Техника построения моделей трехмерных биологических полипептидов согласно А – А коду

Модели данного типа можно строить из общедоступных материалов: бумаги, проволоки, английских булавок, резиновых трубок и т.д. Техника построения моделей, разработанная применительно к этим материалам, обладает важным преимуществом, состоящим в том, что на построенных таким образом моделях видно, как ведут себя при сборке молекулы полипептида целостные аминокислотные остатки, а не отдельные атомы, радикалы или функциональные группы, как это имеет место при построении моделей трехмерных молекул полипептидов согласно общепринятым методам [1–27]. Во многом благодаря данной технике нам удалось обнаружить упоминавшийся выше принцип связности вертикальных рядов, принцип молнии и ряд других особенностей поведения аминокислотных остатков полипептидных целей, важных для понимания механизмов функциональной активности молекул белков.

Началом работы является построение модели первичной структуры полипептида. В качестве материала для ее построения мы используем шириной 4 см., изготовленную из плотной бумаги типа Ватман, либо двужильный лентообразный медный провод в пластиковой оплетке, шириной 8–10 мм. Ленты размечают таким образом, чтобы каждому аминокислотному остатку соответствовал отрезок длиной 4 см. (масштаб 1 Å – 1 см). Следует следить за тем, чтобы суммарная длина цепи соответствовала реальной, в противном случае позиции аминокислотных остатков в вертикальных рядах точно совпадать не будут. Из ленты, изготовленной из плотной бумаги, строим модель, в которой фиксируется лишь положение друг относительно друга аминокислотных остатков, а из ленты, изготовленной из провода, – модель, учитывающую также и образование реальных связей между аминокислотными остатками, определяемых кодом А – А. Чтобы моделировать образование этих связей, к середине каждого сегмента сначалаприсоединяем отрезок одножильного провода, длина которого соответствует длине бокового остатка данной аминокислоты. Эта модель позволяет оценить с известной степенью приближения действительные расстояния между идущими рядом друг с другом полипептидными цепями. Мы полагаем, что полипептидные цепи идут параллельно друг другу на расстоянии, определяемом наименьшей длиной комплексов, образуемых по коду А – А между боковыми остатками аминокислот, а различия в длине этих комплексов корригируются степенью их кривизны. Этот тип моделей строим после построения моделей первого типа, удовлетворяющих критериям, описанным выше.

Техника построения моделей предельно проста. Держа в руках NH₂-концевой сегмент, содержащий аминокислотные остатки от первого до пятого, следует, обращаясь к коду, убедиться, возможно ли образование А – А связей между аминокислотными остатками первым и пятым, ибо образование А – А связей между аминокислотными остатками 1–2, 1–3 и 2–3 стерически невозможно, а образование связи 1–4 возможно лишь в частных случаях, описываемых далее в конкретных моделях. Если такая связь возможна, ленту сворачивают таким образом, чтобы границы аминокислотных остатков 1 и 5 точно совместились друг с другом, и это положение стабилизируют английскими булавками. Легко видеть, что таким образом определяется начало сворачивания полипептидной цепи в структуру, которая может оказаться правой или левой спиралью с шагом 4. Если же связь между данными аминокислотными остатками невозможна, то рассматривают возможность установления А – А связей между шестью, семью и т.д. аминокислотными остатками. Обычно, однако, на этой стадии хотя бы одна связь с шагом 4–7 возникает обязательно, а чаще несколько связей, определяющих шаг формирующейся спирали. При оценке возможностей образования связей, детерминируемых кодом А – А, не следует забывать о возможности взаимодействия аминокислотных остатков, находящихся на противоположных сторонах витка спирали. Учет этой возможности ведет к формированию двух систем А – А связей, одной – между аминокислотными остатками, находящимися на соседних витках спирали, т.е. наматывающихся параллельно друг другу по мере вращения уже синтезировавшейся трехмерной глобулы, и второй, – возникающей между аминокислотными остатками данного витка, связывающей различные части трехмерной молекулы полипептида подобно балкам межэтажных перекрытий.

Даже относительно небольшая информация, полученная в результате построения трехмерных моделей упомянутых пяти белков, свидетельствует, что порядок чередования аминокислотных остатков биологических полипептидов ни в коем случае не является случайным, как это утверждается в широко известных учебниках биохимии (см., например, [95], стр. 94, пункт 1). Напротив, их порядок жестко детерминирован таким образом, что, как правило, шаг первой спирали 4–7, а следующих – ступенчато возрастает. Участки полипептидной цепи, находящиеся между спиралями меньшего и следующего по величине шага, могут состоять из двух – восьми аминокислотных остатков.

Когда величина трехмерной растущей молекулы достигает величины, равной половине конечной, или несколько большей, очередной пента-, гептапептид имеет такую последовательность, при которой его аминокислотные остатки могут образовать А – А связи с аминокислотными остатками сформировавшейся части молекулы только в том случае, если направление движения полипептидной цепи изменяется на противоположное. Тем самым начинается вторая половина процесса – возвращение СООН-конца полипептидной цепи к ее NH₂-концу. На определенной части этого пути растущая цепь внедряется между уже сформировавшимися нитями спирали и движется между ними, как по направляющим, разрывая ранее сформировавшиеся связи и образуя новые, то с левым, то с правым соседним витком спирали (принцип молнии). По достижении СООН-концом позиции, близкой к NН₂-концу, синтез трехмерной молекулы завершается. У молекулы лизоцима позиция, занимаемая СООН-концом, фиксируется образованием заключительной S–S связи.

Примечательно, что при наматывании полипептидной спирали остатки цистеинов всегда оказываются точно друг под другом или в том же витке спирали друг против друга, в результате чего и образуются именно те S–S мостики, которые обнаруживаются при установлении первичной структуры данного полипептида. Однако строгую детерминированность состава и строения полипептидных молекул биологического происхождения лучше всего продемонстрировать на примере построения их трехмерных молекул. Ниже, занедостатком места, мы подробно опишем построение лишь модели трехмерной молекулы репрессора cro и его комплекса с регуляторным участком генов его и репрессора с1, а также построение модели молекулы лизоцима белка куриного яйца. Результаты, полученные при построении согласно А – А коду трехмерных молекул инсулина, миоглобина и панкреатической рибонуклеазы S, излагаются в других статьях этой серии.

Продолжение

Оглавление

Меклер Л.Б., Идлис Р.Г.

Построение моделей трехмерных молекул биологических полипептидов и нуклеопротеидов согласно общему коду, определяющему специфическое линейное узнавание и связывание аминокислотными остатками полипептидов как друг друга, так и тринуклеотидов полинуклеотидов

Москва 1981

Предыдущий раздел