Внутренности белков и макромолекулярных комплексов




Скрипт 1-2: N- ацетилманозамин-6-фосфат 2-эпимераза Clostridium perfringens,
PDB ID: 4UTU

Скрипт 3-4: ДНК-связывающий домен ретиноид X-рецептора человека (Human Retinoid X Receptor),
PDB ID: 4CN5

Запустить скрипт:

Продолжить выполнение:

Текст скрипта 1
Текст скрипта 2
Текст скрипта 3
Текст скрипта 4









Гидрофобное ядро

При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому гидрофобные радикалы аминокислот стремятся к объединению внутри глобулярной структуры растворимых в воде белков. Между ними возникают так называемые гидрофобные взаимодействия, а также силы Ван-дер-Ваальса между близко прилегающими друг к другу атомами. В результате внутри белковой глобулы формируется гидрофобное ядро. Гидрофильные группы пептидного остова при формировании вторичной структуры образуют множество водородных связей, благодаря чему исключается связывание с ними воды и разрушение внутренней, плотной структуры белка [1].

Зная общее число аминокислотных остатков в ядре и отношение полярных остатков к неполярным, можно предсказать форму глобулы. Глобула может быть сферической в том случае, когда она полностью покрыта мономолекулярным слоем полярных остатков. Если число полярных остатков в белке больше, чем необходимо для того, чтобы покрыть гидрофобное ядро гидрофильным слоем, то глобула вытягивается в виде эллипсоида и имеет большую поверхность, чем в случае сферы. Если превышение велико, возникают фибриллярные структуры. В случае, когда гидрофильных остатков недостаточно и они не полностью закрывают гидрофобное ядро, гидрофобное взаимодействие между такими открытыми участками часто приводит к агрегации белков и возникновению надмолекулярных структур [2].

При неполном покрытии ядра гидрофильным слоем образуются своего рода гидрофобные пятна, “лоскуты”, которые придают поверхности белка мозаичный характер, чередуясь со строго гидрофильными участками. Такие гидрофобные выходы могут иметь функциональное значение – они формируют гидрофобные участки зон связывания субстратов и других лигандов, участвуют в белок-белковых взаимодействиях, в частности в стабилизации четвертичной структуры. Также крупные гидрофобные участки поверхности белка характерны для интегральных мембранных белков [3].

В белке 4UTU было обнаружено одно большое гидрофобное ядро размером 888 атомов, что составляет около 21,3% от всего размера молекулы. Видно, что гидрофобное ядро покрыто гидрофильным слоем не полностью, выходы ядра на поверхность белковой глобулы встречаются достаточно часто. Вероятнее всего, эти выходы - участки контакта двух субъединиц, из которых состоит исследуемый белок.

Плотность упаковки атомов в гидрофобном ядре

При исследовании плотности упаковки атомов в гидрофобном ядре было обнаружено, что с помощью атомов в интервале 1-7 Å полностью покрыть аминокилотный остаток не удается. Однако в достаточно большой степени покрытым он оказывается уже атомами в пределах 4-5Å. Характерное расстояние между соседними не связанными ковалентно атомами в белке - примерно 4Å.

Может ли между соседними атомами поместиться молекула воды?
Наблюления показали, что на расстоянии 4-5Å остаток почти полностью покрывается окружающими атомами. Молекула воды должна располагаться между атомом остатка и атомами из его окружения, следовательно, свободное расстояние между ними должно быть не меньше диаметра молекулы воды, который составляет приблизительно 3Å. Даже если взять значение в 5Å и предположить, что и атом остатка, и атом из окружения - атомы кислорода, имеющего минимальный ван-дер-ваальсов радиус из предложенных, то получаем, что свободное расстояние составляет 5Å-(1,4Å+1,4Å)=2,2Å. Данная величина меньше необходимой. Значит, молекула воды между атомами поместиться не может.

ДНК-белковый комплекс Human Retinoid X Receptor (PDB: 4CN5)

Белки могут вступают вступать в контакт с ДНК для выполнения различных специфических функций. Например, они могут быть ДНК-модифицирующими ферментами или связывающими белками.

К ферментам относятся метилазы, полимеразы, нуклеазы, лигазы, киназы и фосфатазы. Метилазы катализируют метилирование нуклеотидных остатков в составе ДНК. Полимеразы добавляют нуклеотиды к 3'-концу и учавствуют в синтезе ДНК. Нуклеазы способствуют реакциям гидролиза нуклеиновых кислот. Лигазы катализируют образование фосфодиэфирной связи между 5'- и 3'-концами. Полинуклеотид-киназы катализируют перенос фосфатной группы от молекулы АТФ на 5'- и 3'-концы.
Связывающие белки контактируют со специфическими областями ДНК, регулируя экспрессию [4].

Таким образом, белки играют важную роль в функционировании ДНК.

В апплете представлено частичное изображение ДНК-связывающего домена ретиноид X-рецептора человека (Human Retinoid X Receptor).
Retinoid X Receptor (RXR) относится к cемейству ядерных рецепторов гормонов. RXR - лиганд-зависимый фактор транскрипции, играющий важную роль во многих фундаментальных процессах, таких как воспроизведение, клеточная дифференциация, развитие костей, гемопоэз, формирование различных стадий эмбриогенеза.

RXR содержит 2 характерных домена – ДНК-связывающий и лиганд-связывающий [5]. В отсутствие лиганда RXR находится в комплексе с белком-корепрессором. Присоединение лиганда к RXR приводит к диссоциации корепрессора и привлечению белка-коактиватора, который, в свою очередь, индуцирует транскрипцию [6].

Части ДНК и расположение доноров и акцепторов протонов на ее поверхности

Используя как критерий контакта расстояние между атомами ДНК и белка (не более 5Å), можно заключить, что исследуемый белок (Human Retinoid X Receptor) контактирует в основном с сахаро-фосфатным остовом, а также с большой бороздкой ДНК. Присоединяющиеся к ДНК белки имеют тенденцию взаимодействовать именно с краями оснований в большой бороздке, так как эти основания наиболее доступны [7]. Следовательно, наблюдаемый случай достаточно типичен.

В ходе исследования участка ДНК на наличие доноров и аксепторов протонов, способных образовать водородную связь с белком, было выявлено, что как в большой, так и в малой бороздках присутствуют только соответствующие аксепторы, причем в малой бороздке их больше (16), чем в большой (9).

Мне кажется, что по расположению доноров и аксепторов можно в некоторой степени судить о последовательности ДНК, так как наборы донорных и аксепторных атомов отличаются для разных нуклеотидов. С высокой степенью точности можно секвенировать ДНК методом рентгеноструктурного анализа, для которого расположение доноров и аксепторов также немаловажно.

Водородные связи между исследуемым белком и ДНК c помощью JMol обнаружить не удалось.

Механизм реакции

В представленной на видео реакции происходит присоединение фосфорильной группы диэтил-n-нитрофенилфосфата к остатку тирозина с выделением 4-нитрофенола. Диэтил-n-нитрофенилфосфат в живых организмах является участником реакций необратимого неконкуретного ингибирования, поэтому можно предположить, что это именно такая реакция.

Неконкурентные ингибиторы не имеют структурного сходства к субстрату и присоединяются не к активному центру, а к другим участкам. При данном типе ингибирования благодаря образованию стабильной ковалентной связи фермент часто подвергается полной инактивации, и тогда торможение становится необратимым. Примером необратимого ингибирования является действие йодацетата, а также диэтил-n-нитрофенилфосфата и солей синильной кислоты [8].

Источники