Volume1

218 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис.3.24.Сборкабелков.а)Белоктолькосоднимучасткомсвязыванияможетобразоватьдимерсдругим аналогичнымбелком.б)Одинаковыебелкисдвумяразличнымиучасткамисвязываниячастообразуют длиннуюспиралевиднуюнить.в)Еслидваучасткасвязываниярасположенысоответствующимобразом друг относительно друга, то вместо нити белковые субъединицы могут образовать замкнутое кольцо. (Примервариантаапредставленнарис.3.20,апримервариантав—нарис.3.21.)

мер, аминокислоты в α-спирали), или крупными белковыми молекулами, скрепленными нековалентными взаимодействиями (например, молекулы актина в актиновых филаментах). Это неудивительно. Спираль — обыкновенная структура, которая строится путем простого включения большого числа подобных субъединиц друг за другом – каждая в одном и том же строго повторяющемся пространственном отношении к предыдущей, то есть когда заданный поворот сопровождается определенным поступательным движением по оси спирали, как при движении по винтовой лестнице.

3.1.13.  Молекулы многих белков имеют протяженную волокно-подобную форму

Большинство белков, о которых мы успели поговорить, относятся к глобуляр- ным белкам, в которых полипептидная цепь сворачивается в компактную форму, подобную шару с неровной поверхностью. Ферменты обычно представляют собой глобулярные белки: даже при том, что многие из них обладают большими размерами и сложным строением, состоят из множества субъединиц, в большинстве своем они имеют в целом округлую форму (см. рис. 3.23). Напротив, другие белки выполняют в клетке такие роли, которые требуют, чтобы каждая отдельно взятая молекула

Глава 3. Белки 219

Рис. 3.25. Актиновые филаменты (микрофиламен-

ты). а) Полученные на трансмиссионном электронном микроскопе микрофотографии негативно окрашенных актиновыхфиламентов.б)Расположениемолекулактина по спирали в актиновом филаменте. (Фотографию а любезнопредоставилRogerCraig.)

белка простиралась на большое расстояние. Такие белки, как правило, имеют относительно простую, вытянутую трехмерную структуру и упоминаются обычно как волокнистые,

или фибриллярные, белки.

В ходе рассмотрения α-спирали мы познакомили вас с α-кератином — представителем одного большого семейства внутриклеточных фибриллярных белков, включающего, помимо α-кератина, еще ряд родственных ему белков. Нити кератина чрезвычайно устойчивы и являются главным компонентом та-

ких долговечных структур, как волосы, рога и ногти. Молекула α-кератина представляет собой димер, состоящий из двух идентичных субъединиц, причем длинные α-спирали

субъединиц образуют витую суперспираль (см. рис. 3.9). Каждый конец этой суперспирали увенчан глобулярным доменом, содержащим участки связывания. Такое строение позволяет белкам данного класса собираться в веревкообразные промежуточные филаменты — важные компоненты цитоскелета, который образует внутренний структурный каркас клетки (см. рис. 16.19).

Фибриллярных белков особенно много вне клетки, где они являются главным компонентом гелеобразного внеклеточного матрикса, который помогает связывать совокупности клеток воедино с образованием тканей. Клетки выделяют белки внеклеточного матрикса в окружающую их среду, где те часто собираются в пласты или длинные волоконца.

В тканях животных из таких белков наиболее широко распространен колла- ген. Молекула коллагена состоит из трех длинных полипептидных цепей, которые в каждой третьей позиции содержат неполярную аминокислоту глицин. Такая регулярная структура позволяет цепям закручиваться друг вокруг друга и образовывать длинную правильную тройную спираль (рис. 3.27, а). Множество молекул коллагена связывается друг с другом — как концами, так и боковыми сторонами — в длинные собранные «внахлест» массивы, и таким образом создается чрезвычайно тугие коллагеновые волоконца, которые и придают соединительным тканям присущую им прочность на растяжение, о чем еще будет сказано в главе 19.

3.1.14.  В полипептидных цепях многих белков содержится удивительно много неструктурированных участков

Уже давно известно, что, в отличие от коллагена, другой изобилующий во внеклеточном матриксе белок – эластин — представляет собой в структурном

220 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис. 3.26. Некоторые свойства спирали. а–г) Спираль образуется, когда ряд субъединиц связывается друг с другом регулярным образом. В основании рисунка показано взаимодействие между двумя субъединицами;позадинихрасположеныспирали,выстраиваемыеврезультатетакоговзаимодействия.

В этих спиралях на один виток приходится две (а), три (б) и шесть (в и г) субъединиц. На фотографиях

вверхнейчастирисункапоказанорасположениесубъединиц,еслисмотретьнаспиралистрогосверху вниз.Обратитевнимание,чтоспиральподбуквойгимеетболееширокийконтурпосравнениюстаковойподбуквойвпритомжесамомчислесубъединицнавиток.д)Спиральможетбытькакправой,так илевой.Вкачествепримераможнопривестистандартныеметаллическиевинты,которыевкручиваются при вращении по часовой стрелке и являются правовинтовыми. Следует иметь в виду, что спираль сохранитисходноенаправлениезакрутки,дажееслиееперевернутьвверхтормашками.

отношении крайне неупорядоченный полипептид. Такая разупорядоченность необходима для функции эластина. Его относительно вялые и неструктурированные полипептидные цепи сшиты поперечными ковалентными связями и образуют резиноподобную эластичную сетчатую структуру, которая может обратимо растягиваться с переходом из одной конформации в другую, как показано на рис. 3.27, б. Получающиеся в результате упругие волокна позволяют коже и прочим тканям, образующим, например, артерии и легкие, растягиваться и обратно сжиматься без разрыва.

В действительности, неструктурированные области белков весьма часто встречаются в природе, выполняя важные функции внутри клеток. Как мы успели заметить, белки используют короткие петли полипептидной цепи, которые обычно выступают из сердцевинной области белковых доменов для связывания других молекул. Многие белки имеют намного более протяженные неструктурированные области аминокислотных последовательностей, которые взаимодействуют с какойлибо другой молекулой (часто это ДНК или белок), претерпевая структурный

Глава 3. Белки 221

Рис.3.27.Коллагениэластин.а)Коллагенпредставляетсобойтройнуюспираль,образуемуютремявытянутымибелковымицепями,которыеобвиваютсядругвокругдруга(внижнейчастирисунка).Множество стержнеобразных молекул коллагена стягивается воедино поперечными сшивками во внеклеточном пространствеиформируетнерастяжимыеколлагеновыеволоконца(вверхнейчастирисунка),которые обладаютпрочностьюнарастяжение,сопоставимойстаковойдлястали.Чередованиеполос,заметное на поверхности коллагенового волоконца, обусловлено регулярным повторяющимся расположением молекулколлагенавструктуретакоговолоконца.б)Полипептидныецепиэластинасвязаныдругсдругом поперечными сшивками и образуют резиноподобные эластические волокна. Молекулы эластина принимаютболеевытянутыеконформации,когдаволокнорастягивают,исамопроизвольноскручиваются обратнопослеснятиярастягивающейсилы.

222 Часть 1. Введение в мир клетки

переход в специфическую свернутую конформацию при связывании с этой другой молекулой. Другие белки в большей или меньшей мере напоминают эластин в том смысле, что для выполнения их функции нужно, чтобы они оставались в значительной степени неструктурированными. Например, встречающиеся в больших количествах нуклеопорины, которые покрывают внутреннюю поверхность комплекса ядерной поры, образуют сетчатую структуру из беспорядочно расположенных спиралей, что неразрывно связано с переносом веществ через ядерную мембрану (см. рис. 12.10). Наконец, как мы покажем ближе к концу этой главы (см. рис. 3.80, в), неструктурированные области полипептидной цепи зачастую используются как участки связывания тех или иных белков, совместно функционирующих в катализе какой-либо биологической реакции. Так, например, для содействия передаче сигналов между клетками крупные каркасные белки используют такие гибкие области как «привязи», на которых скапливаются группы взаимодействующих белков, что позволяет удерживать последние в определенных участках клетки (обсудим это в главе 15).

Мы можем идентифицировать неструктурированные области во многих белках по их отличающемуся от остальной цепи аминокислотному составу: они содержат очень мало разветвленных гидрофобных аминокислот, которые обычно формируют внутреннюю часть (кор) свернутого белка, но включают большую долю аминокислот Gln, Ser, Pro, Glu и Lys. Такие «естественно развернутые» области часто содержат и повторяющиеся последовательности аминокислот.

3.1.15.  Внеклеточные белки нередко стабилизируются ковалентными поперечными межмолекулярными связями

Молекулы многих белков или прикреплены к внешней стороне плазматической мембраны клетки, или выделяются как часть внеклеточного матрикса. Все такие белки непосредственно соприкасаются с внеклеточной средой и подвергаются ее воздействию. Для поддержания структуры таких белков их полипептидные цепи часто стабилизированы поперечными ковалентными связями. Такие поперечные сшивки могут либо связывать друг с другом две аминокислоты из одного и того же белка, либо соединять различные полипептидные цепи в многосубъединичном белке. Самые обычные поперечные сшивки в белках представлены ковалентными связями типа сера–сера. Такие дисульфидные связи (также называемые связями S–S) образуются, когда клетки подготавливают недавно синтезированные белки к экспорту. Как будет описано в главе 12, их образование катализируется в эндоплазматической сети особым ферментом, который связывает две SH-группы из боковых цепей пары цистеинов, оказавшихся рядом в свернутом белке (рис. 3.28). Дисульфидные связи не изменяют конформацию белка, но, вместо этого, действуют как атомарные скобы, скрепляющие его наиболее благоприятную конформацию. Например, лизоцим — содержащийся в слезах фермент, который растворяет клеточные стенки бактерий, — сохраняет свои антибактериальные свойства в течение длительного времени, потому что он стабилизирован такими поперечными сшивками.

Дисульфидные связи обычно не могут образоваться в цитозоле клетки, где высокая концентрация восстановителей превращает связи S–S обратно в SH-группы цистеина. Очевидно, в относительно мягкой среде внутри клетки белкам не требуются «укрепления» такого типа.

Глава 3. Белки 223

Рис.3.28.Дисульфидныесвязи.Наэтойсхемепоказано,какмеждурасположеннымипоблизостиостаткамицистеинаобразуютсяковалентныедисульфидныесвязи.Каквидно,такиепоперечныесшивкимогут соединитьилидвечастиоднойитойжеполипептиднойцепи,илидверазныеполипептидныецепи.Так какэнергия,требуемаядляразрываоднойковалентнойсвязи,намногобольшеэнергии,необходимой длянарушениядажецелойгруппынековалентныхсвязей(см.таблицу2.1,стр.82),дисульфидныесвязи могутдаватьосновнойвкладвстабилизациюбелка.

3.1.16.  Молекулы белка часто служат субъединицами для сборки довольно крупных структур

Те же самые принципы, которые позволяют молекуле белка связать свои собственные части в кольца или нити, обусловливают также образование намного более крупных структур в клетке — надмолекулярных структур типа ферментных комплексов, рибосом, белковых нитей, вирусов и мембран. Такие колоссальные образования строятся не в виде единых гигантских скрепленных внутренними ковалентными связями молекул. Напротив, они образуются за счет нековалентного связывания многочисленных, производимых по отдельности, молекул, которые служат субъединицами конечной структуры.

Применение малых субъединиц для построения из них более крупных структур имеет ряд преимуществ.

1.Для построения крупной структуры из одной или нескольких повторяющихся субъединиц меньшего размера требуется лишь небольшое количество генетической информации.

2.Как сборкой, так и разборкой можно легко управлять (суть обратимые процессы), потому что субъединицы связываются между собой посредством множественных связей относительно низкой энергии.

3.При синтезе такой структуры легче избежать ошибок, так как в ходе сборки могут работать механизмы исправления, позволяющие оперативно изымать из него дефектные субъединицы.

Некоторые белковые субъединицы собираются в плоские листы, где они располагаются по принципу гексагональной упаковки. Иногда подобным образом упаковываются специализированные мембранные белки в липидных бислоях.

Снебольшим изменением в геометрии отдельных субъединиц гексагонально упа-

224 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис. 3.29. Пример сборки из единичных белковых субъединиц, в ходе которой образуются много-

численныемежбелковыеконтакты.Гексагональноупакованныешаровидныебелковыесубъединицы могутобразоватьлибоплоскийлист,либотрубку.

кованный лист может быть преобразован в трубку (рис. 3.29) или — при более существенных изменениях — в полый шар. Белковые трубки и сферы, которые связывают специфические молекулы РНК и ДНК в своих внутренних полостях, образуют оболочки вирусов.

Образование замкнутых структур, таких как кольца, трубки или сферы, обеспечивает им дополнительную устойчивость, потому что они скреплены большим числом связей между белковыми субъединицами. Более того, поскольку такая структура создана за счет взаимозависимых коллективных взаимодействий между субъединицами, относительно небольшое изменение, способное затронуть каждую из субъединиц в отдельности, может вызвать сборку или разборку всей структуры. Эти принципы заложены в белковой оболочке, или капсиде, многих простых вирусов, имеющих форму полого шара, в котором просматриваются двадцать правильных граней (рис. 3.30). Часто капсиды вирусов строятся из сотен тождественных белковых субъединиц, которые прикрывают и защищают вирусную нуклеиновую кислоту (рис. 3.31). Белок в таком капсиде должен обладать структурой, в особенности легко адаптируемой к новым условиям: кроме того, что ему необходимо образовывать контакты нескольких разных видов для создания сферы, он еще должен обладать способностью изменять эту конструкцию, чтобы «выпускать» нуклеиновую кислоту наружу для запуска репликации вируса, как только последний проникнет в клетку.

3.1.17.  Многие структуры в клетках обладают способностью к самосборке

Информация, необходимая для образования многих сложных макромолекулярных ансамблей в клетках, должно быть, содержится в самих субъединицах, потому что в соответствующих условиях очищенные субъединицы способны самопроизвольно собираться в окончательную структуру. Первой крупной совокупностью макромолекул, продемонстрировавшей свою способность к самосборке из составных частей, был вирус табачной мозаики (ВТМ). Этот вирус представляет собой длинную трубку, в которой стержень из закрученной в спираль РНК заключен

Глава 3. Белки 225

Рис.3.30.Капсидынекоторыхвирусов,представленныевединоммасштабе.а)Вирускустистойкарли-

ковоститомата;б)полиовирус(вирусполиомиелита);в)вирусобезьян40(SV40,simianvirus);г)сателлитныйвируснекрозатабака.Структурывсехэтихкапсидовопределеныспомощьюрентгеноструктурного анализаиизвестнынаатомарномуровне.(СнимкилюбезнопредоставилиR. Grant,S. Crainic,J. Hogle.)

вбелковый цилиндр (рис. 3.32). Если отделенные друг от друга РНК и белковые субъединицы смешать в растворе, то они воссоединятся с образованием полностью активных вирусных частиц. Процесс сборки на удивление сложен и включает

всебя формирование двойных белковых колец, которые служат промежуточными звеньями и добавляются к растущей вирусной оболочке.

Еще одна сложная макромолекулярная конструкция, которая способна повторно собираться из составляющих ее частей, — бактериальная рибосома. Эта структура состоит примерно из 55-ти различных белковых молекул и 3-х различных молекул рРНК. Инкубирование отдельных компонентов при соответствующих условиях в пробирке приводит к самопроизвольной сборке в первоначальную структуру. Что наиболее важно, такие реконструированные рибосомы способны катализировать синтез белка. Как можно ожидать, повторная сборка рибосом идет по определенному пути: после того как определенные белки свяжутся с РНК, этот комплекс узнается другими белками, и так далее, пока структура не будет полностью собрана.

Все еще не ясно, как регулируются некоторые из более сложных процессов самосборки. Например, многие структуры в клетке, как оказалось, имеют точно заданную длину, которая во много раз превышает протяженность составляющих их макромолекул. Как достигается столь точное пред-определение длины, является во многих случаях необъяснимой тайной. Три возможных механизма представ-

226 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис. 3.31. Структура сферического вируса. У многих вирусов идентичные белковые субъединицы упакованы одна к одной в сферическую оболочку (капсид), в которой заключен геном вируса, состоящий из РНК либо из ДНК (см. также рис. 3.30). По геометрическим причинам не более 60-ти идентичных субъединицмогутбытьупакованывоединоссоблюдениемточнойсимметрии.Однако,еслидопустимы небольшие нерегулярности в упаковке, то число субъединиц может быть больше и созданный из них нуклеокапсидбудетиметьболеевнушительныйразмер,сохраняяприэтомикосаэдрическуюсимметрию. Например, изображенный на этом рисунке вирус кустистой карликовости томата (TBSV) представляет собой сферический вирус диаметром около 33 нм, образованный из 180-ти тождественных копий состоящего из 386-тиаминокислот капсидного белка иРНК-генома из4 500нуклеотидов. Для того чтобы построить столь крупный капсид, белок должен быть способен вписаться в три различных окружения, по-разному окрашенных в представленной на рисунке вирусной частице. Показан предполагаемый путь сборки; точная трехмерная структура определена с помощью рентгеноструктурного анализа. (СразрешенияS. Harrison.)

лены на рис. 3.33. В наиболее простом случае длинный стержневой (кор) белок или другая макромолекула служат каркасом, который предопределяет пределы окончательной сборки. Это механизм, который определяет длину частицы ВТМ,

Глава 3. Белки 227

Рис. 3.32. Структура вируса табачной мозаики (ВТМ). а) Электронный микрофотоснимок вирусной частицы,котораясостоитизоднойдлинноймолекулыРНК,заключеннойвцилиндрическуюбелковую оболочку,состоящуюизидентичныхбелковыхсубъединиц.б)Модель,показывающаячастьструктуры ВТМ. Молекула одноцепочечной РНК из 6 395 нуклеотидов упакована в спиралевидную оболочку, построенную из 2 130 копий белка оболочки, состоящего из 158 аминокислот. Инфекционные вирусные частицы могут самособираться в пробирке из очищенных молекул РНК и белка. (Рисунок под буквой а любезнопредоставилR. Williams;б—R. J. Feldmann.)

где стержнем выступает цепь РНК. Подобным же образом кор-белок, как думают, определяет длину тонких филаментов в мышцах, равно как и размер длинных хвостов некоторых бактериальных вирусов (рис. 3.34).

3.1.18.  Образованию сложных биологических структур часто помогают факторы сборки

Не все клеточные структуры, собирающиеся в единое целое за счет нековалентных взаимодействий, делают это сами. Например, митохондрия, ресничка или миофибрилла мышечной клетки не могут самопроизвольно образоваться в растворе, который содержит все входящие в их состав макромолекулы. В подобных случаях часть необходимой для сборки информации предоставляется специальными ферментами и другими белками, которые выполняют функцию матриц, направляющих построение по должному пути, но никоим образом не присутствующих в окончательно собранной структуре.