Структура белков.
Биоинформатика

РефератПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Структура белков. Биоинформатика (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Молекулы белков, являясь, как и молекулы нуклеиновых кислот (РНК/ДНК), протяженными полимерами, имеют ряд существенных особенностей. Особенности белков проявляются как в химическом строении и большем разнообразии мономеров (рис. 1.13—1.17), так и в общем принципе построения цепи (рис. 1.18). Мономерами белков являются а-аминокислоты — группа соединений, для которых характерно наличие одновременноСООНиNH^-групп, располагающихся у одного атома углерода. Обобщенная структура а-аминокислот (далее просто — аминокислот) приведена на рис. 1.13. Буквой R обозначена боковая цепь, специфичная для каждой аминокислоты.

Рис. 1.13. Обобщенная химическая структура аминокислот (слева) и каркасная модель (справа):

R — схематичное обозначение боковой группы В зависимости от химического строения боковой цепи аминокислоты делят на группы:

• неполярные алифатические (рис. 1.14);
• ароматические (рис. 1.15);
• полярные незаряженные (рис. 1.16);
• заряженные положительно (рис. 1.17, а) и отрицательно (рис. 1.17, б).

Рис. 1.14. Неполярные алифатические аминокислоты и их обозначения:

глицин (Glv/G); аланин (А1а/А); валин (Val/V); лейцин (Leu/L); метионин (Met/M); изолейцин (Пе/1).

Рис. 1.15. Ароматические аминокислоты:

фенилаланин (Phe/F), тирозин (Tyr/Y), триптофан (Trp/VV).

Рис. 1.16. Полярные незаряженные аминокислоты:

серин (Ser/S), треонин (Thr/T), цистеин (Cys/C), пролин (Рго/Р), аспарагин (Asn/N), глутамин (Gln/Q).

Рис. 1.17. Полярные заряженные аминокислоты:

а — положительно заряженные (лизин (Lys/K), аргинин (Arg/R), гистидин (His/H)); б — отрицательно заряженные (аспарагиновая кислота (Asp/D), глутаминовая кислота (Glu/E)).

При объединении отдельных аминокислот в полимер (молекулу белка) связь формируется между СООН-группой одной аминокислоты (одного аминокислотного остатка) и NH-группой другой (рис. 1.18). Таким образом, в белковой молекуле можно выделить N- (свободная амидная группа) и С- (свободная карбоксильная группа) концы и, следовательно, направление¹.

Рис. 1.18. Образование пептидной связи (вверху) и схематичное изображение фрагмента полипептидной цепи (внизу)

Если обратиться к геометрии остова полипептидной цепи (рис. 1.19), то можно заметить, что она составлена из планарных фрагментов, соединенных шарнирами из пар двугранных (торсионных) углов ср и /. Это происходит из-за того, что химические связи С'- и N-атомов лежат практически в одной плоскости, а углы между связями каждого из атомов близки к 120°. В то же время электронные оболочки Са-атома находятся в зр^[1]-гибридизации, формируя химическими связями тетраэдрическую структуру и упомянутые выше углы вращения. Что же касается самой пептидной связи, то вращение вокруг нее, т. е. изменение двугранного угла со, затруднено ввиду возникающего резонанса с двойной связью карбонильной группы (рис. 1.20), а величина самого угла зафиксирована значениями 180 или (гораздо реже) 0°^[2]^[3].

Таким образом, все разнообразие конформации полипептидного остова определяется парами значений углов ср и ц/. Одним из способов наглядно представить возможные комбинации значений этих углов являются карты Рамачандрана (рис. 1.21). Картами Рамачандрана называют графики, на которых по одной из осей откладывают значения угла (р, а по второй — угла |/. Множество всех точек на карте Рамачандрана отображает все возможные варианты пар этих углов. Углы (р и |/, в отличие от угла со, не заторможены за счет мезомерии (резонанса), но наличие крупных замещающих групп у Са-атома накладывает на них стерические ограничения. Выраженность данных ограничений для конкретного аминокислотного остатка связана с размерами его боковой группы. Наименее ограничен в этом плане остаток глицина, у которого боковая группа состоит только из одного атома водорода.

Рис. 1.19. Схематическое изображение остова полипептидной цепи:

углы ср, |/ и со определяют конформацию цени, при этом угол со зафиксирован в планарной структуре пептидной связи.

Рис. 1.20. Резонансная стабилизация пептидной связи, ограничивающая вращение вокруг нее.

Анализ карт Рамачандрана аминокислотных остатков с более длинными боковыми цепями, построенных на основании реальных белковых структур (рис. 1.22), показывает наличие нескольких кластеров пар значений углов сри |/. В пространственной структуре эти кластеры соответствуют определенным типам конформаций локальных фрагментов полипептидной цепи — так называемой вторичной структуре белка^[4].

Переходя к вопросам пространственной организации полипептидных цепей, следует отметить ряд существенных отличий в принципах формирования пространственной структуры белка от таковых, характерных для нуклеиновых кислот. Если рассматривать азотистое основание нуклеотида как аналог боковой цепи аминокислоты, то азотистые основания обладают несколькими важными особенностями:

• для азотистых оснований есть «предпочтительные» взаимодействия, фиксирующие взаимное расположение и даже типы взаимодействующих звеньев, а именно комплементарные взаимодействия азотистых оснований (АТ, ГЦ) с образованием водородных связей и стекинговые^[5] взаимодействия ароматических колец соседних нуклеотидов;
• для азотистых оснований характерно существенно меньшее количество возможных конформаций молекулы, поскольку фактически есть только одна связь, допускающая свободное вращение (двугранный угол % (см. рис. 1.6, а)).

Рис. 1.21. Карта Рамачандрана для остатка глицина:

плотность точек отражает вероятность принятия углами |/ и (р соответствующей пары значений.

Рис. 1.22. Карта Рамачандрана для аминокислотных остатков (за исключением остатков глицина и пролина) из реальных белков:

подписаны кластеры значений углов, характерных для определенных типов конформации полипептидной цепи (вторичной структуры) В отличие от нуклеиновых кислот, боковые группы аминокислотных остатков не имеют явно выраженных и общих для всех типов боковых групп принципов взаимодействия. Рассмотрим один из ключевых видов взаимодействия, участвующих в формировании пространственной структуры белков, — гидрофобные взаимодействия. Гидрофобные взаимодействия, наблюдаемые между неполярными боковыми цепями аминокислотных остатков в полярном растворителе (например, в воде), являются следствием энергетически невыгодной конфигурации молекул полярного растворителя, контактирующих с этими группами. Энергетические потери в этом случае связаны с ограничениями подвижности «пограничных» молекул (уменьшение степеней свободы, энтропийный фактор) и уменьшением количества их водородных связей с соседними молекулами растворителя. Подобное энергетически невыгодное взаимодействие неполярных боковых групп с полярным растворителем заставляет неполярные группы «слипаться» друг с другом, уменьшая таким образом суммарную площадь контакта полярных и неполярных молекул^[6]. Перечисленные особенности гидрофобного взаимодействия, целью которого является уменьшение суммарной поверхности контакта гидрофобных (неполярных) групп с полярным растворителем, не накладывают существенных ограничений на взаимную ориентацию взаимодействующих остатков.

Другим важным отличием боковых групп аминокислот от азотистых оснований нуклеотидов является, как правило, большая конформационная свобода боковой цепи. Для «длинных» боковых групп, т. е. групп, состоящих из более чем одного поливалентного атома, каждая связь между атомами боковой цени предоставляет возможности для свободного вращения. Если визуально наложить аминокислотные остатки одного типа, взятые из реальных белков, то ротамеры^[7] боковых цепей будут формировать своеобразный «зонтик» возможных конформаций (рис. 1.23).

Указанные выше особенности аминокислот приводят к тому, что определять (предсказывать, моделировать) пространственную структуру полипептидной цепи на основании аминокислотной последовательности существенно сложнее, чем пространственную структуру нуклеиновых кислот. Па текущий момент определение пространственной структуры белка, но его аминокислотной последовательности в общем случае и для произвольного белка невозможно, хотя существуют методы, которые при соблюдении ряда условий позволяют сделать это для определенных групп белков. Подробнее проблема моделирования пространственной структуры белка, но его аминокислотной последовательности рассмотрена в подпараграфе 1.3.3.

Рис. 1.23. Наложение каркасных моделей ротамеров аргинина:

атомы водорода не показаны; подписаны атомы основной цени (О, С, N, Са) и Ср-атом.

[1] водорода, что приводит к стерически более выгодному расположению боковых групп соседних остатков по разные стороны от плоскости пептидной связи (планарного фрагментаполипептидной цепи).
[2] В живых организмах синтез белков идет в направлении N-конца.
[3] Угол в 180° задаст транс-конфигурацию кислорода карбонильной группы и амидного
[4] Под первичной структурой белка обычно понимают его аминокислотную последовательность.
[5] Стэкинговые взаимодействия — стабилизирующий эффект, возникающий при расположении ароматических колец азотистых оснований друг над другом (т.е. они «формируют"стек (стопку)). Эффект связан с взаимовлиянием тс-электроииых орбиталей атомов, формирующих соседние кольца.
[6] В качестве простой, бытовой иллюстрации этого типа взаимодействия можно привестиповедение капель масла в воде, как известно, принимающих округлую форму, что минимизирует соотношение площадь / объем.
[7] Ротамерами (конформационными изомерами вращения) называют различные конфигурации одной и той же молекулы, вызванные возможностью свободного вращения вокругодной или нескольких внутренних химических связей.

Показать весь текст

Заполнить форму текущей работой