Внутренности белков и макромолекулярных комплексов

В данной работе изучалось гидрофобное ядро молекулы белка рибонуклеазы J сенной палочки (PDB ID - 3ZQ4), а также плотность упаковки атомов в нем. Этот белок встречается у сенной палочки (Bacillus subtilis) и относится к классу гидролаз, ферментов катализирующих гидролиз ковалентной связи. Общий вид реакции, катализируемой гидролазой выглядит следующим образом: ^[1]
A–B + H2O > A–OH + B–H
Рибонуклеаза J учавствует в созревании и деградации молекул мРНК. ^[2]

Также была рассомотрен комплекс ДНК-белок (PDB ID = 5KL2)*, встречающийся у человека. ^[3]

Информация предоставлена в виде Jmol-апплетов**, подготовленных при помощи программы Jmol. Ниже доступны так же ссылки к скриптам.

ГИДРОФОБНОЕ ЯДРО

При укладке в пространстве белок стремиться принять наиболее удобную форму, характеризующуюся более низкой свободной энергией. Из-за этого 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.^[4]

В данной работе я исследовала два наиболее крупных гидрофобных ядра данного белка. Сам исследуемый белок, состоит из 4 цепей (A, C, D, E), визуально симметричных (две оси симметрии). По форме белок напоминает продольно вытянутый шестиугольник. Исследуемые ядра располагаются каждое на двух цепях, симметричных относительно ниаболее длинной оси симметрии. При этом одна из половинок каждого ядра аналогична другой, расположенной на соседней цепи, но перевернута относительно нее в пространстве. Однако данные ядра различаются по числу, входящих в их состав атомов на 156 (наиболее крупное ядро расположено на цепях С и D). Относительно общей симметрии это различие кажется очень интересным. Выделив остовную модель белка, можно заметить, что гидрофобные ядра образуют по форме структуру, близкую к квадрату, однако белковые цепи образуют четыре своеобразных "уха" (по одному на цепь), расположенных вдоль продольной оси симметрии. В этих структуры не заходят рассматриваемые гидрофобные ядра, опоясывающие практически весь белок. Однако в одной их этих частей молекулы (цепь А) все располагается достаточно крупная часть бОльшего гидрофобного ядра, что существенно нарушает симметрию молекулы. Вероятно этим в большей мере объясняется разница в чиле атомов, входящих в состав двух симметричных ядер. Данная часть бОльшего гидрофобного ядра никак не учавствует в связывании с лигандами, и вероятно, играет роль в реализации каталитической функции белка. Интересно так же, что в аналогичных структурах на других цепях, так же есть схожие по строению гидрофобныне части, отнесенные сервисом CluD к другим, более мелким гидрофобным ядрам.

При помощи сервиса СluD были найдены все гидрофобные ядра. Их число составило 64. Часть из них не превышает нескольких аминокислотных остатков, однако существует несколько достаточно крупных ядер. Я работала с ядрами, состоящим из 1775 и 1931 атомов при их общем количестве в 16901. То есть данные гидрофобные ядра занимает около 10,5% и 11,4% от белка. Всего же в молекуле 4602 атома формируют гидрофобные ядра, что составлет 27,2%, то есть значительную часть. При этом на два наиболее крупных гидрофобных ядра приходится 80,5% атомов от всего количества атомов в гидрофобных ядрах белка. Исходя из числа и размера ядер можно сделать вывод, что гидрофобные взаимодействия играют важную роль в поддержании структуры белка.

На апплете представлен фрагмент одного из наиболее крупных гидрофобных ядер данного белка (1775 атомов), рассположенный на цепи А, а также выходы гидрофобного белка на поверхность глобулы.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ УПАКОВКИ

Для исследования плотности упаковки была выбрана аминокислота фенилаланин (PHE386 :A), боковой радикал которой входит в состав выбранного ядра. На расстоянии около 5 А выбранный аминокислотный остаток практически полностью заслонен другими атомами, однако и на расстояннии 7 А остаток проглядывается через окружение.

Согласно данным измерения, среднее расстояние между соседними несвязынными ковалентно атомами около 3.876 А. Между атомами, рассположенными на таком расстоянии не могут помещаться молекулы воды. Так, приблизительный диаметр молекулы воды равен дуаметру атома кислорода (радиусом водорода можно принебречь) = 2.8 (1.4*2). Таким образом, 3.876 - 2.8 = 1.076, что меньше диаметра молекулы воды, а значит она не поместится между атомами гидрофобного ядра.

КОМПЛЕКС ДНК-БЕЛОК

Белки зачастую образуют различные комплексы с нуклеиновыми кислотами (с ДНК в частности), преследуя различные цели. Комплексы белок - нуклеиновая килота могут образовывваться как промежуточеные короткоживущие соединения в различных метаболических путях клетки или же могут представлять из себя устойчивые соединения, длительное время существующие в составе органелл или структурных элементов клетки. Такие долгоживущие комплксы называеют нуклеопротеидами.

Структура этих соединений в основном поддерживается двумя типами взаимодействий: специфичными и неспецифичными. В случае специфичного взаимодействия определённый участок белка связан со специфичной (комплементарной участку) нуклеотидной последовательностью, в этом случае вклад водородных связей, образующихся между нуклеотидными и аминокислотными остатками благодаря пространственному взаимному соответствию фрагментов, максимален. В случае неспецифичного взаимодействия основной вклад в стабильность комплекса вносит электростатическое взаимодействие отрицательно заряженных фосфатных групп полианиона нуклеиновой кислоты с положительно заряженными аминокислотными остатками белка^[5] .

К нулеопротеидам относят:

• Хроматин
  Хроматин представляет из себя комплекс ДНК с белками гистонами. Гистоны выполняет две основные функции: учавствуют в упаковке нитей ДНК и регуляции таких ядерных процессов как транскрипция, репликация, репарация. В хроматине гистоны составляют 25-40% сухого веса^[6].
• Вирусные нуклеопротеиды
  Для репликации генетического материала ДНК-содержащих вирусов необходим перенос вирусной ДНК в ядро клетки, и такой транспорт и проникновение в ядро осуществляются в виде нуклеопротеидных комплексов, белки которых несут специфичные участки — сигналы ядерной локализации, обеспечивающие транспорт через ядерные поры^[5] .

Разиличные типы белков осуществляют также регуляторную функцию. Примерами таких белков являются факторы транскрипции, то есть белки, регулирующие транскрипцию. Существует так же ряд ферментов, осуществляющих модификацию ДНК:

• Ферменты, раскручивающие ДНК
  В эту группу входят хеликазы и топоизомеразы. Топоизомеразы изменяют степень суперскрученности в ДНК, что необходимо для процессов репликации и транскрипции. Хеликазы являются одними из молекулярных моторов. Они используют химическую энергию для разрыва водородных связей между основаниями, раскручивая двойную спираль на отдельные цепочки, что необходимо для того, чтобы предоставить белкам доступ к ДНК.
• Ферменты, разрезающие и восстанавливающие целостность нитей ДНК
  Ферменты, разрезающие ДНК носят название нуклеаз. ДНК-лигазы «сшивают» концы фрагментов ДНК между собой, катализируя формирование фосфодиэфирной связи с использованием энергии АТФ. Рестрикционные нуклеазы и лигазы используются в клонировании и фингерпринтинге.
• Полимеразы
  Ферменты, синтезирующие цепи полинуклеотидов из нуклеозидтрифосфатов.В процессе репликации ДНК ДНК-зависимая ДНК-полимераза синтезирует копию исходной последовательности ДНК. Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой, которая копирует последовательность ДНК одной цепочки на мРНК^[7].

В данной работе был рассмотрен белок опухоли Вильмса (PDB ID = 5KL2). Этот белок встречается у человека ( Homo sapiens) и является фактором транскрипции, играющим важную роль в клеточном развитии и выживаемости клеток. Узанет последовательность ДНК 5'-GCG (T / G) GGGCG-3 'и связывается с ней. Регулирует экспрессию многочиленных генов-мешеней. Играет существенную роль в развитии мочеполовой системы.^[8]

В молекуле изучаемого белка одна цепь, связанная с нуклеиновой килсотой. При более подробном рассмотрении можно отметить, что в поддержании данной структуру играют роль специфические взаимодействия, то есть водородные связи между нуклеотидами и располагающимися на близом расстоянии аминокислотнами остатками белка ([DG]7:B.N7 #1733 - [ARG]394:A.HH12 #799; [DC]5:C.H41 #2035 - [ASP]396:A.OD2 #820). Вероятно также определенную роль в структурной организации комплекса играют неспецефические взаимодействия - рядом с фосфатными группами ДНК располагаются рядом положительно заряженные аминоксилоты ([LYS]371:A.NZ #360; [LYS]351:A.NZ #23).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ДНК И БЕЛКОМ

ИСТОЧНИКИ

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D1%8B
2. http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=3zq4
3. http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=5KL2
4. Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е.С. Северина., 2003. 779 с.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Нуклеопротеиды
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гистоны
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Дезоксирибонуклеиновая_кислота
8. http://www.uniprot.org/uniprot/P19544

*При анализе белка PDB ID - 5JOY (взятого из таблицы для выполнения задания) в локальной версии Jmol, не удалось найти ДНК в его составе. По этой причине я работала с белком 5KL2, первым из запасных.

**В случае, если апплет не работает, просьба попробвать открыть страничку в другом браузере или использовать для загрузки апплета другое устройство.