Это разнообразие определяется огромным множеством воз можных сочетаний аминокислотных остатков в длинных полипептидных цепях белков, состоя щих из нескольких сотен аминокислотных остатков. <...> Белки 3 являются обязательным компонентом биологических мембран, составляют основу цитоскелета, входят в состав соединительных тканей, волосяного покрова, т. е. обеспе чивают «строительную» функцию (структурные белки). <...> Такие типичные структуры могут представлять не весь глобулярный белок целиком, а лишь его компактную субглобулу – «домен». <...> Увеличение количества мономеров в полипептидной цепи неизбежно привело к образова нию изгибов, петель, обособлению отдельных фолдов, т. е. к возникновению вторичной, «сверхвторичной», доменной структуры глобулярных белков. <...> Способы укладки белковой цепи выглядят стандартно, просто и регулярно потому, что каркас белковой структуры представляет собой компактную упаковку слоев вытянутых регулярных твердых структур (α-спиралей и β-слоев), а нерегулярные перемычки идут по поверхности глобулы, не пересекая ни друг друга, ни торцов структурных сегментов. <...> И как физический процесс фолдинг белков имеет все характеристики, типичные для сложного процесса, подчиняющегося законам физики. `lhmnjhqknŠ{ $ qŠprjŠrpm{e gbem|“ aekjnb Ключ к пониманию структуры любо го из сотен тысяч различных белков дает небольшая группа простых молекул, которые выполняют роль строи тельных блоков. <...> Особенности строения протеиногенных аминокислот Все 20 аминокислот, встречающиеся в белках, характеризуются общей струк турной особенностью – наличием кар боксильной группы и аминогруппы, свя занных с одним и тем же α(альфа)-углеродным атомом (рис. <...> Различаются аминокислоты по строению боковой цепи R (R-группы или радикала), которые у разных амино кислот неодинаковы по структуре, элек трическому заряду и растворимости в воде. <...> Общая структурная формула протеиногенных амино кислот 20 аминокислот, входящие в со став <...>
Структура_биополимеров.pdf
УДК 678
ББК 28.072
К 92
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета
Учебник подготовлен и издан в рамках национального проекта
«Образование» по «Программе развития федерального
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
“Þôæíûé федеральный университет” на 2007–2010 ãã.»
Куприянов Ì. Ô., Владимирский Á. Ì.,
Кирой Ð. È., Кофанова Í. Á.
К 92 Структура биополимеров. Общие проблемы структуры, самоорганизации
и функционирования белковых молекул. Методы
структурного анализа белков : учебник / М. Ф. Куприянов,
Á. Ì. Владимирский, Ð. È. Êèðîé, Í. Á. Êîôàíîâà. ×. 1. —
Ростов í/Ä : Èçä-âî ÞÔÓ, 2008. – 224 ñ.
В предлагаемом учебнике подробно рассмотрены особенности
строения аминокислот — структурных звеньев белков, валентные
и невалентные взаимодействия, стабилизирующие структуру белков,
основные уровни структурной организации белков, их способность
к самоорганизации, основные модели и факторы фолдинга белков,
термодинамические и кинетические аспекты этого процесса, а также
ISBN 978-5-9275-0469-5
ISBN 978-5-9275-0469-5
основные физико-химические методы структурного анализа белков.УДК 678
ББК 28.072
© Куприянов Ì. Ô., 2008
© Владимирский Á. Ì., 2008
© Кирой Ð. È., 2008
© Кофанова Í. Á., 2008
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета,
2008
Стр.2
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................3
Глава 1. АМИНОКИСЛОТЫ — СТРУКТУРНЫЕ ЗВЕНЬЯ
БЕЛКОВ ..........................................................................7
1.1. Особенности строения протеиногенных аминокислот ...........8
1.2. Классификация аминокислот на основе строения и свойств
радикалов ............................................................................ 10
1.3. Ионизация аминокислот в водных растворах ...................... 17
1.4. Стереоизомерия аминокислот ............................................. 18
Глава 2. ВАЛЕНТНЫЕ И НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
В БЕЛКАХ .................................................................... 25
2.1. Особенности строения пептидной связи .............................. 26
2.2. Дисульфидные связи ............................................................. 29
2.2.1. Дисульфидные мостики как составные части структуры
белков ................................................................................... 29
2.2.2. Роль дисульфидных связей в структуре внеклеточных
и внутриклеточных белков ..................................................... 31
2.3. Координационные связи ....................................................... 32
2.4. Невалентные взаимодействия ............................................. 34
2.5. Стабилизация структуры белков в воде .............................. 40
2.6. Концепция свободной энергии ............................................... 48
Глава 3. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ В АРХИТЕКТУРЕ
БЕЛКОВ ........................................................................ 57
3.1. Первичная структура белковой молекулы ........................... 57
3.1.1. Сопоставление первичных структур нормальных
и аномальных белков ............................................................. 60
3.1.2. Выявление гомологии аминокислотных последовательностей
белков — основа изучения молекулярной эволюции белков ...... 61
221
Стр.221
3.1.3. Предсказания пространственных структур белков
по их аминокислотным последовательностям ........................... 62
3.2. Вторичная структура белков ............................................. 63
3.2.1. Регулярные вторичные структуры ........................................... 65
3.2.2. Нерегулярные вторичные структуры ....................................... 70
3.2.3. Предсказания вторичной структуры белков ............................. 70
3.3.4. Изменения вторичной структу ры белков прионов ..................... 72
3.3. Сверхвторичные структуры белков .................................... 72
3.3.1. Особенности сверхвторичных структур фибриллярных
и глобулярных белков ............................................................ 73
3.3.2. Доменный (модульный) принцип органи зации белков.
Структурные домены .............................................................. 74
3.4. Пространственная структура белков ................................. 79
3.4.1. Взаимодействия, стабилизирующие третичную структуру
глобулярных белков ............................................................... 88
3.5. Олигомерные белки .............................................................. 91
3.6. Посттрансляционные модификации главной цепи,
контролируемые ферментами ............................................. 95
3.6.1. Модификации по N- и Ñ-êîíöàì полипептидной цепи .............. 96
3.6.2. Специфическое расщепление полипептидной цепи ................... 97
3.6.3. Сигнальные последовательности в пробелках ........................... 98
3.6.4. Контролируемые ферментами модификации боковых цепей
аминокислот .......................................................................... 99
Глава 4. ФОЛДИНГ БЕЛКОВ ..................................................... 101
4.1. Модели сворачивания белков .............................................. 103
4.1.1. Модель промежуточных состояний ........................................ 103
4.1.2. Сворачивание по принципу «âñå или íè÷åãî» ..................................105
4.2. Факторы фолдинга ............................................................ 107
4.2.1. Ферменты фолдинга ............................................................. 107
4.2.2. Молеку лярные шапероны — белки, обслуживающие
фолдинг .............................................................................. 110
4.3. Термодинамика и кинетика свертывания
полипептидной цепи .......................................................115
4.3.1. Термодинамические аспекты ................................................ 115
4.3.2. Структурные элементы в несвернутых цепях ......................... 121
222
Стр.222
Глава 5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СТРУКТУРНОГО
АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ .................................................. 125
5.1. Электронная микроскопия ................................................. 128
5.2. Зондовая микроскопия ....................................................... 131
5.3. Атомно-силовая микроскопия ............................................. 132
5.4. Масс-спектроскопия ........................................................... 132
5.5. Резонансные методы анализа ............................................. 138
5.5.1. Электронный парамагнитный резонанс .................................. 138
5.5.2. Спектроскопия магнитного резонанса .................................... 145
5.5.3. -ðåçîíàíñíàÿ спектроскопия (ýôôåêò Мессбауэра) ................. 161
5.5.4. Комбинационное рассеяние света .......................................... 167
5.6. Дифракционные методы анализа структур ...................... 174
5.6.1. Основы теории дифракции рентгеновских лучей .................... 178
Литература .............................................................................. 211
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .............................................................. 213
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ .................................................................. 214
Стр.223