
  1. II. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика
  2. V. ТРАНКВИЛИЗАТОРЫ НЕБЕНЗАДИАЗЕПИНОВОЙ СТРУКТУРЫ.
  3. Актиномицеты. Особенности морфологии и ультраструктуры. Сходство с грибами и отличия от грибов. Способы микроскопического изучения.
  4. АЛЛЕЛИ И ГЕНОТИПЫ: ЧАСТОТА ВСТРЕЧАЕМОСТИ И ДИНАМИКА В ПОПУЛЯЦИЯХ
  5. Вспомогательные материалы для повышения белковой стабильности пива
  6. Гемодинамика при портальной гипертензии
  7. Глава 3. Динамика стресса
  8. Граф логической структуры.
  9. ГРУППОВАЯ ДИНАМИКА
  10. ГРУППОВАЯ ДИНАМИКА

 

Наиболее прямым мето­дом, позволяющим изучать пространственное строение белковых молекул, является рентгеноструктурный анализ. На основании данных рентгеноструктурного анализа белковая молекула пред­ставлялась статической системой, в которой неполярные аминокис­лотные остатки образуют жесткое гидрофобное ядро, приближа­ющееся по свойствам больше к твердому телу, чем к жидкости. Благодаря такой жесткости трудно ожидать заметных изменений конформаций при взаимодействии ферментов с субстратами.

Применение спектральных методов (ИК-спектроскопии, ЯМР, флуоресцентного анализа) для изучения белковых молекул заставило критически оценить результаты рентгеноструктурного анализа. Анализ данных водород-дейтериевого обмена в пептидных группах н динамического тушения флуоресценции триптофанилов внутрен­них областей интактных белков свидетельствует о несостоятельно­сти статической концепции белковой структуры и позволяет сфор­мулировать представление о динамических свойствах белков. Наблюдаемая внутримолекулярная подвижность, спонтанные флук­туации структуры белков обусловлены различного рода движени­ями атомов или групп атомов вблизи положения равновесия.

Для белков с известной пространственной структурой Ф. Ри­чардс с помощью специальных расчетов нашел локальные плот­ности и сопоставил их с распределением полярных и гидрофобных аминокислотных остатков по внутреннему объему белков. Оказа­лось, что внутри белка плотность значительно изменяется: есть области высокой плотности (r= 1,4•103 кг•м-3), которым отве­чают высоко упорядоченные участки с a-спиралями и b-структурами, и области с низкой плотностью (r=0,5•103 кг•м-3), куда, как правило, попадают гидрофобные аминокислотные остатки. На основании этих данных сделано заключение о неправомочности понятия гидрофобного ядра для глобулярных белков. По-види­мому, правильнее говорить о гидрофобных кластерах, где преиму­щественно локализованы гидрофобные аминокислотные остатки. Участки с малой локальной плотностью (гидрофобные кластеры) могут служить мягкой жидкоподобной прослойкой для относи­тельного смещения плотных упорядоченных структурных доменов. Для разных белков внутренний интерьер значительно варьирует и может иметь подвижную или более жесткую структуру.

Все внутримолекулярные движения в белках можно разбить на два типа: быстрые спонтанные флуктуации, происходящие за время меньше 10-7 с, и медленные движения за время больше 10-7 с.

Быстрая подвижность (t < 10-7 с) имеет локальный характер внутри макромолекул. Для таких движений характерна зависи­мость t от размера атомных групп, что свидетельствует о наличии диффузионных процессов. Время ориентационной подвижности групп t обратно пропорционально коэффициенту вращательной диффузии Q. С увеличением размера группы t растет пропорци­онально кубу радиуса группы. Большинство быстрых движений проявляется на поверхности белковой молекулы; частично они вовлекают релаксацию связанной воды.

Для примера приведем времена релаксации некоторых атомных групп. Вращательная релаксация свободных молекул воды имеет t»10-11 – 10-12 с; релаксация связанной воды — 10-8 – 10-9 с; вращательная релаксация боковых групп аминокислот — 10-9 – 10-10 с; равновесные конформационные перестройки на уровне со­седних аминокислотных остатков происходят в мили- и микросекундном интервале.

Медленные движения (t > 10-7 с) требуют более масштабных изменений структуры и связаны с перемещением полипептидных цепей или доменов белковых молекул. Например, время жизни фермент-субстратных комплексов занимает интервал от 10-2 до 10-4 с.

Какова физическая природа флуктуации белковых молекул? В настоящее время обсуждаются различные модели динамической структуры белков. Не вызывает сомнений, что атомы в молекуле белка находятся в постоянном движении, и поэтому картина, наблюдаемая при рентгеноструктурном анализе, соответствует не­которой усредненной структуре. Тепловой энергии достаточно, чтобы обеспечить вращательные движения, которые обусловливают атомные флуктуации в молекуле белка. Наиболее быстрые локаль­ные перемещения за 10-13 с связаны с вращением боковых групп вокруг одинарных связей в полипептидной цепи. Эти вращения (на угол от 20° до 60°) практически несогласованны и стерически огра­ничены соседними группами. Такие локальные перемещения бо­ковых групп напоминают броуновское движение в жидкости.

На протяжении более длительного времени (10-12 10-11 с) локальные хаотические движения сменяются скоординированны­ми перемещениями атомных групп. Величина таких движений может давать существенный вклад в суммарные амплитуды флук­туации атомов в молекуле белка, вызывая деформацию структуры белка как целого. Значительные смещения в плотно упакованной структуре белка возможны только в том случае, когда происходит кооперативное смещение соседних атомов. Наибольшие смещения (до 0,2 нм) атомных групп наблюдаются на поверхности белковой глобулы.

Динамическая модель позволяет понять роль небольших флук­туации в функции ферментов. Быстрые конформационные измене­ния необходимы в фермент-субстратных комплексах для простран­ственной подгонки функциональных групп в активном центре. На примере алкогольдегидрогеназы печени показано, что крупно­масштабным конформационным перестройкам, изменяющим функ­цию фермента, предшествуют высокочастотные мелкие флуктуации структуры. Алкогольдегидрогеназа состоит из четырех структур­ных доменов, между которыми расположен активный центр фер­мента. Доступность субстрата к активному центру регулируется вращением доменов вокруг шарнирного соединения.

С помощью рентгеноструктурного анализа было установлено, что алкогольдегидрогеназа может пребывать в двух конформациях: открытой, с большим зазором между доменами, и закрытой. После завершения химической реакции фермент принимает открытую конформацию и освобождается от продуктов реакции. Спонтанный переход между этими конформациями происходит за более дли­тельное время (10-9 с), чем время локальных флуктуации (10-12 с). Нужно допустить, что осуществление такого относительно мед­ленного крупномасштабного перемещения доменов в ферменте возможно только тогда, когда в результате небольших, достаточно быстрых локальных флуктуации происходит снижение к минимуму энергетического барьера вращения доменов.

Спектральные методы (дифференциальная спектрофотометр, флуоресцентная спектроскопия, ЯМР) являются конформационно-чувствительными и используются для изучения динамики и конформационных перестроек белков.

 


Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 460 | Нарушение авторских прав







При использовании материала ссылка на сайт medlec.org обязательна! (0.003 сек.)