Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках

В работе показано, что стремление гидрофобных групп к локальной плотной упаковке на поверхности β-структурного листа является, по-видимому, основной причиной твиста β-структурных листов. Этот факт позволяет, по мнению автора, по-новому посмотреть на архитектуру почти всех доменов, содержащих β-струк...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	1990
1. Verfasser:	Втюрин, Н.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 1990
Schriftenreihe:	Биополимеры и клетка
Schlagworte:	Структура и функции биополимеров
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153094
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках / Н.Н. Втюрин // Биополимеры и клетка. — 1990. — Т. 6, № 3. — С. 15-24. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-153094
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1530942019-06-14T01:28:25Z Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках Втюрин, Н.Н. Структура и функции биополимеров В работе показано, что стремление гидрофобных групп к локальной плотной упаковке на поверхности β-структурного листа является, по-видимому, основной причиной твиста β-структурных листов. Этот факт позволяет, по мнению автора, по-новому посмотреть на архитектуру почти всех доменов, содержащих β-структуру. Показано, что большинство доменов, содержащих β-структуру, подразделяется ни несколько четко очерченных групп, особенности архитектуры которых зависят от числа и взаимного расположения вдоль цепи элементов вторичной структуры (β-стрендов и α-спиралей), образующих домен. Показано, що прагнення гідрофобних груп до локальної щільної упаковки на поверхні β-структурного листа є, очевидно, основною причиною твісту β-структурних листів. Цей факт дозволяє, на думку автора, по-новому подивитися на архітектуру майже всіх доменів, що містять β-структуру. Показано, що більшість доменів, які містять β-структуру, підрозділяються на декілька чітко окреслених груп, особливості архітектури яких залежать від числа і взаємного розташування вздовж ланцюга елементів вторинної структури (β-стрендів і α-спіралей), що утворюють домен. The study demonstrates that the tendency of hydrophobic groups to the dense local packing on the surface of β-structural sheets is probably the main reason for the twist of β-structural sheets. To the author's opinion, this fact makes it possible to interpret in a new fashion the architecture of almost all β-structure-containing domains. The majority of β-structure-containing domains are shown to fall into several clearly-outlined groups with the architectural properties depending on the number and mutual disposition along the chain of the elements of secondary structure (β-strands and α-helixes) forming the domain. 1990 Article Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках / Н.Н. Втюрин // Биополимеры и клетка. — 1990. — Т. 6, № 3. — С. 15-24. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.000266 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153094 577.322.53 ru Биополимеры и клетка Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров
spellingShingle	Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров Втюрин, Н.Н. Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках Биополимеры и клетка
description	В работе показано, что стремление гидрофобных групп к локальной плотной упаковке на поверхности β-структурного листа является, по-видимому, основной причиной твиста β-структурных листов. Этот факт позволяет, по мнению автора, по-новому посмотреть на архитектуру почти всех доменов, содержащих β-структуру. Показано, что большинство доменов, содержащих β-структуру, подразделяется ни несколько четко очерченных групп, особенности архитектуры которых зависят от числа и взаимного расположения вдоль цепи элементов вторичной структуры (β-стрендов и α-спиралей), образующих домен.
format	Article
author	Втюрин, Н.Н.
author_facet	Втюрин, Н.Н.
author_sort	Втюрин, Н.Н.
title	Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках
title_short	Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках
title_full	Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках
title_fullStr	Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках
title_full_unstemmed	Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках
title_sort	роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	1990
topic_facet	Структура и функции биополимеров
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153094
citation_txt	Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках / Н.Н. Втюрин // Биополимеры и клетка. — 1990. — Т. 6, № 3. — С. 15-24. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.
series	Биополимеры и клетка
work_keys_str_mv	AT vtûrinnn rolʹlokalʹnojplotnojupakovkigidrofobnyhgruppvbstrukturnyhbelkah
first_indexed	2025-07-14T04:44:54Z
last_indexed	2025-07-14T04:44:54Z
_version_	1837596194763702272
fulltext	в Структура и функция биополимеров У Д К 577.322.53 © Н. Н. Втюрин, 1990 РОЛЬ ЛОКАЛЬНОЙ ПЛОТНОЙ УПАКОВКИ ГИДРОФОБНЫХ ГРУПП В β-СТРУКТУРНЫХ БЕЛКАХ В работе показано, что стремление гидрофобных груші к локальной плотной упаковке на поверхности β-структурного листа является, по-видимому, основной причиной твиста ^-структурных листов. Этот факт позволяет, по мнению автора, по-новому посмотреть на архитектуру почти всех доменов, содержащих β-структуру. Показано, что большинство доменов, содержащих β-структуру, подразделяется ни несколько четко очерченных групп, особенности архитектуры которых зависят от числа и взаимного расположения вдоль цепи элементов вторичной структуры ($-стрен- дов и а-спиралей), образующих домен. В качестве возможных упорядоченных структур полипептидной цепи, образованных водородными связями, наряду с α-спиралями Полинг и Кори [1] постулировали плоские параллельный и антипараллельный β-складчатые листы (далее β-листы). Анализ проводился с помощью объемных моделей, параметры которых были получены обобщением результатов рентгеноструктурных работ по изучению кристаллов ма- лых молекул. Предсказания Полинга и Кори успешно подтвердились дальнейшими рентгеноструктурными исследованиями. Складчатые β-структуры были обнаружены в β-фиброине шелка и в растянутом волосе [2]. У глобулярных белков эти структуры составляют примерно 15 % [3]. Однако плоская β-структура была найдена практически только в глютатионредуктазе [4]. Большинство β-складчатых листов оказались неплоскими [5, 6], они характеризуются правой закруткой, если смотреть по направлению цепей (ниже эту особенность β-струк- туры будем называть твистом). Детальные конформацйонные расчеты с учетом Οβ атома [7] показали, что для L-аминокислот энергети- ческий минимум разрешенных конформаций β-структуры на карте Pa- мачандрана находится справа от диагонали, соответствующей плоской β-структуре. Такое положение минимума соответствует правому твис- ту. Так как этот минимум оказался широким и неглубоким, Чотиа [6] предложил вероятностную схему формирования правого твиста: по- скольку большая часть широкой разрешенной области для β-структу- ры на картах Рамачандрана находится также справа от диагона- ли, правый твист β-листы приобретают, по мнению Чотиа, в силу энтропийного фактора. В белках часто наблюдаются скрученные β-листы, образованные приблизительно прямыми стрендами (стренд — участок полипептид- ной цепи, входящий в β-структуру). Из рис. 1 видно, что водородные связи в пределах всей такой β-структуры не могут иметь одинаковой длины. Это значит, что в пределах такого β-листа значительная часть водородных связей имеет неоптимальную длину. Если брать во вни- мание только энергетику водородных связей, то рассматриваемый β-лист не находится в энергетическом минимуме. Наиболее подробно ISSN 0233-7G57. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. Т. 6. № 3 2 — 0-89 1 5 этот вопрос был рассмотрен Салемме и соавт. [8—11]. Они показали, что «... такая β-структура является напряженной конформацией и от- ражает конкуренцию локальных конформационных сил, которые вы- зывают твист и стремление всех водородных связей приобрести оптимальную геометрию.». Как видим, теоретическое исследование особенностей строения β-листов имеет долгую историю, и можно Рис. 1. Схематическое изображение скру- ченного β-листа с прямыми стрендами Fig. 1. Graphic representa t ion of coiled β- sheet with direct s t r a n d s Рис. 2. Схематическое изображение упаковки гидрофобных групп среднего размера на одной из сторон β-листа. Толстыми линиями указаны направления стрендов. Большие к р у ж к и — гидрофобные группы, направленные на читателя, маленькие — центры Ca- атомов, боковые группы которых направлены на рисунок Fig. 2. Graphic represen ta t ion of pack ing of middle size !hydrophobic g roups on one of the β-sheet sides. Thick lines show s t r and directions. L a r g e circles show hydrophobic g r o u p s directed to the reader , smaller ones show cent res of C a - a t o m s wi th la teral g roups directed behind the pic ture Рис. 3. Схематическое изображение локальной плотной упаковки гидрофобных групп в замкнутых β-листах: а — домен с идеальной локальной плотной упаковкой гидро- фобных групп и домен стафилококковой нуклеазы; б — домен типа трипсина. Ж и р н ы е стрелки указывают направление сближения внутренних гидрофобных групп при скручи- вании β-листа. Размеры к р у ж к о в не в масштабе Fig . 3. Graphic represen ta t ion of local dense pack ing of hydrophobic g roups in closed β-sheets : a — a domain with ideal local dense pack ing of hydrophobic g roups and a doma in of s taphylococcus endonuclease ; б — a t ryps in- type domain . Thick a r rows indi- ca te the direction of inner hydrophobic g roup approx imat ion d u r i n g β-sheet coiling'. The d imens ions of circles are not scaled привести длинный список публикаций, посвященных этой теме [12— 25]. Но, по мнению автора, во всех упомянутых работах вопросам упаковки гидрофобных групп в β-структуре уделено мало внимания. Только в статье Ефимова [20] достаточно четко изложено, что скру- ченность β-структуры способствует упаковке гидрофобных групп на поверхности β-листа, приближающейся к плотной упаковке шаров в слое с координацией шесть. Если собрать из объемных моделей участок плоского β-листа с гидрофобными группами на одной стороне и гидрофильными — на другой, и отвлечься от детализации размеров и формы гидрофобных групп, а считать их шарами некоторой средней величины, то получив- шуюся картину схематически можно представить, как это сделано на рис. 2. Объем средней боковой гидрофобной группы, рассчитанный с учетом частот встречаемости гидрофобных групп в 207 неродственных 1 6 I S S N 0233-7G57. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. Т. 6. № 3 2 — 0-89 16 белках [13], с хорошей точностью равен объему боковой группы Val (0,075 π 0,083 нм соответственно). Из рисунка видно, что гидрофоб- ные группы среднего размера невозможно расположить с одной сто- роны плоского β-листа без перекрывания групп в направлении водо- родных связей. Единственный способ устранить это перекрывание—• скрутить лист так, как показано на рис. 1. При таком скручивании гидрофобные группы в центре рис. 2, обозначенные знаком « + » , рас- положатся выше плоскости рисунка, а отмеченные знаком «—» — ни- же, благодаря чему и устранится перекрывание. По-видимому, скру- чивание листа только одним из двух возможных способов обу- словливается энтропийным фактором по Чотиа [6], т. е., в конечном счете, асимметрией аминокислотных остатков. Центры Са-атомов та- кого листа располагаются на поверхности второго порядка, которой трудно однозначно подобрать название в рамках рассматриваемого приближения. Эту поверхность можно представить как небольшой участок однополостного гиперболоида или гиперболического парабо- лоида. Существенно, что при таком скручивании одновременно с устранением перекрывания уменьшаются наибольшие промежутки между гидрофобными группами вдоль одной из диагоналей (вдоль этой диагонали лист приобретает кривизну, способствующую умень- шению этих промежутков). Вдоль такой диагонали получается упа- ковка гидрофобных групп, напоминающая упаковку шаров в плоском слое с координацией шесть. Далее будем называть ее локальной плотной упаковкой. Нужно подчеркнуть, что это локальная плотная упаковка, ана- логичная таковой шаров в плоском слое с координацией шесть, но на поверхности, имеющей существенную кривизну, которой нельзя пре- небречь, и существующая только в окрестности диагонали. Поэтому, по мнению автора, такая упаковка качественно отличается от плотной упаковки шаров в слое. Если продолжить скручивание, упаковывая группы вдоль такой диагонали, то при достаточном числе стрендов β-лист может резко уменьшить свою энергию при образовании замкнутого по водородным связям цилиндра. Это выгодно из-за максимальной реализации гидро- фобных взаимодействий и водородных связей. Из числа белков, ре- шенных рентгеноструктурпым анализом, известно несколько β-струк- турных доменов, имеющих в разной степени замкнутую на себя по водородным связям β-структуру (таблица). Предположим сначала, что β-лист во всех этих доменах образует идеальный цилиндр. Зная геометрию β-листов из рентгеноструктурных работ (Н = 0,47 нм — среднее расстояние между C a атомами соседних стрендов β-структуры и С = 0,7 нм — расстояние между Са-атомами в положениях і, ί + 2 вдоль цепи, т. е. боковые группы которых располагаются по одну сто- рону β-листа [25]), можно рассчитать удельный объем, приходящийся на аминокислотный остаток, боковая группа которого направлена внутрь цилиндра (назовем его внутренним остатком). Этот объем за- висит от числа стрендов, замыкающих цилиндр (η) и от сдвига по водородным связям (h) при замыкании (формула). Сдвиг по водород- ным связям можно объяснить на примере развертки сетки водород- ных связей стафилококковой нуклеазы (рис. 4) [21]. Левый гистидин (1-І) нижнего стренда находится напротив, если смотреть по водород- ным связям, правой аспарагиновой кислоты (D) верхнего того же са- мого, поскольку цилиндр замкнут, стренда. Расстояние между ними вдоль стренда в остатках с учетом деформации сетки водородных свя- зей между первым и вторым сверху стрендом равно 10,5. Из таблицы видно, что для всех замкнутых доменов, несмотря на разное число стрендов и разный сдвиг по водородным связям, удель- I S S N 0233-7G57. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. Т. 6. № 3 2 — 0-89 17 ный объем на внутренний остаток сохраняется с точностью 15%. Pe- зультат вполне понятный в том смысле, что плотность упаковки в гидрофобном ядре не должна зависеть от числа стрендов. То есть с увеличением числа стрендов такой замкнутый цилиндр стремится сохранить удельный объем на внутренний остаток за счет «отстава- ния» сдвига по водородным связям. Однако для достижения опти- мальных условий локальной плотности упаковки (рис. 3, а) необходи- мо вполне определенное отношение сдвига по водородным связям к числу стрендов, равное h/n = 2. Рис. 4. Схема сетки водородных связей домена стафилококковой нуклеазы. Гидрофоб- ные группы, направленные внутрь цилиндра-гиперболоида, обведены жирной полоской, наружу — пустой полоской. Верхний и нижний стренды — один и тот же стреид. Fig. 4. The scheme of hydrogen bonds of staphylococcus nuclease domain. Tlie hydro- phobic g roups directed inside the hyperboloid cylinder are outlined by the thick line, those directed outside are outlined by the unshaded line. The upper and lower s tands are the same s t rand Наиболее точно это отношение выполняется только для пятистрен- дового цилиндра стафилококковой нуклеазы h/n = 2,1 (таблица, рис. 3, а, 4). Для цилиндров с большим числом стрендов входят в противоречие две тенденции: стремление к локальной плотной упа- ковке и образованию замкнутого цилиндра, с одной стороны, и стрем- Параметры некоторых ^-структурных доменов Parameters of some β-structure domains Домен D η Ii h/n rJ.'- V, им h/n HM " " н а р β-структурный домен с идеальной локальной плотной упаковкой гидро- фобных групп Стафилококковая нуклеа- за* Трипсин DIP* IgG Fad New 1-й лист 2-й лист ТІМ* Флаводоксин 2 5(3 1 5 10,5 2 ,1 57 0.114 0,110 17 8 8 6 8 , 5 1,4 46 0.107 0,132 16 8 3 12 1 4 15 15 5 8 8 1 37 0 ,122 0 ,176 12 25 20 5 14 13 П р и м е ч а н и е . * Домены, в которых β-структура замкнута; D — общее число подоб- ных доменов, известных автору; η — число стрендов в домене; Ii — сдвиг по водородным связям (в аминокислотных остатках); а ° — угол между направлением стрендов и глав- ной осью гиперболоида (цилиндра); V — удельный объем на внутренний остаток, рас- считанный для идеального цилиндра, с учетом числа стрендов и сдвига по водородным связям в реальном домене; Vllll — удельный объем на внутренний остаток, рассчитанный для идеального цилиндра, с числом стрендов, равным таковому в реальном домене, и сдвигом по водородным связям, равным удвоенному числу стрендов в реальном домене, т. е. для оптимальных условий плотной упаковки внутри цилиндра (отношение h/n = 2 ) ; NH вн — число гидрофобных групп, направленных внутрь гиперболоида (цилиндра) для замкнутых β-листов; число гидрофобных групп на стороне β-листа, участвующей в об- разовании гидрофобного ядра для доменов с иммуноглобулиновой укладкой; число гидрофобных групп на одной из сторон β-листа для домена флаводоксина; N H u a v - число гидрофобных групп с внешней стороны гиперболоида (цилиндра) для замкнутых β-листов; число гидрофобных групп па стороне β-листа, не участвующей в образовании гидрофобного ядра для доменов с иммуноглобулиновой укладкой; число гидрофобных групп на другой стороне β-листа для домена флаводоксина. 18 I S S N 0233-7G57. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. Т. 6. № 3 2 — 0-89 18 ление сохранить удельный объем на внутренний остаток — с другой. Из рентгеноструктурных работ следует, что с определенной степенью успеха компромисс находят шестистрендовые домены типа трипсина (отношение равно 1,4). Гидрофобные группы при изгибании β-листа приближаются друг к другу, как показано на рис. 3 , 6 (рис. 5, 6, [21]). Ясно, что для 7—8-стрендовых цилиндров требования локальной плот- ной упаковки внутренних гидрофобных групп при условии сохране- ния удельного объема на внутрений остаток выполняются еще хуже, чем в структурах типа трипсина. В результате образуется не Рис. 5. Схема сетки водородных связей одного из доменов трипсина DIP . Верхний и нижний стренды — один и тот лее стренд Fig. 5. A net of hydrogen bonds of one of the domains of D I P trypsin. The upper and lower s t r ands are the same s t rand Рис. б. Схематическое изображение пространственной структуры домена трипсина Fi^". 6. Grapliic representat ion of the three-dimensional t rypsin domain s t ructure Рис. 7. Схема сетки водородных связей одного из доменов РаЬ-фрагмента иммуногло- булина New (а) и схематическое изображение пространственной укладки двух β-лис- тов домена иммуноглобулина (б) Fift. 7. Λ net of liydrogen bonds of one of the domains of the New immunoglobul in f ragment Fab (a) and graphic representat ion of three-dimensional packing of two β- s h c d s of immunoglobul in domain цилиндр, а чисто двухслойная структура, что можно видеть на раз- вертке сетки водородных связен доменов иммуноглобулинов (рис. 7, а , б , [ 2 1 ] ) . Исходя из вышеизложенного совсем непонятно существование структуры восьмистрепдового замкнутого цилиндра триозофосфатизо- меразы (ТІМ). Боковые группы внутренних остатков этого домена сближаются, как показано на рис. 9 (отношение h/n= 1). Непонятно до тех пор, пока мы не посмотрим на наружную поверхность цилин- дра и не «обнаружим», что «плохой» угол внутри цилиндра автома- тически приводит к оптимальной упаковке гидрофобных групп на на- ISSN 0D33-7657. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. Т. 6. Λ1- 3 2 * 1 9 ружной стороне цилиндра (рис. 9). Оказывается, на наружной сторо- не цилиндра в ТІМ находится в два раза больше гидрофобных групп (25), чем на внутренней (13) (рис. 8, [21], таблица). Наружные гидро- фобные группы прикрыты гидрофобными группами восьми α-спиралей (рис. 8, 10, таблица) . Отсюда следует вывод, что г и д р о ф о б н ы м я д р о м домена ТІМ является не совокупность гидрофобных групп внутри Рис . 8. Схема сетки водо- родных связей д о м е н а Т І М . Верхний и нижний стрен- ды — один и тот ж е стренд F ig . 8. Л net of h y d r o g e n b o n d s of d o m a i n T I M . The uppe r and lower s t r a n d s a re the s a m e s t r a n d Рис. 9. Схематическое и з о б р а ж е н и е л о к а л ь н о й плотной упаковки гидрофобных групп в з а м к н у т о м гиперболоиде ТІМ. Ж и р н ы е стрелки у к а з ы в а ю т направление с б л и ж е н и я внутренних гидрофобных групп при скручивании β -листа , т о н к и е — н а п р а в л е н и е сбли- ж е н и я внешних (по отношению к г и п е р б о л о и д у - ц и л и н д р у ) . Р а з м е р ы к р у ж к о в не в м а с ш т а б е F ig . 9. G r a p h i c r e p r e s e n t a t i o n of local dense p a c k i n g of hyd rophob ic g r o u p s in the clo- sed hyperbo lo id T I M . Thick l ines s h o w the a p p r o x i m a t i o n d i rec t ion of inner hydrophob ic g r o u p s d u r i n g β - shee t coi l ing , th in l ines s h o w the a p p r o x i m a t i o n di rect ion of ou te r g r o u p s (wi th respec t to the cy l inder h y p e r b o l o i d ) . The d i m e n s i o n s of circles a re not sca led Рис. 10. Схематическое и з о б р а ж е н и е пространственной с т р у к т у р ы домена Т І М F ig . 10. G r a p h i c r e p r e s e n t a t i o n of the t h r e e - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e of d o m a i n T I M цилиндра, а цилиндрическая прослойка гидрофобных групп между ци- линдром β-структуры и α-спиралями. Поэтому в таблице нет смысла сравнивать удельный объем на внутренний остаток ТІМ с доменами типа трипсина и стафилококковой нуклеазы, структура которых дер- жится на одном внутреннем гидрофобном ядре. Для этих доменов удельный объем постоянен с точностью 7 %. Гидрофобные группы снаружи цилиндра, стремясь к локальной плотной упаковке, изгибают цилиндр наружу так, что линии наиболь- шей кривизны располагаются параллельно оси цилиндра. И ци- линдр — это уже не цилиндр, а однополостный гиперболоид, об- разованный приблизительно прямыми стрендами (образующими гиперболоиды), расположенными под углом 37° к главной оси гипер- болоида. Прямые α-спирали, расположенные под тем же углом к 16 I S S N 0233-7G57. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. Т. 6. № 3 2 — 0-89 20 главной оси гиперболоида, дополнительно способствуют выпрямлению стрендов. Наиболее наглядным примером такой конструкции является сегмент Шуховской башни на Шаболовке. Гидрофобные группы, вы- стилающие гиперболоид изнутри,стремятся образовать хоть какую-то, далекую от идеальной, локальную упаковку, группируясь вокруг окружности наибольшей кривизны (плоскость окружности перпенди- кулярна главной оси гиперболоида). На примере ТІМ становится понятно, как домен с помощью того же самого твиста решает задачу плотной упаковки гидрофобных групп одновременно на обеих сторонах β-листа. Гидрофобные группы на разных сторо- нах листа группируются вдоль приблизи- тельно перпендикулярных линий и, стре- мясь к плотной упаковке, изгибают лист вдоль этих линий в свою сторону. Рис. 11. Схема сетки водородных связей домена флаводоксина Fig. 11. A net of hydrogen bonds of f lavodoxin domain Рис. 12. Схематическое изображение пространственной структуры домена флаводоксина Fig. 12. Graphic represen ta t ion of the three-d imens ional s t ruc tu re of f lavodoxin domain С той же задачей сталкивается домен флаводоксина, также относящийся к α/β-доменам, но β-лист которого не образует замкну- той структуры. Обе стороны этого листа одинаково заселены гидро- фобными группами (рис. 11, [21], таблица) и каждый кластер гидро- фобных групп изгибает лист вдоль своей диагонали в свою сторо- ну. Лист, образованный приблизительно прямыми стрендами, опять же получается скрученным. α-Спирали, располагаясь вдоль стрендов, прикрывают своими гидрофобными группами гидрофобные группы с обеих сторон β-листа, дополнительно способствуя выпрямлению стрен- дов (рис. 12). Из рис. 7, а, на котором показана развертка сетки водородных связей одного из двухслойных доменов иммуноглобулина (IgG Fab New), видно, что один из листов, как и во флаводоксине, одинаково заселен гидрофобными группами с обеих сторон. β-Лист приобретает ту же скрученность (с упаковкой гидрофобных групп вдоль разных диагоналей с разных сторон), что и в домене флаводоксина. Гидро- фобные группы на этом β-листе, образующие кластер, не входящий в гидрофобное ядро домена, участвуют в образовании гидрофобного ядра между доменами при димеризации доменов. Второй лист, имею- щий гидрофобный кластер только с одной стороны, прикрывает свои- ми гидрофобными группами гидрофобные группы на первом листе, образуя вместе с другим листом гидрофобное ядро домена, и повто- ряет форму первого. Из таблицы видно, что для доменов с замкнутой β-структурон удельный объем на внутренний остаток, рассчитанный исходя из предположения, что такие β-листы имеют идеальную цилиндрическую форму, не превышает 0,122 нм (ТІМ), а для доменов типа трипсина равен 0,107 нм. С другой стороны, рассчитав средний объем гидро- фобного аминокислотного остатка с учетом частот встречаемости в 207 белках [13], получим 0,137 нм. Этот объем включает в себя пусто- ISSN 02,33-7657. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. Т. 6. № 3 21 ты, образующиеся при упаковке гидрофобных групп в гидрофоб- ном ядре. Для ТІМ такое большое расхождение объясняется тем, что β-лист домена имеет форму идеального цилиндра, а не гиперболоида. Исходя из предположения, что расхождение в объемах для доменов типа трипсина и стафилококковой нуклеазы тоже объясняется их гипербо- личностью, по координатам, взятым из Брукхевенского банка, был рассчитан средний радиус (R) окружностей, получающихся при сече- нии предполагаемого гиперболоида стафилококковой нуклеазы пер- пендикулярно его главной оси. Сечения проводили через центр масс регулярной структуры (R = OJ им) и на расстоянии 0,5 нм от центра масс вдоль главной оси гиперболоида в обе стороны (R — 0,86 и 0,77 нм). Предположение о гиперболичности подтвердилось. Более то- го, радиус для идеального цилиндра стафилококковой нуклеазы, рас- считанный с учетом реального числа стрендов и реального сдвига по водородным связям, равен 0,69 нм, т. е. гиперболоид образуется не за счет «сжимания» цилиндра в центре, а за счет расхождения стрендов на краях цилиндра. С этим фактом согласуется и то обстоятельство, что в доменах стафилококковой нуклеазы и типа трипсина значитель- ная часть гидрофобных групп (примерно одна треть, таблица) нахо- дится на наружной стороне цилиндра, дополнительно способствуя гиперболичности. Таким образом, большинство доменов, содержащих β-структуру, подразделяется на несколько четко очерченных групп (таблица), осо- бенности архитектуры которых зависят от числа и взаимного располо- жения вдоль цепи элементов вторичной структуры (β-стрендов и α-спи- ралей), образующих домен. А именно: I. Класс β-доменов. Д о м е н ы т и п а с т а ф и л о к о к к о в о й н у к л е а з ы . Пять стрендов антипараллельной β-структуры замкнуты водородными свя- зями в гиперболоид (замыкание из-за нечетного числа стрендов осу- ществляется параллельными стрендами). Идеальные условия внутри гиперболоида для локальной плотной упаковки гидрофобных групп (отношение сдвига по водородным связям к числу стрендов равно 2,1). Группа представлена одним доменом (из числа известных автору ре- шенных пространственных структур). Д о м е н ы т и п а т р и п с и н а . Шесть стрендов антипараллель- ной β-структуры замкнуты в гиперболоид. Условия для локальной плотной упаковки гидрофобных групп внутри гиперболоида хуже, чем в домене типа стафилококковой нуклеазы (отношение равно 1,4). Осо- бенности β-структуры этой группы доменов вытекают из положения этой группы между группой стафилококковой нуклеазы с ее почти идеальным гиперболоидом и группой доменов с иммуноглобулиновой укладкой, где β-структура образует два слоя. Группа представлена во- семью доменами. Д о м е н ы с и м м у н о г л о б у л и н о в о й у к л а д к о й . Большое число (7—8) стрендов не позволяет найти компромисс между стрем- лением к локальной плотной упаковке гидрофобных групп внутри ги- перболоида и тенденцией к сохранению удельного объема на внутрен- ний остаток в замкнутой структуре. β-Лист распадается на два листа с формой участка однополостного гиперболоида или гиперболического параболоида, образованного приблизительно прямыми стрендами. Группа представлена доменами с иммуноглобулиновой укладкой. II. Класс α/β-доменов. Д о м е н ы т и п а Т І М . Восемь прямых стрендов параллельной β-структуры замкнуты водородными связями в гиперболоид. Идеаль- ные условия локальной плотной упаковки гидрофобных групп на на- ружной поверхности гиперболоида, где расположены две трети всех гидрофобных групп β-слоя. Эти две трети прикрыты гидрофобными группами восьми α-спиралей. Образование такой структуры возможно при наличии в домене строго чередующихся вдоль цепи восьми 22 T SSN 0233-7057. Б И О П О Л И М Е Р Ы И К Л Е Т К А . 1900. Т. G. № 3 β-стрендов и восьми α-спиралей. Группа представлена пятью доменами. Д о м е н ы т и п а ф л а в о д о к с и н а . Несколько прямых стрен- дов параллельной β-структуры образуют β-лист, с каждой стороны которого гидрофобные группы образуют локальную плотную упаковку вдоль своей диагонали и изгибают лист в свою сторону. Спирали прикрывают эти кластеры своими гидрофобными группами с обеих сторон. Группа представлена 20 доменами. Таким образом, стремление гидрофобных групп к локальной плотной упаковке на поверхности β-структурного листа является, по- видимому, основной причиной твиста β-структурных листов. Этот факт позволяет, по мнению автора, по-новому посмотреть на архитек- туру почти всех β-структурных белков с известной пространственной структурой. Автор благодарит А. В. Финкельштейна за многочисленные и плодотворные дискуссии, Б. А. Реву, А. В. Мурзина и В. 3. Плетне- ва — за полезные обсуждения, С. В. Кузева и А. А. Нурисламова — за предоставление координат из Брукхевенского банка белков. T H E ROLE O F D E N S E LOCAL P A C K I N G O F H Y D R O P H O B I C G R O U P S IN β -STRUCTURAL P R O T E I N S N. N. Vtyurin Ins t i tu te of Molecular Genetics, Academy of Sciences of the USSR, Moscow S u m mаr у The s tudy demons t ra tes tha t the tendency of hydrophobic g roups to the dense local pack ing on the sur face of β -s t ruc tura l sheets is probably the main reason for the twist of β-s t ruc tura l sheets. To the au thor ' s opinion, this fact makes it possible to interpret in a new fashion the architecture of a lmost all β -s t ruc ture-conta in ing domains . The majo r i ty of β -s t ruc ture-conta in ing domains are shown to fall into several cle- arly-outl ined g roups with the archi tectural propert ies depend ing on the number and mutua l disposit ion a long the chain of the e lements of secondary s t ruc ture (β -s t rands and α-helixes) fo rming the domain. С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы 1. Pauling L., Corey R. B. Conf igura t ions of polypeptide chains with favored orienta- t ions around single bonds: two new pleated cheets / / Proc. Nat . Acad. Sci. USA.— 1 9 5 1 3 7 , N 111.— P. 729—73«. 2. Dickcrson R. E. X-ray ana lys is and protein s t r u c t u r e / / T h e prote ins / Ed. H. Neu- ralh.— New York: Acad, press, 1964.— V. 2 . — P . 603—614. 3. Chou P. Y., Pastnan G. D. Conformat iona l pa ramete r s for amino acids in helical β- sheet and random coil regions calculated f rom proteins / / Biochemistry.— 1974.— 13, N 2 . — P . 2111—222. 4. Shulz G. E., Schirmer R. H., Sachsenheimer W. The s t ruc ture of the f lavoenzvme glu- ta th ione r e d u c t a s e / . / N a t u r e . — 1978.—273, N 5658.— P. 120—124. 5. Quiocho F. A., Lipscomb W. N. Carboxypept idase A: protein and an enzyme / / Adv. C h e m . - 1971.— 25, N 1 .—P. Iі—16. 6. Chothia C. Conformat ion of twisted β-pleated sheets in p r o t e i n s / / J . Мої. Biol.— 1973.— 75, N 2 , — P . 29-5—302. 7. Zimmerman S. S., Seheraga H. A. Inf luence of local in teract ions on protein s t ructu- re. 1. Conformat iona l energy studies of N-acetyl -N' -methylamides of Pro-X and X-Pro d ipep t ides / . /B iopo lymers .—1977 .— 16, N 4 . — P . 811—843. 8. Salemme P. R., Weatherford D. W. Conformat iona l and geometr ical propert ies of β- sheets in proteins. I. Para l le l β - s h e e t s / Z J . Мої. B i o l . — 1 9 8 1 1 4 6 , N 1 ,—P. 10-1 — 117. 9. Salemme F. RWeatherford D. W. Conformat iona l and geometrical propert ies of β- sheets in proteins. II. Antiparal lel and mixed β - s h e e t s / / I b i d . — P. 119—141. 10. Salemme P. R. Conformat iona l and geometr ical propert ies of β-sheets in proteins. III . Isotropically stressed c o n f i g u r a t i o n s / / I b i d . — P. 143—1'56. 11. Salemme P. R. S t ructura l propert ies of protein β - s h e e t s / / P rogr . Biophys. and Мої. Biol.— 1983,—42, N 2.—P.. 9S—133. . (SSX 0233-7G57. Б И О П О Л И М Е Р Ы И К Л Е Т К А . 1990. Т. G. Λ!.· З 23 12. Richardson J. S. H a n d e d n e s s of c rossover connec t ions in 6 - shee t s / / P roc Nat \ e a d Sci. USA.— 1976,—73, N 8 , — P . 2-619—2623. 1'3. Creighton Т. E. P ro t e in s . S t r u c t u r e and molecu la r p r i n c i p l e s . — N e w York: \Y. H. Fre- e m a n and Co., 1983.— 515 p. 14. Richardson J. S. The a n a t o m y and t a x o n o m y of pro te in s t ruc tu re / / Adv P r o t e i n Chcm - 1 9 8 1 . - 34.- P. 167-339. 15. Cohen F. F., Sternberg J. E., Taylor W. R. A n a l y s i s and pred ic t ion of the p a c k i n g of α-he l i ca s a g a i n s t a β-shee t in the t e r t i a ry s t r u c t u r e of g l o b u l a r p r o t e i n s / / J . Мої . Biol .— 19^2.— 156, N 4 . — P . 821—862. 16. Structure of β - shee ts . Or ig in of the r i g h t - h a n d e d twis t and of the increased s ta- bi l i ty of a n t i p a r a l l e l over pa ra l l e l shee ts / I\. C. Chou, M. Pot t l e , G. Neme thv et al. / / Ibid.— 162, N 1 . — P . 89—112. 17. Chothia C. Co i l ing of β -p lea ted s h e e t s / / I b i d . — 1983,— 163, N 1 , — P . 107—117. 18. Chothia C. P r inc ip le s t h a t de t e rmine the s t r u c t u r e of p r o t e i n s , / / Ann . Rev. B i o c h e m . - r 1984.— 5 3 . — P . 537—572. 19. Novotny J., Bruccoleri R. E., Newell / . Twis ted hyperbo lo id ( s t ropho id) as a mode l of β -bar re l in p ro t e in s / / J . Мої . Biol.— 1984.— 177, N 3 . — P . 567—573. 20. Ефимов Л. В. Стереохимия упаковок сс-спиралей и β -структуры в компактной гло- б у л е / / Д о к л . А Н С С С Р , — 1977.—235, № 3 . — С . 699—707. 21. Levitt M., Greer J. A u t o m a t i c iden t i f i ca t ion of s econda rv s t r u c t u r e in g lobu la r pro- t e i n s / / J . Мої. B i o l . — 1 9 7 7 . — 114, N 2 , — P . 181—239. 22. Shulz G. E., Schirmer R. H. P r inc ip le s of p r o t e i n s t ruc tu re .— New York : S p r i n g e r , 1979 .—354 p. 23. Cohen F. E., Sternberg M. J. E., Taylor W. R. A n a l y s i s and p red ic t ions of p ro te in β-shee t s t r u c t u r e by a combina to r i a l a p p r o a c h / / N a t u r e . — 1980.— 285, iN 5764.— P. 378—382. 24. Heijtie G., Blomberg C. The β - s t ruc tu r e : i n t e r - s t r a n d c o r r e l a t i o n s / / J . Мої. Biol .— 1977.— 117, N 3 , — P . 821'—824. 25. Venkatachalam С. M. S te reochemica l cr i ter ia for po lypep t ides and pro te ins . VI. Non bonded e n e r g y of po lyg lyc ine and po ly -L-a l an ine in the c rys t a l l i ne β - f o r m / / B i o c h i m . et b iophys . ac ta .— 1968,— 168, N 3 , — P . 411—416. Ин-т молекуляр . генетики А Н С С С Р , Москва Получено 06.02.89 У Д К 536.3:543.423:577.1 © Д. Н. Говорун, Я. Р. Мищук, Н. В. Желтовский, 1990 НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ФОНОННЫЕ СПЕКТРЫ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА КОМПОНЕНТОВ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ: ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ Выполнено детальное исследование низкочастотных (10 см~] <ν<200 см~1) спектров KP света поликристаллических аденина и гуанина при 300 К. Отождествлены полосы, соответствующие колебаниям кристаллической решетки. На основе анализа получен- ных данных и литературы сделаны заключения о структурных свойствах исследован- ных веществ. Обсуждаются возможные приложения полученных результатов в био- физике. Кристаллы компонентов нуклеиновых кислот (HK), в частности азо- тистых оснований, занимают важное место в иерархии модельных систем HK, так как позволяют на мономерном уровне в условиях пространственной упорядоченности изучать методами колебательной спектроскопии природу межмолекулярных взаимодействий, стабилизи- рующих структуры полинуклеотидов и определяющих их структурно- динамические свойства [1, 2]. Изучение низкочастотных (НЧ) фононных спектров нуклеотидных оснований, представляя большой самостоятельный интерес, является одним из необходимых этапов в понимании природы низкоэнергети- ческих колебательных возбуждений HK (см. работы [3—16], а также приведенную в них библиографию), имеющих, по-видимому, важное биологическое значение [7, 17, 18]. Систематические эксперименталь- ные исследования в этом направлении методами спектроскопии ком- бинационного рассеяния (KP) света до настоящего времени не пред- 24 i S S N 0233-7G57. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1990. 'Г. 6. Λ» 3

Роль локальной плотной упаковки гидрофобных групп в β-структурных белках

Institution

Ähnliche Einträge