Внутренности белков и макромолекулярных комплексов
В данном практикуме необходимо было отыскать гидрофобное ядро белка археи Methanocaldococcus jannaschii (PDB_id: 3WVB_A) с помощью сервиса
CluD. Что же такое гидрофобное ядро? Это структура, образующуяся в результате
так называемого гидрофобного взаимодействия.
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]
Ниже представлен J(S)Mol апплет, демонстрирующий гидрофобное ядро белка археи Methanocaldococcus jannaschii и некоторые его свойства.
Для того чтобы просмотреть изображения воспользуйтесь кнопками, расположенными справа от апплета; вы можете управлять скриптом ("Start script ..."
для запуска, "Resume" для продолжения выполнения скрипта, "Reset "для возвращения к исходному изображению, также под каждой кнопкой расположена ссылка на соответствующий
скрипт).
1. Гидрофобное ядро.
С помощью сервиса CluD[2] было обнаружено 3 гидрофобных ядра:
core1, core2 и core3. core2 и core3 в составе имеют 8 и 4 атома соответственно, что, естественно, мало для потенциального
гидрофобного ядра, а core1 состоит из 785 атомов, что составляет примерно 98,5% от общего количества атомов в гидрофобной структуре и 29,3% от числа атомов белка. Значит, исследуем его.
Нажмите кнопку "Start core script"(1), затем "resume"(2) и вы увидите:
1) изображение гидрофобного ядра белка на фоне остовной модели, где все атомы гидрофобного ядра в виде ван-дер-ваальсовых сфер зеленого цвета;
2) изображение, позволяющее увидеть выходы гидрофобного ядра на поверхность белковой глобулы. В шариковой модели изображены атомы изучаемого белка,
которые не входят в гидрофобное ядро (без молекул воды). Эти атомы покрашены серым цветом, ядро - зелёным.
2. Плотность упаковки атомов в гидрофобном ядре.
Был выбран остаток тирозина TYR81:B, так как он является довольно крупной аминокислотой с фенольной группой, соединенной с CH2. Этот остаток был назван
MyResidue.
Для того чтобы запустить скрипт, нажмите кнопку "Start MyResidue script", чтобы продолжить - кнопку "Resume". Ссылка на скрипт находится под первой кнопкой.
Скрипт, последовательно показывает следующие изображения:
a. Изображение остатка в виде ван-дер-ваальсовых радиусов зеленого цвета.
b. Предыдущее изображение + 'cpk 20' для соседних остатков (у которых хотя бы один атом находится на расстоянии не более 7 ангстрем от MyResidue). Атомы тирозина зеленым, а
остальные атомы - по химическим элементам.
c. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 1 ангстрем от MyResidue. Цвет - по химическим элементам (cpk)
d. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 2 ангстрем от MyResidue.
e. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 3 ангстрем от MyResidue.
f. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 4 ангстрем от MyResidue.
g. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 5 ангстрем от MyResidue.
h. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 6 ангстрем от MyResidue.
i. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 7 ангстрем от MyResidue.
Как видно из изображений тирозин покрывается практически полностью атомами примерно на расстоянии 4-5Å, следовательно, можно сказать, что остаток
покрывается на расстоянии 4.5Å. Может ли между атомами остатка и атомами его окружения поместиться молекула воды? Проведем некоторые рассчеты:
1) Ван-дер-Ваальсов радиус кислорода составляет 1.4Å[3] — если пренебречь атомами водорода, то диаметр молекулы воды составляет около 2 * 1.4Å = 2.8Å
2) Для того чтобы молекула воды могла поместиться между атомом остатка и атомами его окружения, необходимо, чтобы свободное расстояние между ними было не меньше
диаметра самой молекулы воды: 4.5Å - 2.8Å = 1.7Å. Полученная величина намного меньше необходимой, следовательно, молекула воды поместиться там не может.
3. Изображение белка в комплексе с ДНК.
Скрипт загружает pdb-документ с ДНК-белковым комплексом (PDB_id: 4UZB), скачанный с сервера NCBI[4]
Для того чтобы запустить скрипт, нажмите кнопку "Start DNA script", чтобы продолжить - кнопку "Resume"
1) ДНК и белок в виде картонной модели с раскраской по вторичной структуре.
2) ДНК в виде шариковой модели (spacefill) с раскраской по элементам; белок в виде остовной модели с раскраской по вторичной структуре;
боковые цепи белка, взимодействующие с ДНК, в виде wireframe с раскраской по элементам.
Белок, контактирующий с ДНК, является белком вируса саркомы Капоши, связанного с вирусом герпеса человека. Данный белок относится к гидролазам. Ферменты этого
класса осуществляют разрыв внутримолекулярных связей в субстрате путем присоединения элементов воды. Исходя из этого, можно предположить, что данный белок гидролизует
ДНК (т.е. приводит к образованию дезоксирибонуклеотидов).
Также, в ходе исследования данного комплекса был обнаружен LANA (latency-associated nuclear antigen), этот антиген, как предполагается, является признаком латентности группы вирусов герпеса.
[5]
Зачем какому-нибудь белку взаимодействовать с ДНК? Существует несколько групп белков, контактирующих с ДНК:
- Структурные и регуляторные белки. Регуляторные ДНК-связывающие белки, присоединяясь в определенные моменты к специфичным участкам ДНК, могут регулировать
скорость считывания генетической информации. Структурные белки связаны с ДНК в клетке и образуют компактную структуру - хроматин. Например, у прокариот хроматин образован при
присоединении к ДНК гистонов. Гистоны формируют нуклеосомы.
- Ферменты, модифицирующие ДНК.
Топоизомеразы и хеликазы. В клетке ДНК находится в компактном, т. н. суперскрученном состоянии, иначе она не смогла бы в ней уместиться. Для протекания жизненно важных
процессов ДНК должна быть
раскручена, что производится двумя группами белков — топоизомеразами и хеликазами.
Топоизомеразы — ферменты, которые имеют и нуклеазную, и лигазную активности. Они изменяют степень суперскрученности в ДНК. Некоторые из этих ферментов разрезают спираль
ДНК и позволяют вращаться одной из цепей, тем самым уменьшая уровень суперскрученности, после чего фермент заделывает разрыв. Другие ферменты могут разрезать одну из
цепей и проводить вторую цепь через разрыв, а потом лигировать разрыв в первой цепи. Топоизомеразы необходимы во многих процессах, связанных с ДНК, таких как репликация и транскрипция.
Хеликазы — белки, которые являются одним из молекулярных моторов. Они используют химическую энергию нуклеотидтрифосфатов, чаще всего АТФ, для разрыва водородных связей
между основаниями, раскручивая двойную спираль на отдельные цепочки. Эти ферменты важны для большинства процессов, где белкам необходим доступ к основаниям ДНК.
Нуклеазы и лигазы.
В различных процессах, происходящих в клетке, например, рекомбинации и репарации, участвуют ферменты, способные разрезать и восстанавливать целостность нитей ДНК. Ферменты,
разрезающие ДНК, носят название нуклеаз. Нуклеазы, которые гидролизуют нуклеотиды на концах молекулы ДНК, называются экзонуклеазами, а эндонуклеазы разрезают ДНК внутри цепи.
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. Существует также важная для метаболизма ДНК группа ферментов, которые синтезируют цепи полинуклеотидов из нуклеозидтрифосфатов — ДНК-полимеразы.
Они добавляют нуклеотиды к 3'-гидроксильной группе предыдущего нуклеотида в цепи ДНК, поэтому все полимеразы работают в направлении 5'--> 3'. В активном центре этих
ферментов субстрат — нуклеозидтрифосфат — спаривается с комплементарным основанием в составе одноцепочечной полинуклеотидной цепочки — матрицы.
[6]
Источники:
[1]: Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С. Северина. - 2-е изд., испр. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. 26 стр.;
[2]: сервис CluD;
[3]: Дж. Эмсли. Элементы. 1993г.
[4]: National Center for Biotechnology Information
[5]: US National Library of Medicine National Institutes of Health
[6]: Википедия. Дезоксирибонуклеиновая кислота.
©
Titova Anastasiya, 2016