Кинетические аспекты денатурации и самоорганизации белков . <...> 339 Водородные связи белковой цепи в водном окружении . <...> 1) Фибриллярные белки образуют огромные агрегаты, в которых воды довольно мало; их структура обычно высоко регулярна и держится в основном взаимодействиями между разными цепями. <...> 2) Мембранные белки «живут» в мембране, где нет воды, но части их выступают из мембраны в воду. <...> Внутримембранные части таких белков, как и фибриллярные белки, высоко регулярны и прошиты водородными связями, но размер этих регулярных частей ограничен толщиной мембраны. <...> 3) Водорастворимые, живущие в воде глобулярные белки наименее регулярны (особенно небольшие); их структура держится взаимодействиями белковой цепи с самой собой, причем особенно важны взаимодействия далеких по цепи, но сблизившихся в пространстве углеводородных («гидрофобных», т. е. «боящихся воды») групп, а порой также и взаимодействиями белковой цепи с кофакторами. <...> Причина проста: водорастворимые белки легче выделять в виде отдельных молекул и их структуру легче изучать и рентгеном (в кристаллах) и спектроскопией ЯМР в растворах. <...> Архитектуры белков, особенно глобулярных водорастворимых белков, сложны и разнообразны, в противоположность универсальности двойной спирали ДНК (кстати, одноцепочечные РНК здесь как бы занимают промежуточное положение). <...> Уровни организации белковой структуры: первичная структура (аминокислотная последовательность); вторичная структура (показаны -спираль и один тяж -структуры); третичная структура глобулы, сложенной одной цепью; четвертичная структура олигомерного, сложенного из нескольких цепей белка (в данном случае димерного cro-репрессора) Прежде всего здесь речь идет о регулярных вторичных структурах белка — об -спирали и -структуре; -спирали часто изображаются спиральными лентами или цилиндрами, а вытянутые -структурные участки (слипаясь, они образуют листы) — стрелками (см. рис. <...> Картинки <...>
Физика_белковых_молекул.pdf
УДК 577.3
ББК 28.071
Ф 598
Интернет-магазин
http://shop.rcd.ru
• ф и з и к а
• м а т е м а т и к а
• б и о л о г и я
• н е ф т е г а з о в ы е
т е х н о л о г и и
Финкельштейн А. В.
Физика белковых молекул. — М.–Ижевск: Институт компьютерных исследований,
2014. — 424 с.
Предлагаемая книга обобщает результаты фундаментальных исследований
и — в частности — исследований ее авторов по проблемам биофизики белков. Она
охватывает разнообразные аспекты физики белковых молекул: от классификации
и принципов устройства пространственных структур белков (мембранных, фибриллярных
и, в особенности, лучше всего изученных водорастворимых глобулярных
белков) — до принципов функционирования белков и устройства их активных
центров; от элементарных взаимодействий в белках и их (белков) взаимодействия
со средой — до конформационных переходов в белках, полипептидах и синтетических
полимерах. Большое внимание уделено самоорганизации белков (как и in vivo,
так и, в особенности, in vitro), интермедиатам (типа открытой О. Б. Птицыным
и его сотрудниками «расплавленной глобулы») и ядрам сворачивания белков,
а также белковой инженерии и дизайну и принципам кодирования структуры белка
его аминокислотной последовательностью.
Книга предназначена для широкого круга студентов, аспирантов и научных
сотрудников — биологов, медиков, биохимиков, биофизиков.
ISBN 978-5-4344-0193-7
ББК 28.071
© А. В. Финкельштейн, 2014
© АНО «Ижевский институт компьютерных исследований», 2014
http://shop.rcd.ru
http://ics.org.ru
Стр.4
Оглавление
Предисловие, благодарности и предварительные замечания ................. 9
ГЛАВА 1. Введение ........................................................................................... 11
ГЛАВА 2. Аминокислотные остатки и полипептидные цепи .................. 25
Аминокислотные остатки .................................................................... 25
Валентные связи и атомы ..................................................................... 26
Карты Рамачандрана ............................................................................. 34
ГЛАВА 3. Вторичные структуры полипептидных цепей ......................... 41
Строение вторичных структур ............................................................. 41
Флуктуирующий клубок ...................................................................... 48
Экспериментальное наблюдение вторичных структур ..................... 50
Аминокислотные остатки и вторичные структуры ............................ 52
Термодинамика образования α- и β-структур из клубка................... 57
Кинетика образования α- и β-структур из клубка ............................. 63
ГЛАВА 4. Фибриллярные белки ................................................................... 75
α- и β-структурные фибриллярные белки .......................................... 75
Коллаген ................................................................................................ 79
«Ошибочное» сворачивание фибриллярных белков, амилоиды
и болезни ............................................................................................ 82
ГЛАВА 5. Мембранные белки ........................................................................ 87
Устройство и работа мембранных белков .......................................... 87
Туннельные переходы .......................................................................... 96
ГЛАВА 6. Водорастворимые глобулярные белки .................................... 101
β-структурные глобулярные белки ................................................... 105
α-структурные глобулярные белки ................................................... 115
Глобулярные белки типа α/β и α+β .................................................. 122
Правовинтовой ход перемычек, соединяющих β-участки .............. 127
ГЛАВА 7. Типичные структуры глобулярных белков
и квазислучайные аминокислотные последовательности ............... 131
Классификация мотивов укладки белковых цепей .......................... 131
Видим ли мы эволюцию структур белков? ....................................... 134
«Типовые мотивы» и «дефекты» укладки белковых цепей ........... 137
Типовые структуры и «случайные» аминокислотные
последовательности ....................................................................... 148
Стр.5
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Квази-больцмановская статистика дефектов белковых
архитектур ........................................................................................ 152
Глобулярные белки возникли как «отобранные» случайные
полипептиды? .................................................................................. 164
ГЛАВА 8. Денатурации и самоорганизации белков: структурные
и термодинамические аспекты .............................................................. 169
Нативно-неупорядоченные белки...................................................... 169
Кооперативные переходы при денатурации белков ........................ 170
Как выглядит денатурированный белок? .......................................... 177
Расплавленная глобула ....................................................................... 181
Переход «глобула–клубок» в обычных гомополимерах ................. 183
Почему денатурация белка происходит как переход «всё или
ничего»? ........................................................................................... 187
Различия в плавлении «отобранного» гетерополимера
(с энергетической щелью) и «случайного» гетерополимера ...... 193
ГЛАВА 9. Кинетические аспекты денатурации и самоорганизации
белков ............................................................................................................. 203
Образование структуры белка in vivo ................................................ 203
Самоорганизация структуры белка in vitro ....................................... 205
Механизмы, помогающие образованию структуры белка in vivo .. 207
Загадочность спонтанной самоорганизации белков.
Парадокс Левинталя ........................................................................ 210
Стадии и интермедиаты в самоорганизации белков ........................ 211
Одностадийное сворачивание небольших белков ........................... 214
Ядро сворачивания нативной структуры белка ............................... 222
ГЛАВА 10. Теория самоорганизации глобулярных белков ................... 233
ГЛАВА 11. Предсказание и дизайн белковых структур ......................... 255
Предсказание структур белков по их аминокислотным
последовательностям ...................................................................... 255
Белковая инженерия ........................................................................... 268
Конструирование белковых молекул ................................................ 272
ГЛАВА 12. Физические основы функционирования белков ................ 281
Функция белка и его структура ......................................................... 281
Ферменты — белки, катализирующие биохимические реакции .... 288
Сочетание ферментативных функций ............................................... 298
Относительная независимость структуры белка от его
элементарной ферментативной активности .................................. 299
Сопряжение элементарных функций белка и гибкость его
структуры. Индуцированное соответствие и подвижность
доменов белка .................................................................................. 302
Стр.6
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
Аллостерия — взаимодействие активных центров .......................... 308
Механохимические функции белков ................................................. 311
Приложения .................................................................................................. 325
А. Электростатические взаимодействия в водном окружении .................. 325
Заряды в неоднородной среде ............................................................ 327
Заряды в корпускулярной среде ........................................................ 330
Измерение электрических полей в белках при помощи
белковой инженерии ....................................................................... 333
Дополнительные замечания ............................................................... 335
Б. Водородные связи...................................................................................... 339
Водородные связи белковой цепи в водном окружении ................. 344
В. Дисульфидные и координационные связи .............................................. 349
Г. Гидрофобные взаимодействия ................................................................ 353
Элементы термодинамики ................................................................. 353
Гидрофобность: феноменология ....................................................... 355
Физический смысл гидрофобного эффекта ...................................... 359
Доступная воде поверхность молекул и их гидрофобность ........... 362
Д. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия: отталкивание и притяжение
атомов .......................................................................................................... 369
Е. Конформационные превращения: термодинамика и статистическая
физика ......................................................................................................... 375
Не-фазовые и фазовые переходы ....................................................... 380
Ж. Конформационные превращения: кинетика .......................................... 385
З. «Свободный пробег» и диффузия ............................................................ 391
И. Теория переходов «спираль–клубок» в гомополимерах ....................... 395
К. Модель случайных энергий ...................................................................... 399
«Энергетическая щель» в модели случайных энергий .................... 401
Л. Теория переходов «глобула–клубок» в гомополимерах ........................ 405
М. Математический аппарат статистической физики одномерных
систем и динамическое программирование ............................................. 411
Одномерные системы: статистическая физика и поиск энергетического
минимума ....................................................................... 411
Динамическое программирование и поиск оптимального выравнивания
последовательностей .................................................. 415
Предметный указатель ............................................................................... 417
Стр.7